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南京理工大学张根、苏冠勇/兰州大学王锐院士合作,最新Nature Water
高分子科学前沿 / 时间:2023-11-29 08:42:34

高分子科学前沿11月28日讯:近年来,有机染料和新出现的痕量有机污染物(TrOCs)等有机污染物对天然水道和水生生态系统的影响日益严重,对人类健康和水生环境的健康造成了潜在威胁,这引起了人们的极大关注。特别值得关注的是TrOCs,这是一类目前缺乏相关环境管理政策或排放标准的污染物。这些污染物包括类固醇激素、植物雌激素、干扰内分泌的化学品、药物和个人护理产品、工业化学品、消毒副产品和杀虫剂等。由于分子量小、毒性大、耐久性强,TrOCs 很难从水生环境中去除。膜技术为从水环境中去除这些污染物提供了一种前景广阔的可持续方法。然而,大多数商用膜的孔径大于大多数痕量有机污染物的分子尺寸,因此实现有效拦截具有挑战性。

目前的COF膜在剔除水和有机溶剂中的污染物(如染料、药物和水合离子)方面表现出卓越的能力。然而,COF 骨架由通常为 0.8 至 5 纳米的构建单元组成,其固有的孔径给通过 COF 通道识别较小的 TrOC 带来了挑战。如图 1a-c 所示,到目前为止,有三种方法可以提高 COF 通道对小分子的拦截能力。在第一种策略(图 1a)中,研究人员尝试构建MOF/COF、COF/COF或一维纤维素纳米纤维@COF 的双层膜,这可以提高分离性能,因为在两个不同层之间的界面上会发生相互作用。第二种策略(图 1b)是将二维 COF 垂直放置在基底上,并利用 COF 较小的层间距(约 0.3-0.4 nm)进行小分子转移。然而,通过这两种策略制备的膜主要用于气体分离或渗透,而对水中有机污染物去除的研究很少。这可能是因为膜孔径太小,导致膜对水的通量较低或几乎没有通量。第三种方法(图 1c)涉及通过严格的自下而上合成或合成后处理在 COF 孔引入官能团来缩小孔径。虽然这被认为是 COF 材料的主要优势之一,但实验证明仍很少见。

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图 1 增强 COF 通道拦截小分子的三种策略

在此,南京理工大学张根教授、苏冠勇教授联合兰州大学王锐院士共同提出了一种侧链工程策略,通过在孔面引入不同长度的烷基链来调控共价有机骨架膜从介孔到微孔的孔径。烷基链添加的共价有机框架(COF)膜能有效拦截各种有机污染物,包括柠檬酸酯、硝基环芳烃、有机磷酸酯和小至 0.35 nm的农药,截留率超过 99%,相应的通量高于 110 kg m-2 h-1 MPa-1。这项工作为有效去除水资源中不同类型的有机污染物提供了一条途径,从而确保我们的供水安全和可持续发展。相关成果以“Covalent organic framework membrane for efficient removal of emerging trace organic contaminants from water”为题发表在《Nature Water》上,第一作者为Tongtong Liu。

小结:总之,本文开发了一种侧链工程策略来调节 COF 膜从介孔到微孔可调节的孔径大小。通过在结构稳定的COF 膜的孔表面引入不同长度的烷基链,作者制作了四种不同孔径的 COF 膜,并将其用于去除水生环境中的 TrOCs。所有 COF 膜均表现出较高的拦截性能(99%)和水通量。这种可调通道侧链策略实现了 COF 膜对水中不同粒径有机污染物的拦截,尤其是解决了有效拦截水中各种分子相对较小(>0.35 nm)的有机污染物(包括新出现的污染物)的问题,对可持续水净化具有重要意义。(本刊有删节)详情见高分子科学前沿公众号