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基于逆向思维反其道而行之引入可控缺陷来提高膜性能
X-MOL资讯 李琳 / 时间:2018-07-12 14:34:28

  据X-MOL资讯网2018年6月30日讯 对于膜分离过程来讲,使用一张具有缺陷的膜是所有人避之不及的。众所周知,膜的缺陷会极大地降低膜的分离性能,可以说是膜过程的“阿喀琉斯之踵”。然而,澳大利亚新南威尔士大学联合国教科文组织膜科学技术中心的科研人员联合悉尼大学和剑桥大学,基于逆向思维向超薄纳米渗透汽化复合膜中引入一种具有缺陷的MOF材料,克服了传统MOF聚合物膜有效界面面积小的弊端。引入缺陷MOF材料有效提高了原有PVA膜的通量、分离膜展现出长效稳定性,并实现了超过99.999%的截盐率。同时,他们发表文章对于缺陷对MOF的影响以及缺陷MOF对膜结构及性能的影响都进行了系统的研究。
  相关研究工作发表在Chemical Science上,文章的第一作者为悉尼大学的Weibin Liang博士以及新南威尔士大学的博士生李琳,通讯作者为剑桥大学/新南威尔士大学的侯经纬博士以及悉尼大学的Deanna M. D' Alessandro副教授。


基于逆向思维反其道而行之引入可控缺陷来提高膜性能


  金属有机框架(Metal-Organic Framework, MOF)是一种多功能的“明星材料”。归因于这类材料的多孔性、大比表面积和结构功能的多样性及可操控性,MOF在化学、生物、气体分离、能源等领域都展现出广阔的应用前景。尤其是对于MOF晶体结构中缺陷的精细调控(缺陷是指MOF中由于原子或者离子的缺失或偏移导致MOF晶体结构周期性排列的破坏),人们可以改进甚至解锁MOF在某些应用领域的特殊性能,如吸附性能、催化性能及亲疏水性能。


MIL-53(Al)的合成及缺陷形成过程

MIL-53(Al)的合成及缺陷形成过程


  研究人员借助微波方法合成了MIL-53(Al) MOF,通过控制合成的MOF在尿素中的反应(蚀刻)时间实现对MOF中缺陷的控制。作者发现增加反应时间并没有改变MOF的晶体结构,却能有效地增加孔体积(微孔和介孔总和)及Bronsted酸度。另外,缺陷MOF水吸附性能的研究表明,反应时间增加会导致介孔体积增加,进而显著提高MIL-53(Al)的吸水性能。这些有趣的发现进一步促使作者对这种缺陷MOF在膜分离中的功能进行研究。作者将不同蚀刻时间(15min、30min、45min、60min)的缺陷MOF与PVA有机溶液混合,并采用戊二醛(glutaraldehyde)作为交联剂,通过拉涂法(dip coating)在支撑膜(PVDF)表面形成致密亲水层(厚度控制在1微米)。当缺陷MOF的添加量控制在PVA 30%的情况下,聚焦离子束双束扫描电镜(FIB-SEM)的断层绘制视图显示MOF的合成时间较长。由于大量介孔结构存在,PVA和缺陷MOF中间出现大量的空隙结构,随后当分别利用超纯水和100g/L的氯化钠浓盐水作为进料液,渗透汽化测试的结果表明MOF的缺陷越多,出水端通量越大(通量最高可增加70%)。由此说明,这些处于微孔或者介孔范围的空隙能够有效促进水的溶解。而对于膜截盐率及抗污染性能的长效稳定性研究表明,在长达120小时的连续性实验中,出水端的电导率稳定在1~1.5μS/cm,表现出此类膜在高盐废水处理方面的巨大潜力。


聚焦离子束双束扫描电镜(FIB-SEM)的断层绘制视图:(左)15min蚀刻缺陷的MOF;(右)60min蚀刻缺陷的MOF;绿色:缺陷MOF,白色:PVA,紫色:空隙;插入的是对应标记断面的SEM成像。

聚焦离子束双束扫描电镜(FIB-SEM)的断层绘制视图:(左)15min蚀刻缺陷的MOF;(右)60min蚀刻缺陷的MOF;绿色:缺陷MOF,白色:PVA,紫色:空隙;插入的是对应标记断面的SEM成像。


  这项研究集中展示了缺陷MOF-有机基质的混合基质膜用于高盐废水处理方面的实际应用价值,有望实现对浓缩盐水的零排放,同时系统地研究了缺陷MOF的微观结构对于混合基质材料性能的影响,对缺陷MOF在其他功能化方面的应用具有重要的指导意义。
  该论文作者为:Weibin Liang, Lin Li, Jingwei Hou, Nicholas D. Shepherd, Thomas D. Bennett, Deanna M. D'Alessandro and Vicki Chen