基于正渗透技术MOFs复合膜材料的合成和痕量重金属离子去除研究

Metal-Organic Frameworks (MOFs) possess the excellent properties of both organic ligands and inorganic metal ions as a class of crystalline porous materials, such as structural diversities, controllability and modification, becoming the preferred modifier of membrane. In this project, the removal performance of MOFs-forward osmosis composite membrane (MOFs-TFC-FO) will be studied for trace heavy metal ions in water, such as Cu2+, Ni2+, Pb2+, Hg2+ and so on. According to the above-mentioned function, a series of organic ligands with different sizes and the functional groups, such as amine and hydroxyl, will be designed in order to increase the number of binding sites between the MOFs and thin film composite (TFC-FO). The polyethersulfone support layers and the polyamide active layers of TFC-FO will be modified to prepare MOFs-TFC-FO with different morphologies and structural features, whose performance of removing trace heavy metal ions will be further researched. The structure-activity relationship between the functional groups/pore sizes in MOFs and the performance of MOFs-TFC-FO will be analyzed; the action mechanism will also be discussed between MOFs-TFC-FO and metal ions; the synthesis law of MOFs-TFC-FO will be summarized as well. This project will obtain new MOFs-TFC-FO materials with the function of trace heavy metal ion removal, which will provide important designable synthesis methods for the exploitation of related materials, meanwhile, further expanding new functional applications of MOFs in composite membrane field.

金属有机框架（MOFs）是同时兼顾有机配体和无机金属离子二者优异特性的结晶性多孔材料，具备结构多样性、可调控性和可修饰性，这些特性其成为膜改性的优选材料。本项目研究MOFs正渗透复合膜（MOFs-TFC-FO）去除水体Cu2+、Ni2+、Pb2+、Hg2+等痕量重金属离子，以此性能为导向，调控配体官能团和尺寸设计氮唑-羧酸功能有机配体，丰富MOFs与正渗透复合薄膜（TFC-FO）的结合位点。利用MOFs对TFC-FO膜聚醚砜支撑层和聚酰胺活性层改性，制备不同形貌和结构特点的MOFs-TFC-FO复合膜，研究去除痕量重金属离子性能。分析MOFs官能团和孔径与复合膜性能的构-效关系，探讨复合膜与金属离子的作用机制，总结归纳其合成规律。本项目将获得具有痕量重金属离子去除功能的MOFs-TFC-FO复合膜材料，为其开发研究提供重要的设计合成方法，拓展MOFs在复合膜领域的新功能应用。

金属有机框架（MOFs）是兼顾有机配体和无机金属离子二者优异特性的结晶性多孔材料，具备结构多样性、可调控性和可修饰性，具有广泛的应用前景。通过功能配体的合理设计，探索稳定性MOFs及其复合材料的组装规律，建立相应的构-效关系是配位化学研究的难点和重点之一。本研究课题围绕高稳定性MOFs及其复合材料的设计合成与功能开展研究工作，选用含有氮唑、羧酸、酰胺等功能基团的有机配体，与Zn2+、Cd2+、Cu2+等配位形成高稳定性MOFs，将其与不同基底材料通过化学结合制备性能优异的MOFs复合材料，对他们的结构和性质进行系统深入地研究。项目主要研究内容包括：1）引入和调控四氮唑、羧基、酰胺等功能基团，成功构筑具有较高热稳定性和优良的耐酸、耐碱等化学稳定性且性能优异的MOFs；2）通过实验和理论计算对MOFs的构-效关系进行深入研究，证明功能基团的调控可以有效增强MOFs的荧光、吸附分离和特定目标分子检测等性能；3）原膜性能通过优化过程工艺参数可以得到一定程度改善，但是功能基团的引入能够增强MOFs与凝胶、PVDF膜等基底材料的化学结合，促进结合强度更高、含有特异作用位点且性能更优异的复合材料的形成。本项目工作具有较强的系统性和创新性，为MOFs及其复合材料的设计合成提供了重要的科学依据和理论指导。项目执行期间，在ACS Applied Material & Interfaces，Jounal of Membrane Science，Innovative Food Science and Emerging Technologies，Crystal Growth&Design等期刊发表SCI论文9篇，投稿在审SCI论文2篇；准备申请发明专利1件；培养硕士研究生2名，实现了项目提出的预期成果目标。同时，另有多个相关的研究成果正在进一步完善与整理发表之中。