新型海水淡化沸石咪唑类金属有机框架ZIF-8膜的仿生设计和制备研究

Zeolitic imidazolate frameworks ZIF-8 is a novel type of crystalline porous material for the fabrication of molecular sieve membranes due to their properties such as exceptional thermal stability, permanent porosity and uniform pore size. By molecular sieving mechanism, ZIF-8 is promising for seawater desalination. In the project, we propose to functionalize the support surface of porous alumina tubes by building bio-inspired polydopamine reaction platform, thus introducing abundant organic functionalization groups such as amino-groups, aldehyde-groups and hydroxyl-groups. Through the reaction of the covalent bonding between polydopamine and porous supports as well as ZIF-8 membranes, the nucleation and growth of ZIF-8 membranes can be promoted to strengthen the capturing and anchoring ability of support surface to ZIF-8 particles. Therefore, dense ZIF-8 membranes with high separation performance are prepared on the polydopamine functionalized support to use for seawater desalination. The effects of the microstructure and surface properties of the supports as well as the synthesis factors on the microstructure and separation performances of the ZIF-8 membranes are investigated to disclose the growth mechanism of ZIF membranes, thus provide the research base of ZIF membrane formation. The performances of gas separation and seawater desalination are evaluated to deeply understand adsorption and diffusion law of water molecules, Na＋、Cl¯ ions in the ZIF pore in experiment and theory, and thus building stably theoretical foundation of ZIF-8 membranes with excellent performances of seawater desalination.

沸石咪唑类金属有机框架ZIF-8是一种具有高热稳定性和规整孔道结构的新型膜材料，通过ZIF-8膜分子筛分，有望实现海水淡化。本项目提出对多孔氧化铝管表面进行功能化修饰，通过仿生设计在多孔基体表面构建聚多巴胺化学反应平台，从而在氧化铝管表面引入丰富的氨基、醛基和羟基等有机官能团。借助引入的有机功能团和ZIF-8膜的共价键合作用，增强基体表面对ZIF-8粒子的“捕获”和“锚定”能力，从而促进ZIF-8膜成核和生长，制备得到高分离性能的ZIF-8膜，并用于海水淡化。考察基体表面功能修饰和合成工艺对ZIF-8膜微观结构和分离性能的影响规律，探讨ZIF膜的生长机理，为ZIF膜生长调控和性能优化提供研究基础。考察ZIF-8膜的气体分离和海水淡化性能，探讨水分子和Na＋、Cl¯等离子在ZIF-8膜孔道中的吸附和扩散行为规律，为开发具有优异海水淡化性能的ZIF-8膜提供可靠的理论研究基础。

由于其优良的气体吸附性能和较高的稳定性，金属有机框架膜的合成和应用研究最近引起人们的极大兴趣。特别是金属有机框架膜合成不需要使用模板剂，可以避免在脱除模板剂过程中产生裂缺，因而有望突破传统分子筛膜的制备瓶颈。沸石咪唑类金属有机框架因具有较高的热稳定性和均匀规整孔道结构，近年来已成为金属有机框架膜研究的热点。其中，具有SOD拓扑结构的ZIF-8膜具有很高热稳定性，在500 ºC高温下和水蒸汽中仍然可以保持很高的稳定性。此外，ZIF-8的孔径为0.34 nm,孔径大小介于水分子和水合离子之间，水分子和水合离子之间可以通过离子筛分实现海水淡化。但由于ZIF-8膜不易和多孔基体表面的羟基形成化学键，致使ZIF-8膜很难在多孔基体表面成核和生长，因而很难制备得到均匀致密、具有高分离性能的ZIF-8膜。本申请项目在国家自然科学基金的资助下，利用模拟贻贝分泌的粘合蛋白多巴胺对氧化铝陶瓷管表面进行功能化修饰，通过仿生设计在氧化铝陶瓷管表面构建聚多巴胺化学反应平台，从而在氧化铝陶瓷管表面引入丰富的氨基、醛基和羟基等有机官能团。利用引入的有机官能团和ZIF-8膜之间强大的共价键合作用力，从而促进ZIF-8膜在多孔氧化铝陶瓷管表面成核和生长，制备得到高分离性能的ZIF-8膜，并用于海水淡化。研究结果表明，在操作温度为25、50、75和100 ºC时，水通量分别为 5.8, 8.1, 10.8, 和13.5，脱盐率大于99.8%，表现了很高的海水淡化性能，具有很好的应用前景。.通过本项目的实施，在Desalination, Separation and Purification Technology等国际期刊发表SCI收录论文3篇，获得中国发明专利1项，培养研究生3名。