金属有机框架吸附材料海水淡化技术进展

2020-02-17葛云红徐国荣安子韩

盐科学与化工 2020年12期

葛云红，徐克，徐国荣，安子韩，李炎

(自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

1 金属有机框架材料国内外研究现状

金属有机框架材料(metal-organic framework，以下简称MOFs)是由金属离子或团簇与有机配体在一定条件下通过配位键自组装形成的一类具有分子内孔隙的晶体框架材料。该类材料比表面积大、孔径大小和形状可调、易化学修饰等特点，从而具备了较好的选择透过性，从而被化学、材料学界认为其在催化、分离和纯化、气体吸附、能源等领域具有较广阔的应用前景。

2 MOFs材料的海水淡化应用研究

2.1 作为吸附剂脱除海水盐分

澳大利亚莫纳什大学王焕庭教授[1]报道了一种聚螺吡喃丙烯酸酯(PSP)功能化的MOFs(PSP-MIL-53)，它是一种可在阳光下再生的离子吸附剂，可用于可持续性海水淡化。研究发现，在黑暗条件下，能在30 min内快速吸附水中多种阳离子和阴离子，NaCl离子吸附量高达2.88 mmol/g。同时在阳光照射下，在4 min内迅速释放这些被吸附的盐。PSP-MIL-53对海水脱盐效果良好。含盐量为2 233 mg/kg的合成苦咸水的淡水产水量为139.51 kg/d，能耗为0.11 W·h/L。重要的是，这种吸附剂具有出色的稳定性和循环性能。该研究工作为设计直接利用可再生太阳能来减少能源需求和提高海水淡化的可持续性功能材料提供了一条新途径。

韩国浦项科技大学机械工程学系研究人员[2]，制造了掺入金属有机框架(MOFs)的铜基藻酸盐珠(Cu-MOFs-Alg珠)，以有效去除海水中的水溶性盐离子。制备的Cu-MOFs-Alg珠在沉淀的MOFs颗粒提取中表现出优异的盐离子吸附能力。珠子可以在宽范围的目标溶液中使用，并在重复使用三次后仍保持其离子吸附能力。珠表现出快速的吸附动力学，并且通过多级吸附过程其盐离子去除率约为94.3%。经过MOFs处理的海水产水含盐量低于1 000 mg/kg，然后经红树林激发的膜过滤，过离子去除率可达98.1%。与其他基于吸附原理的脱盐技术相比其材料成本低，且无需外部能源供应，提议的这种混合脱盐系统可以以极低的成本生产纯净水。该脱盐技术可以经济且生态友好地以实用的方式用于实际的海水脱盐。

2.2 制作选择透过膜、实现海水淡化

传统上使用的反渗透膜的水传输速率缓慢，研究人员尝试使用二维(2D)纳米材料(如石墨烯或二硫化钼)来制造新颖的脱盐膜。另一组材料是金属有机骨架(MOFs)，其固有孔隙率尺寸达到埃米级。迄今为止，研究人员已经制造和表征了大量的MOFs(超过2万个)，当前面临的挑战是寻找合适的MOFs制造高效RO膜。

卡内基梅隆大学机械工程和生物医学工程学系研究人员Farimani及其课题组[3]，提出在水脱盐中使用二维MOFs的可能性，以及材料固有的孔隙度对水脱盐的重要性。使用分子动力学模拟，研究了纳米多孔MOFs的渗透系数和离子排斥率与外部静水压力，横向和正交水扩散，孔中水的密度和速度，MOFs金属元素的影响以及MOFs层，观察到，与其他2D材料相比，MOFs有更高的水通量，同时可以脱除100%的有害离子。在进一步研究了MOFs周围的水密度和轨迹后，研究人员发现MOFs两侧的势阱可能弱于其他材料的势阱，这使水分子以较少的能量通过MOFs孔。Farimani指出，二维MOFs可以作为水脱盐的绝佳材料，这种特殊的MOFs反渗透膜可大大降低能耗，尽管MOFs是用于海水淡化的极具吸引力的材料，但制造大尺寸层数少的MOFs仍然是批量生产这种膜的主要挑战。