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王博、冯霄团队:超高MOF担载量膜吸附器用于高效分离
《高分子科学前沿》微信公众号 / 时间:2019-09-19 11:00:17

  据高分子科学前沿微信公众平台2019年9月19日讯 水净化作为最重要的分离过程之一,对于解决全球日益关注的水资源短缺和质量问题至关重要。与传统的工业分离方法相比,不依赖于热量的膜分离可以节约更多的能量和更多的空间。大多传统膜吸附器由于孔隙率和吸附能力有限,只能用于处理浓度非常低的污染物水溶液。
  具有高孔隙率和易功能化修饰的金属有机骨架(MOFs)材料是理想的吸附剂材料之一。但是,大面积的MOF膜材料的制备非常困难:大面积连续MOF分离层难以制备,且存在着易碎、易粉化等问题;MOF/聚合物混合基质膜(MMMs)则面临着MOF负载量低(通常低于30%)导致的吸附能力和水通量有限的问题,而提高MMMs中MOF担载量则会导致严重的相分离和膜机械性能的大幅下降。
  近日,北京理工大学的王博、冯霄研究团队报道了一种热致相分离-热压法(TIPS-HoP)联用策略可以实现对辊连续生产高担载量、柔性MOF基混合基质膜(负载量高达86wt%)。研究者借助工业生产中成熟的TIPS技术将MOF分散到熔融态的高密度聚乙烯/超高分子量聚乙烯/液体石蜡中,继而将得到的混合物降温并对辊热压,洗掉液体石蜡(造大孔),得到了10种不同的MOFs基MMM膜。少量的超高分子量聚乙烯就可以将大量MOF颗粒编织、连接成柔性薄膜,而MOFs颗粒之间的空隙与MOFs中固有纳米尺寸空腔的通道可以使其同时实现高通量和高选择性的吸附式分离。以NH2-UiO-66/MIL-100(Cr) PE MMM为例,在相同的过滤方式下(错流模式、污染物浓度、再生过程)其通量比商用超滤膜提升了4倍,并表现出优异的长循环使用性能。此外,研究者还通过引入功能化MOF实现了外消旋体和蛋白质的高通量膜分离。


王博、冯霄团队:超高MOF担载量膜吸附器用于高效分离

图a为使用TIPS-HoP方法制备MOF PE MMMs工艺示意图。
图b为MOF PE MMMs用于染料、外消旋体和相同大小的蛋白质分离的示意图。


  该研究的最大意义在于,通过TIPS和热压方法(TIPS-HoP)相结合可以实现制备具有良好机械性能的大面积超高功能多孔材料担载量(例如共价有机框架材料、活性炭、分子筛等)的分离膜,具有很好的普适性、广阔的应用前景以及实际生产价值。
  该研究工作发表在国际著名学术期刊Nature Communications上(Nat. Commun., 2019, 10, 4204),文章第一作者为博士研究生王航、赵爽和硕士研究生刘艺。
  作者简介:
  王博,特聘教授,前沿交叉科学研究院执行院长。国家杰出青年基金获得者,国家万人计划领军人才,骰宝玩法科技部中青年骰宝玩法科技创新领军人才。获“中国化学会青年化学奖”。现任国际IZA学会MOF Commission常务理事,中国化学快报和中国化学学报等杂志编委。研究方向主要涉及无机有机多孔骨架材料及成膜研究,在大气治理、污染物滤除和降解、储能等领域开展系列研究工作。已在Nature、Science、JACS、Angew.等学术期刊上发表60余篇论文,SCI他引超过7000次。空气滤膜等技术已经与相关企业合作,实现了规模化量产与工业化应用。
  冯霄,国家自然科学基金优秀青年基金获得者。研究方向主要为共价有机框架材料等晶态多孔材料的构效关系研究及其在膜分离等领域的应用研究。以第一或通讯作者发表包括5篇JACS、6篇Angew等30余篇论文,SCI他引五千余次。