热质纳能10月7日讯：利用二维异质复合膜高效分离染料
第一作者：Fengchun Jia
通讯作者：Jianguo Tang、Linjun Huang
第一单位：青岛大学材料科学与工程学院
文章亮点
1.通过 π-π 效应，MOF 和 GO 纳米片被紧密地堆叠在一起。
2.MOF/GO 膜的传输路径缩短，提高了透水性。
3.MOF/GO 复合膜能有效分离阳离子和阴离子染料。
摘要详文
（1）二维材料被广泛应用于膜分离领域，但氧化石墨烯（GO）纳米片之间的松散分布和严重膨胀限制了其应用。在这里，我们在 GO 膜中引入了一种二维 MOF 材料，以提高其透水性和分离性能。
（2）通过真空过滤制备了 MOF/GO 复合膜。通过π-π效应，MOF和GO纳米片紧密堆积，缩短了传输路径，增强了孔隙结构，大大提高了复合膜的透水性。
（3）MOF/GO 膜的透水率高达 56.94 L m-2 h-1 bar-1。亚甲基蓝和甲基橙染料的截留率分别高达 99.79% 和 99.11%。当染料浓度增加时，亚甲基蓝的去除率仍保持在 99% 以上。连续运行 18 小时后，染料去除率仍保持在 90% 以上。
（4）这项工作为改进膜分离材料提供了新思路。二维异质材料的组合可为开发高透水性和高排斥率的复合膜带来协同优势。
图 3：MOF/GO 膜制备过程示意图 MOF/GO 膜的制备过程示意图。
研究引入
纺织工业的快速发展产生了大量的染料废水，严重威胁着人类健康和饮用水安全。由于具有能耗低、分离效率高、可重复使用等优点，膜分离技术在海水淡化、有机溶剂分离、气体分离、废水处理等领域引起了广泛关注，被认为是解决水资源危机的一种前景广阔的方法。目前市场上的商用膜透水性低、排斥性差，难以在高温/高压、强酸/强碱环境中稳定运行。聚醚砜膜、NF270（聚哌嗪）、NF90（聚酰胺）和 XC-N（聚哌嗪）的纯水渗透率分别为 15.4、14.8、9.5 和 8.6 L m-2 h-1 bar-1。因此，优化膜材料和开发新型膜材料对膜分离技术的发展具有重要意义。除了高透水性和高分离度外，理想的膜材料还应具有优良的稳定性和防污性能，包括合适的孔径、丰富的层间传质通道等。此外，膜材料的成本和合成工艺也是制约膜分离技术发展的因素。
近年来，具有单原子厚度和可调理化特性的氧化石墨烯（GO）已成为水处理材料的理想候选材料。特别是，GO 的表面和边缘富含含氧官能团，这为设计和调整具有不同筛分特性的 GO 膜提供了可能性。GO 可以稳定地分散在水中形成良好的分散体，制备膜也很容易。迄今为止，各种聚合物、金属纳米颗粒、r-GO等材料已被用作离子/分子分离膜。张等人通过非均匀成核和扩散控制生长过程在 GO 表面合成了一系列金属氧化物，用于染料分离，对亚甲基蓝（MB）的抑制率高达 98%。纳米粒子的存在大大增加了膜的层间距和横向曲折路径。Janjhi 等人通过制备不同厚度的氧化石墨烯/生姜提取物（GO/GE），使罗丹明 B（RB）和甲基溴染料的截留率超过 98%。
金属有机框架（MOF）是由金属离子与多价有机配体配位而成的多孔材料。MOF 中的孔结构可为膜中的分子提供传输通道。精确设计的具有不同孔隙结构的 MOFs 可实现选择性筛选，为膜分离材料提供精确的孔隙尺寸。之前的研究表明，MOF（ZIF-8）夹层的 GO 膜的水通量是 GO 膜的 6 倍，ZIF-8 颗粒的孔隙和通道允许水分子进入，拒绝染料分子渗透。然而，MOFs 在纳滤膜中的分离机理尚不清楚。本文采用真空过滤法制备了一系列不同比例的 GO/MOF 纳滤膜。研究了膜的形貌、孔径、亲水性、层间距和稳定性。实验结果证明，MOF 插层后，膜中的水传输能力减弱，对不同浓度的甲基溴和甲基橙（MO）染料均能保持 99% 以上的截留率。这项工作为 MOF 插层改性 GO 膜在水处理中的应用提供了新的参考。
文章结论
（1）总之，我们成功制备了一种新型纳滤膜。通过真空过滤将二维 MOF 和 GO 叠加在一起形成复合膜。MOF 纳米片的引入增强了 GO 膜的机械稳定性，GO 的加入使 MOF 纳米片得以制备成膜。
（2）同时，MOF 和 GO 的结合提供了丰富的纳米通道，大大提高了 GO 膜的透水性和分子分离性能。因此，MOF/GO 膜的透水率高达 56.94 L m-2 h-1 bar-1，对 MB 的截留率高达 99.79%，对 MO 的截留率高达 98.85%。
（3）随着染料浓度的增加，复合膜对甲基溴的抑制率保持在 99% 以上。复合膜的分离机理主要是静电作用和尺寸排斥。经过 18 小时的长期运行，复合膜对染料的剔除率仍保持在 90% 以上，这证明它在实际分离应用中具有很大的潜力。
（4）总之，这项工作提供了新型复合膜，将两种优秀的二维分离材料结合在一起，形成了具有高透水性和高排斥率的复合膜。
（本刊有删节）详情见热质纳能公众号
