陶瓷基金属有机框架纳米孔膜的晶内缺陷调控及高盐废水处理性能

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水资源短缺和水污染是全球的重要环境问题,废水的高效处理是解决水资源短缺的重要环节。工业高盐废水含盐量高,组成复杂,处理难度大。高效的脱盐技术可以有效解决上述问题,但传统热法脱盐技术存在能耗高、占地面积大、投资成本高等关键问题。膜法脱盐技术近年来受到越来越多的关注,其中渗透蒸发法在处理高浓度盐水时具备独特的优势。由于锆基金属有机骨架(Zr-MOF)晶体可调节的孔结构与水稳定性,使得金属有机框架(MOF)膜在渗透蒸发脱盐领域备受关注。尽管MOF膜具有极高的盐截留率,但仍存在着低渗透性问题,因此开发高渗透率的MOF膜至关重要。为解决上述问题,本研究通过晶内缺陷工程策略,实现了配体缺失的定量调控,以增大MOF-801膜晶体内部的孔道结构与亲水性,获得了高效的渗透蒸发脱盐性能,并且考察了多种极端环境下长期运行性能及稳定性,配体缺失MOF-801膜表现出良好的稳定性,进而探究了配体缺失MOF-801膜正渗透性能。主要研究内容与结论如下:(1)陶瓷基MOF-801膜配体缺失的定量调控。在不改变金属簇浓度的前提下,通过调节MOF-801晶体合成所以用到的配体酸(反丁烯二酸)与调节酸(无水甲酸)之间比例,利用热重进行缺陷定量分析发现:随着反丁烯二酸与无水甲酸比例从5:200降至0.5:200,配体缺失量从0.32增加至1.63。氮气与水蒸气吸附脱附表征结果表明,随着配体缺失量的增大,氮气与水蒸气吸附量也随之增加,同时根据氮气吸附等温线计算结果表明配体缺失MOF-801孔道结构如孔径、比表面积、孔容也随着配体缺失量的增加而增加。(2)配体缺失MOF-801膜渗透蒸发脱盐性能及长期稳定性研究。通过二次生长法制备配体缺失MOF-801膜,渗透蒸发脱盐性能研究结果表明,缺陷量从5.3%提升至23.8%,MOF-801膜的水通量提升近60%,同时保持了高盐截留率(~99.5%)。与现有报道的沸石与金属有机框架分子筛膜相比,缺陷量为23.8%的MOF-801膜(27.4 L·m-2·h-1)也处于领先水平。在中性、酸性、含次氯酸钠的10 wt.%高盐水长期运行稳定性测试中,配体缺失MOF-801膜均表现出良好的稳定性。在处理含油与表面活性剂的高盐废水过程中,MOF-801膜均表现出优于商业聚四氟乙烯(PTFE)蒸馏膜的运行稳定性,MOF-801膜因其特殊的吸附-扩散传输机制并不受到低表面能物质的影响。(3)配体缺失MOF-801膜正渗透性能及长期稳定性研究。通过探究缺陷量、汲取液浓度、正渗透模式对于MOF-801膜正渗透水处理性能的影响,结果表明,水通量会随缺陷量、汲取液浓度的增加而升高,同时保持较低的反向盐通量(0.3 g·L-1),在优化的缺陷浓度与汲取液浓度下,MOF-801膜的水通量可达到11.40±0.22 L·m-2·h-1,并能够在酸性环境中稳定运行。本研究中陶瓷基MOF-801膜内配体缺失的定量调控方法,也可以扩展至其他MOF膜,通过向MOF膜中引入配体缺失,改变MOF膜内部的孔道结构和表面化学,可以有效提升渗透性,实现高效的水处理性能。
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