北理工在MOF膜用于高效水凈化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-10-08 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
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圖1 TIPS-HoP方法制備MOF PE MMMs工藝示意圖
近日,，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》（Nature Communications）報(bào)道了北京理工大學(xué)王博研究團(tuán)隊(duì)在超高M(jìn)OF擔(dān)載量膜用于高效污水凈化的研究成果，題目為“Membrane adsorbers with ultrahigh metal-organic framework loading for high flux separations”,。該工作第一單位為北京理工大學(xué),，通訊作者為北京理工大學(xué)王博和馮霄，第一作者為化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生王航,、趙爽以及碩士生劉藝,。 原文鏈接為https://www.nature.com/articles/s41467-019-12114-8。
水凈化作為最重要的分離過(guò)程之一,，對(duì)于解決全球日益關(guān)注的水資源短缺和質(zhì)量問(wèn)題至關(guān)重要,，開(kāi)發(fā)可用于高效污水處理的膜分離材料有望大幅降低能耗和成本。
具有高孔隙率和易功能化修飾的金屬有機(jī)骨架（MOFs）材料可以實(shí)現(xiàn)高效的小分子污染物的吸附,。但是,，MOF膜材料的制備非常困難：大面積連續(xù)MOF分離層難以制備，且存在著易碎,、易粉化等問(wèn)題,；MOF/聚合物混合基質(zhì)膜（MMMs）則面臨著MOF負(fù)載量低（通常低于30%）導(dǎo)致的吸附能力和水通量有限的問(wèn)題,，而提高M(jìn)MMs中MOF擔(dān)載量則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的相分離和膜機(jī)械性能的大幅下降。
該研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種熱致相分離-熱壓法（TIPS-HoP）聯(lián)用策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輥連續(xù)生產(chǎn)高擔(dān)載量,、柔性MOF基混合基質(zhì)膜（負(fù)載量高達(dá)86 wt％）,。研究者借助工業(yè)生產(chǎn)中成熟的TIPS技術(shù)將MOF分散到熔融態(tài)的高密度聚乙烯/超高分子量聚乙烯/液體石蠟中，繼而將得到的混合物降溫并對(duì)輥熱壓,，洗掉液體石蠟（造大孔）,，得到了10種不同的MOFs基MMM膜。少量的超高分子量聚乙烯就可以將大量MOF顆粒編織,、連接成柔性薄膜,，而MOFs顆粒之間的空隙與MOFs中固有納米尺寸空腔的通道可以使其同時(shí)實(shí)現(xiàn)高通量和高選擇性的吸附式去除水體污染物。以NH2-UiO-66/MIL-100(Cr) PE MMM為例,，在相同的過(guò)濾方式下（錯(cuò)流模式,、污染物濃度、再生過(guò)程）其通量比商用超濾膜提升了4倍,，并表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)循環(huán)使用性能,。同時(shí)，利用此方法選擇不同功能的多孔材料制備的混合基質(zhì)膜還可以實(shí)現(xiàn)高效的手性分離以及相似大小的蛋白質(zhì)分離,。
圖2 MOF PE MMMs膜分離性能
通過(guò)TIPS和熱壓方法（TIPS-HoP）相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)制備具有良好機(jī)械性能的大面積超高功能多孔材料擔(dān)載量（例如共價(jià)有機(jī)框架材料,、活性炭、分子篩等）的分離膜,，具有很好的普適性以及實(shí)際生產(chǎn)價(jià)值,，有望應(yīng)用于水處理、氣體分離,、手性分離等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,。
附作者簡(jiǎn)介：
王博，特聘教授,，前沿交叉科學(xué)研究院執(zhí)行院長(zhǎng),。國(guó)家杰出青年基金獲得者，國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃領(lǐng)軍人才,，科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,。獲“中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)”。現(xiàn)任國(guó)際IZA學(xué)會(huì)MOF Commission常務(wù)理事,，中國(guó)化學(xué)快報(bào)和中國(guó)化學(xué)學(xué)報(bào)等雜志編委,。研究方向主要涉及無(wú)機(jī)有機(jī)多孔骨架材料及成膜研究，在大氣治理,、污染物濾除和降解,、儲(chǔ)能等領(lǐng)域開(kāi)展系列研究工作。已在Nature、Science,、JACS,、Angew.等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表60余篇論文，SCI他引超過(guò)7000次,?？諝鉃V膜等技術(shù)已經(jīng)與相關(guān)企業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；慨a(chǎn)與工業(yè)化應(yīng)用,。
馮霄，國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者,。研究方向主要為共價(jià)有機(jī)框架材料等晶態(tài)多孔材料的構(gòu)效關(guān)系研究及其在膜分離等領(lǐng)域的應(yīng)用研究,。以第一或通訊作者發(fā)表包括5篇JACS、6篇Angew等30余篇論文,，SCI他引五千余次,。
團(tuán)隊(duì)主頁(yè)：http://bowang.bit.edu.cn/index.html
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