湖南大学环境院CCR综述： MOF膜与污水处理和水资源再生

【引言】

水资源短缺是当今世界面临的全球性环境问题之一，采取废水处理以及水再生的策略对缓解水资源短缺十分有效。其中，膜分离技术因其节能性而备受关注。金属-有机骨架（MOF）是一类由有机配体和无机所构成的高度有序的多孔材料。近年来，由于MOF具备的规则和可调的孔隙结构赋予了其独特的性质，它作为膜分离材料能表现出良好的选择性、渗透性和防污性能，故MOF膜在废水处理和水再生方面受到越来越多的关注。与一些传统的膜材料相比，MOF材料具有以下几点优越性：（1）MOF膜能同时具备优异的选择性和渗透性；（2）MOF具有较好的兼容性；（3）MOF具有规则的、可调的孔隙结构；（4）在某些情况下，MOF可以作为填料回收再利用。

【成果简介】

近日，湖南大学环境学院曾光明教授和袁兴中教授团队在Coordination Chemistry Reviews杂志上发表了综述文章（Metal-organic framework membranes for wastewater treatment and water regeneration，2020，404，213116. DOI：10.1016/j.ccr.2019.213116）。在该综述中，作者首先对水稳性MOF膜（如MOF基复合膜和纯MOF膜）的设计和制备策略进行了详细的描述，着重讨论了缺陷型MOF膜的形成和作用。然后系统地总结了关于MOF材料以及MOF膜的表征技术，介绍了MOF膜在膜过滤、膜蒸馏、膜渗透与蒸发等在废水处理和水资源再生方面的最新应用。最后，对MOF膜目前面临的挑战，以及未来的研究方向提出了展望。

【图文介绍】

图1. 各类有机金属骨架的结构图。

图2. MOF膜在废水处理和水资源再生领域的时间发展图。

图3. MOF膜不同设计策略的合成示意图。

图4. 纯MOF膜的合成示意图。

图5. 不同方法合成不同MOF粒子的原理图。

图6. MOF复合膜的合成示意图。

图7. 结构缺陷示意图。

图8. MOF膜引入结构缺陷的示意图。

图9. 光谱技术表征MOF膜的示意图。

图10. MOF的TEM图像。

图11. 热重分析，接触角和膜表面电荷的原理图以及表征MOF膜的示意图。

图12. MOF膜的过滤性能示意图。

图13. MOF膜蒸馏的原理图与性能图。

图14. MOF膜渗透蒸发的原理图与性能图。

图15. MOF膜用于废水处理和水再生的展望图。

【总结与展望】

针对MOF膜在设计和合成上的进展，该团队提出以下几点展望：（1）深入探索和解释MOF粒子成核机制；（2）进一步改进MOF作为填料来合成MOF复合膜的相容性；（3）关注MOF的纳米结构；（4）合理利用缺陷工程进行调制，来设计与改性MOF膜；（5）设计一种同时去除表面活性剂和废水而不改变膜表面性质的膜。同时该团队提出利用原位表征技术来描述可控的MOF膜材料以及了解废水处理的动态过程以及膜污染是今后的研究热点。此外，该团队对MOF膜在废水处理与水再生的实际应用方面提出：（1）进一步探讨和研究在极端条件下保持MOF膜的长期稳定性；（2）发展绿色、低成本的合成技术以大规模生产MOF膜，并考虑回收MOF填料。

文献连接：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）

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