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MOF膜:构筑微纳结构实现高效油水分离

Science China Press

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IMAGE: (a,b)ZIF-8膜的SEM图;(c)ZIF-8膜的AFM图;(d)生长了ZIF-8纳米晶的金属网具有水下超疏油的性质。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

由于石油、钢铁、纺织等工业的含油废水排放,以及频繁的溢油事故,石油污染已成为全球重要的环境和经济问题。研究高效油水分离材料和技术具有重要的科学意义和应用价值。

传统的油水分离方法(离心法、吸附法、浮选法等)能耗高、占地面积大、用时长、分离效率低。近年来,膜分离技术不断发展,是当前对含油污水进行处理的有效技术,其具有分离设备简单、能耗低的优点。随着仿生学的研究发展,人们从荷叶、鱼鳞等自然结构中不断受到启发,超疏水膜,水下超疏油膜等逐步成为研究热点。

然而,常用的有机膜在高温环境,或者接触各种有机溶剂后,会降低其油水分离性能,而多数无机膜的制备工艺又比较复杂。因此,如何用简单的方法,构筑稳定的微纳结构,实现高分离率和高通量性能,并可大面积制备的油水分离膜仍然是个挑战。

基于此,吉林大学薛铭研究团队以金属有机骨架材料(Metal Organic Framework, MOF)这类新型晶体材料为研究对象。在常温常压条件下,以不锈钢网为载体,成功地制备出ZIF-8分离膜。由于ZIF-8膜的表面具有粗糙的微纳结构(图1a−c),显示出优异的水下超疏油性能。

在水中时,水分子优先被捕获到膜表面的MOF微纳结构中,形成连续的水层,这层液膜允许水相靠重力快速通过,而对油相产生强的排斥力,从而实现高效油水分离。

该MOF分离膜可以高效地分离多种油水混合物,油水分离效率高达99.99%,水中残油量低于4 ppm,同时该膜具有较高的水通量10.2×104 L m−2 h−1,以及很好的耐压性6400 Pa。

进一步研究发现,即使经过200℃的高温处理、以及多种常见有机溶剂(四氢呋喃、N,N’-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二氯甲烷和正己烷)浸泡,该MOF膜仍然保持接近水下超疏油的性能(图2c, d),并且可以循环多次使用。基于简单的制备方法和便宜易得的原材料,该类MOF膜很容易实现大面积制备(图2a, b),可以进行连续地大量的油水分离。

该研究得到了国家自然科学基金(21571076, 21390394, 21571079, 61701543),中石化项目 (A381, SKL-038)的资助。相关论文:宋明秋,赵宇鑫,牟善军,姜春明,李湛,杨平平,方千荣,薛铭*,裘式纶。 “A stable ZIF-8-coated mesh membrane with micro-/nano architectures produced by a facile fabrication method for high-efficiency oil-water separation”发表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9345-3 http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-018-9345-3

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