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北理工在MOF膜用于高效水净化领域取得重要进展


图1 TIPS-HoP方法制备MOF PE MMMs工艺示意图

  近日,国际顶级学术期刊《自然通讯》(Nature Communications)报道了北京理工大学王博研究团队在超高MOF担载量膜用于高效污水净化的研究成果,题目为“Membrane adsorbers with ultrahigh metal-organic framework loading for high flux separations”。该工作第一单位为北京理工大学,通讯作者为北京理工大学王博和冯霄,第一作者为化学与化工学院博士研究生王航、赵爽以及硕士生刘艺。 原文链接为https://www.nature.com/articles/s41467-019-12114-8。

  水净化作为最重要的分离过程之一,对于解决全球日益关注的水资源短缺和质量问题至关重要,开发可用于高效污水处理的膜分离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饰的金属有机骨架(MOFs)材料可以实现高效的小分子污染物的吸附。但是,MOF膜材料的制备非常困难:大面积连续MOF分离层难以制备,且存在着易碎、易粉化等问题;MOF/聚合物混合基质膜(MMMs)则面临着MOF负载量低(通常低于30%)导致的吸附能力和水通量有限的问题,而提高MMMs中MOF担载量则会导致严重的相分离和膜机械性能的大幅下降。

  该研究团队报道了一种热致相分离-热压法(TIPS-HoP)联用策略可以实现对辊连续生产高担载量、柔性MOF基混合基质膜(负载量高达86 wt%)。研究者借助工业生产中成熟的TIPS技术将MOF分散到熔融态的高密度聚乙烯/超高分子量聚乙烯/液体石蜡中,继而将得到的混合物降温并对辊热压,洗掉液体石蜡(造大孔),得到了10种不同的MOFs基MMM膜。少量的超高分子量聚乙烯就可以将大量MOF颗粒编织、连接成柔性薄膜,而MOFs颗粒之间的空隙与MOFs中固有纳米尺寸空腔的通道可以使其同时实现高通量和高选择性的吸附式去除水体污染物。以NH2-UiO-66/MIL-100(Cr) PE MMM为例,在相同的过滤方式下(错流模式、污染物浓度、再生过程)其通量比商用超滤膜提升了4倍,并表现出优异的长循环使用性能。同时,利用此方法选择不同功能的多孔材料制备的混合基质膜还可以实现高效的手性分离以及相似大小的蛋白质分离。

图2 MOF PE MMMs膜分离性能

  通过TIPS和热压方法(TIPS-HoP)相结合可以实现制备具有良好机械性能的大面积超高功能多孔材料担载量(例如共价有机框架材料、活性炭、分子筛等)的分离膜,具有很好的普适性以及实际生产价值,有望应用于水处理、气体分离、手性分离等多个应用领域。

  

附作者简介:

  王博,特聘教授,前沿交叉科学研究院执行院长。国家杰出青年基金获得者,国家万人计划领军人才,科技部中青年科技创新领军人才。获“中国化学会青年化学奖”。现任国际IZA学会MOF Commission常务理事,中国化学快报和中国化学学报等杂志编委。研究方向主要涉及无机有机多孔骨架材料及成膜研究,在大气治理、污染物滤除和降解、储能等领域开展系列研究工作。已在Nature、Science、JACS、Angew.等学术期刊上发表60余篇论文,SCI他引超过7000次。空气滤膜等技术已经与相关企业合作,实现了规模化量产与工业化应用。

  冯霄,国家自然科学基金优秀青年基金获得者。研究方向主要为共价有机框架材料等晶态多孔材料的构效关系研究及其在膜分离等领域的应用研究。以第一或通讯作者发表包括5篇JACS、6篇Angew等30余篇论文,SCI他引五千余次。

  团队主页:http://bowang.bit.edu.cn/index.html

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