MOFs分离膜在水系分离中的应用

MOFs作为一类具有三维孔结构的新型框架材料,在催化、储能和分离领域均有广泛的应用前景,而MOFs的水稳定性一直是限制其扩大应用的壁垒。随着水稳定性MOFs材料不断涌现以及人们对MOFs水稳定性机理认识的加深,众多的学者开始关注MOFs分离膜在水体系下物质分离的应用研究。综述了围绕MOFs分离膜在水系环境下的分离应用研究展开,概述了MOFs水稳定性的影响因素,MOFs分离膜的制备及其在染料废水处理、脱盐、重金属离子去除和离子选择性分离等领域的应用研究,并对MOFs分离膜未来发展趋势进行了展望。     

金属有机骨架混合基质水处理分离膜研究进展

金属有机骨架（MOFs）晶体由无机金属离子和有机配体通过自组装合成,具有高的孔隙率和可调节的窗口尺寸,可使MOFs混合基质膜在水处理时同步获得高通量和高截留率,有望突破传统分离膜的渗透性和选择性之间此消彼长的trade-off效应。本文综述了MOFs的典型构造、影响MOFs混合基质膜性能的关键因素、MOFs混合基质膜的制备方法、MOFs颗粒改善混合基质膜水传输和溶质分离性能的原理以及MOFs混合基质膜在水处理微滤/超滤、纳滤/反渗透和正渗透领域的最新研究进展。最后总结了MOFs混合基质膜在水处理领域的未来发展亟待解决的关键问题,主要包括高性能、低成本膜的可控制备、膜结构和性能之间定量构效关系的深入探索以及如何拓宽其应用范围等,对加快MOFs混合基质膜的产业化进程具有指导意义。     

MOFs基膜材料的研究现状及其在H2/CH4分离中的应用

氢气的生产、分离和储存已经成为世界绿色能源经济的重要组成部分。通过膜分离法从工业副产物中提纯氢气,不但操作简便,且显著降低了分离的能耗,是一种有前景的分离技术。金属有机框架（metal-organic frameworks,MOFs）因具有晶态、有序、明确的多孔结构和较大的比表面积,被认为是理想的气体分离膜材料。本文以MOFs基分离膜为研究对象,对比综述了MOFs膜的常规制备技术,总结了水热/溶剂热法、界面合成法、二次生长法和浇铸法的合成机理及应用。简述了在H₂/CH₄分离方面MOFs膜的设计原理及应用。针对MOFs膜当前存在的柔性、孔径、晶界结构、稳定性等问题,重点介绍了对制备方法与改良和对薄膜的后修饰策略,以期实现对MOFs膜性能的调控。最后,指出了目前该技术存在的难以大规模生产、分离性能不足的缺点,开发低成本的大规模生产方法同时提高薄膜的分离性能将会是未来MOFs膜实现工业应用的关键。     

浅析金属-有机骨架膜在气体分离领域的应用

金属-有机骨架(MOFs)是一种有机-无机纳米多孔复合材料,具有良好的孔隙率和较为规则的晶体形貌。对MOFs有机配体的化学功能化作用,促进了其孔道结构、化学和物理性质的改变,更加适用于在气体膜分离等工业领域的应用。目前,很多文献相继报道了MOFs的合成和应用。但是,由于膜与载体的作用力不强、湿度灵敏度较低、稳定性较差等制膜条件限制,关于制备MOFs膜的文献报道相对较少。同时,在MOFs膜的制备过程中,纳米级缺陷的产生,也会对气体分离性能造成很大影响。在这里,我们总结了近几年MOFs膜用于气体分离的标准、存在问题和制备方法,并对这一领域未来的发展方向做了展望。     

基于MOFs材料的低碳烃（C1~C3）分离研究进展

低碳烃（C₁~C₃）混合物的分离和纯化是化工过程中最重要且耗能最大的过程单元之一,开发温和条件下低能耗高选择性吸附分离C₁~C₃分子的固体吸附材料迫在眉睫。金属有机框架材料（MOFs）作为一类相对新颖的多孔有机-无机杂化材料,因其可控的拓扑结构和多样的化学微环境,在低碳烃分离和纯化领域受到广泛关注。本文概述了MOFs作为分离和纯化低碳烃气体吸附剂的特性,重点关注了MOFs材料在C₁（CO₂/CH₄）、C₂、C₃烯/烷烃以及烯/炔烃分离领域的应用进展。首先归纳了MOFs材料在C₁~C₃烃类物质分离过程中的三种常见分离机制,并据此回顾了近年来MOFs材料对常见C₁~C₃烃类分子的吸附及分离性能;分析了MOFs材料在C₁~C₃烃类物质分离过程中的构效关系,总结了MOFs材料的孔道尺寸/形状、骨架柔性和表面功能的调控理念与方法,并提出MOFs材料成本高、水热稳定性差、主客体关系难以精准探测等制约其应用发展的现状。文章指出未来研究重点为开发低成本多样化专一性的新型配体,构造复合型吸附剂,并明确吸附分离过程中分离体系主客体性质,为MOFs材料用于低碳烃分离的定向设计提供了探索方向。     

MOF复合材料在气体吸附分离中的研究进展

作为一种新型多孔材料,金属有机骨架（metal-organic framework, MOF）材料因其具有高孔隙率、大比表面积、孔尺寸高度可调、结构多样等优点,近年来在气体吸附与分离领域显示出广阔的应用前景。然而,在MOF材料的工业化进程中,仍存在稳定性差等问题需要解决。将MOF材料与其他功能材料进行复合,实现不同材料间的协同效应,在保证吸附分离性能的同时,显著提升MOF材料的结构稳定性。本综述概述了MOF基复合材料的构筑策略,与MOFs构筑复合材料的材料,包括碳基材料、离子液体、MOFs、分子筛等。分析了各种MOF复合材料在气体吸附与分离领域的应用进展,并对该研究方向进行了展望。     

金属有机框架材料吸附分离水中铀的应用

金属有机框架材料（metal-organic frameworks,MOFs）具有极高的比表面积和孔隙率,结构可设计调控,但在水相吸附分离方面存在水稳定和选择吸附性较差、分离困难、合成与再生成本偏高等问题。针对MOFs的缺陷,可以通过有目的的功能化改性从而提升其对目标污染物的吸附性能。本文介绍了MOFs的结构优势,分析了水稳定性的影响因素和判断手段,简述了具有代表性的高水稳定性MOFs材料的特性;根据MOFs改性方法的分类回顾了MOFs及改性MOFs在去除水相中放射性铀的应用;基于不同分析技术探讨了MOFs与铀酰离子的吸附机理;提出推动MOFs在吸附铀方面规模化应用发展的核心是合成高稳定性MOFs,通过改性提高MOFs的选择吸附性能和再生性以及深入研究吸附机理。     

离子液体膜材料分离二氧化碳的研究进展

离子液体由于具有不易挥发、结构可调、对CO₂有良好的吸收性能等特点而成为当前CO₂分离领域的研究热点,但因高黏度和高成本问题而限制了其工业化应用。将离子液体与气体分离膜材料结合,得到的新型分离膜材料兼具离子液体和膜的优势,成为当前离子液体研究领域的趋势之一。针对这一热点问题,综述了离子液体支撑液膜、聚离子液体膜和离子液体共混/杂化膜在CO₂分离方面的研究现状和进展,讨论了离子液体结构和含量对膜分离性能、稳定性等的影响。相关研究表明,离子液体共混/杂化膜具有较高的分离性能和稳定性,是一种很有应用前景的CO₂分离材料。提出该领域的重点发展方向,即开发新的功能化离子液体共混/杂化膜材料是解决高渗透通量与高稳定性之间矛盾、强化CO₂分离性能的有效途径,深入研究离子液体共混/杂化膜的形成机制、气体在膜中的渗透行为以及CO₂分离机理。     

面向氢气/甲烷分离分子筛膜微结构调控的研究进展

氢能具有燃烧值高、零碳排放等优势,发展氢能技术是实现“碳达峰、碳中和”战略的重要举措。当前,基于天然气和石油路线的制氢均存在将氢气从甲烷等烃分子中分离的过程。氢气/甲烷分离主要有变压吸附法、深冷精馏法以及膜分离法。分子筛膜具有精准分子筛分、高分离性能和稳定性好等优势,是低能耗分离氢气/甲烷最具发展潜力的膜材料。面向氢气/甲烷分离的应用需求,阐述了沸石分子筛膜和MOFs分子筛膜微结构调控策略、氢气/甲烷分离性能和构效关系的研究现状,分析了分子筛膜材料在氢气/甲烷分离领域的机遇和挑战。绘制了可与2008年聚合物膜Robeson上限图相比的分子筛膜性能数据图,并预测了分子筛膜在制氢分离领域经济可行的分离性能目标区域。     

MOFs材料在C2H2存储及吸附分离中的研究进展

针对当前工业中存在的乙炔(C_2H_2)及含C_2H_2二元组分气体的存储与高效分离问题,梳理了近年来金属有机骨架材料(MOFs)对C_2H_2气体的吸附存储和分离研究。重点比较了含C_2H_2的二元组分气体与MOFs材料之间的构效关系及分离不同二元组分气体所用MOFs材料的筛选条件与设计原则,以期实现MOFs材料对C_2H_2的高效分离,达到对C_2H_2的纯化及存储效果,促进未来MOFs材料在该领域的发展。最后展望了MOFs材料在此方面的应用前景。     

金属有机骨架/聚酰胺薄层纳米复合膜的研究进展

相较于传统聚酰胺薄层复合（TFC）膜,金属有机骨架/聚酰胺薄层纳米复合（TFN）膜得益于MOFs材料的高比表面积、有序可控的孔隙结构、良好的聚合物相容性和可定制的化学功能,展现出更高的渗透选择性,在工业应用中显示出巨大的分子和离子分离潜力。本文首先简述了MOFs聚酰胺复合膜的研究背景,然后从MOFs材料的特性和MOFs聚酰胺复合膜的制备策略两个方面出发,总结了MOFs聚酰胺膜研究的最新进展。讨论了MOFs的物化特征在TFN膜的微观结构和分离性能中起的作用;介绍了MOFs聚酰胺复合膜的制备策略,重点对MOFs负载方法及效率进行了分析。最后简述了MOFs聚酰胺复合膜在气、液体系分离中的应用;对MOFs聚酰胺膜在应用过程中的稳定性问题进行了分析,并对未来MOFs聚酰胺复合膜优化MOFs负载和功能性设计的研究进行了展望。     

面向油水分离的无机膜制备及应用进展

膜技术是处理含油污水及含水油液的有效分离方法。无机膜材料由于可调变的表面性质和良好的稳定性,即使在苛刻的条件下,在分离油水方面表现出优异的分离性能。本文首先阐述了设计与制备油水分离膜的理论基础,包括分离过程中压力驱动力和膜表面特性对膜通量和选择性的影响;然后综述了当前国内外用于油水分离的无机膜的制备及其应用进展,重点介绍分子筛膜、金属氧化物/金属氢氧化物膜和氧化石墨烯膜等的研究,分析了在不同油水混合物中研究者们调控无机膜表面性能的策略,提出膜表面润湿性和膜结构是提高膜分离效率和抗污染性的关键;最后指出抵制含大量表面活性剂、碱液及有机聚合物种的乳化油对膜造成污染,是无机膜亟需解决的问题,并展望了无机膜在分离油水方面的发展方向。     

光催化分离膜的制备及其在水处理中的应用

光催化分离膜将膜分离与光催化结合在同一处理单元中,可发挥膜分离作用,同时也可以利用光催化剂高效降解水中的有毒有害污染物,提高膜的抗污染性能和水处理效率。因此是水处理领域的研究热点,并显示出巨大的应用潜力。本文综述了基于二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）和氧化钨（WO₃）四种常用催化剂的光催化分离膜的研究概况,重点对光催化分离膜的制备方法和性能进行了总结,光催化分离膜具有良好的发展前景,制备高效、稳定的可见光响应光催化分离膜是未来的发展趋势。     

An effective strategy to boost hydrogen separation performance through stable mixed proton-electron conducting membrane

Hydrogen separation and purification are key to widespread application of hydrogen energy. Hydrogen permeable membranes based on lanthanum tungstate (LWO) attract attention due to favorable mechanical strength and chemical stability. However, industrial application of LWO-based membranes has remained challenging because of modest hydrogen permeances. Here we report a novel graded porous supported symmetric (GPSS) LWO-based membrane with improved transport properties, gas exchange dynamics, and operational stability, boosting stable hydrogen flux by several times over previously reported state-of-the-art membranes.     

Mixed matrix metal–organic framework membranes for efficient CO2/N2 separation under humid conditions

Mixed matrix metal–organic framework (MOF) membranes show excellent application prospects in gas separation. However, their stability in various practical application scenarios is poor, especially under humid conditions. Herein, we encapsulated a hydrophobic ionic liquid (IL) into the cavity of MOFs, which effectively mitigated the competition between H₂O and CO₂ in humid gas mixtures, leading to stable and high-performance gas separation. For this reason, the resulting membranes using polymer of intrinsic miroporosity-1 (PIM-1) as a polymer matrix show good CO₂/N₂ separation performance and long-term test stability under humid environment. In particular, the 20 wt% IL-UiO/PIM-1 shows a high permeability of 13,778 Barrer and competitive CO₂/N₂ separation factor of ~35.2, transcending the latest upper bound. Besides, the according membrane module exhibits slightly decreased CO₂ permeability and selectivity, promoting the application of self-supporting membranes. This work provides a reliable strategy for the rational design of MOF-based hybrid membranes under extreme conditions.     

疏水性油水分离膜及其过程研究进展

油水分离是治理含油废水和含水油液的重要工业过程。本文概括了疏水性油水分离膜的类型与制备方法,包括常规分离膜和高度疏水/超亲油分离膜。前者为常规微滤、超滤及纳滤过程用膜;后者由构筑高度疏水（水滴接触角≥120°）表面方法得到,形式有金属网膜、纤维膜、滤纸、复合膜及不对称膜,其为制备耐污染的疏水性油水分离膜提供了新思路。指出了疏水性膜用于油水分离的过程原理及应用现状：含油废水除油中,疏水性膜可实现O/W乳液的破乳、粗粒化油滴、滤除油滴及吸附油分子几方面的功能;含水油液除水中,膜被用来截留水滴,可直接得到净化的油品。最后,指出了其过程规模化应用前尚需解决的重要问题,特别是高度疏水/超亲油分离膜的制备、相关过程研究的深入及其规模化试验等方面需着力加强。