湖南大學環境院CCR綜述： MOF膜與污水處理和水資源再生

【引言】

水資源短缺是當今世界面臨的全球性環境問題之一，采取廢水處理以及水再生的策略對緩解水資源短缺十分有效。其中，膜分離技術因其節能性而備受關注。金屬-有機骨架（MOF）是一類由有機配體和無機所構成的高度有序的多孔材料。近年來，由于MOF具備的規則和可調的孔隙結構賦予了其獨特的性質，它作為膜分離材料能表現出良好的選擇性、滲透性和防污性能，故MOF膜在廢水處理和水再生方面受到越來越多的關注。與一些傳統的膜材料相比，MOF材料具有以下幾點優越性：（1）MOF膜能同時具備優異的選擇性和滲透性；（2）MOF具有較好的兼容性；（3）MOF具有規則的、可調的孔隙結構；（4）在某些情況下，MOF可以作為填料回收再利用。

【成果簡介】

近日，湖南大學環境學院曾光明教授和袁興中教授團隊在Coordination Chemistry Reviews?雜志上發表了綜述文章（Metal-organic framework membranes for wastewater treatment and water regeneration，2020，404，213116. DOI：10.1016/j.ccr.2019.213116）。在該綜述中，作者首先對水穩性MOF膜（如MOF基復合膜和純MOF膜）的設計和制備策略進行了詳細的描述，著重討論了缺陷型MOF膜的形成和作用。然后系統地總結了關于MOF材料以及MOF膜的表征技術，介紹了MOF膜在膜過濾、膜蒸餾、膜滲透與蒸發等在廢水處理和水資源再生方面的最新應用。最后，對MOF膜目前面臨的挑戰，以及未來的研究方向提出了展望。

【圖文介紹】

圖1. 各類有機金屬骨架的結構圖。

圖2. MOF膜在廢水處理和水資源再生領域的時間發展圖。

圖3. MOF膜不同設計策略的合成示意圖。

圖4. 純MOF膜的合成示意圖。

圖5. 不同方法合成不同MOF粒子的原理圖。

圖6. MOF復合膜的合成示意圖。

圖7. 結構缺陷示意圖。

圖8. MOF膜引入結構缺陷的示意圖。

圖9. 光譜技術表征MOF膜的示意圖。

圖10. MOF的TEM圖像。

圖11. 熱重分析，接觸角和膜表面電荷的原理圖以及表征MOF膜的示意圖。

圖12. MOF膜的過濾性能示意圖。

圖13. MOF膜蒸餾的原理圖與性能圖。

圖14. MOF膜滲透蒸發的原理圖與性能圖。

圖15. MOF膜用于廢水處理和水再生的展望圖。

【總結與展望】

針對MOF膜在設計和合成上的進展，該團隊提出以下幾點展望：（1）深入探索和解釋MOF粒子成核機制；（2）進一步改進MOF作為填料來合成MOF復合膜的相容性；（3）關注MOF的納米結構；（4）合理利用缺陷工程進行調制，來設計與改性MOF膜；（5）設計一種同時去除表面活性劑和廢水而不改變膜表面性質的膜。同時該團隊提出利用原位表征技術來描述可控的MOF膜材料以及了解廢水處理的動態過程以及膜污染是今后的研究熱點。此外，該團隊對MOF膜在廢水處理與水再生的實際應用方面提出：（1）進一步探討和研究在極端條件下保持MOF膜的長期穩定性；（2）發展綠色、低成本的合成技術以大規模生產MOF膜，并考慮回收MOF填料。

文獻連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854519304527?（Metal-organic framework membranes for wastewater treatment and water regeneration，2020，404，213116. DOI：10.1016/j.ccr.2019.213116）

本文由作者供稿。

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