葛云紅，徐 克，徐國榮，安子韓，李 炎

(自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

1 金屬有機框架材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

金屬有機框架材料(metal-organic framework，以下簡稱MOFs)是由金屬離子或團簇與有機配體在一定條件下通過配位鍵自組裝形成的一類具有分子內(nèi)孔隙的晶體框架材料。該類材料比表面積大、孔徑大小和形狀可調(diào)、易化學(xué)修飾等特點，從而具備了較好的選擇透過性，從而被化學(xué)、材料學(xué)界認為其在催化、分離和純化、氣體吸附、能源等領(lǐng)域具有較廣闊的應(yīng)用前景。

2 MOFs材料的海水淡化應(yīng)用研究

2.1 作為吸附劑脫除海水鹽分

澳大利亞莫納什大學(xué)王煥庭教授[1]報道了一種聚螺吡喃丙烯酸酯(PSP)功能化的MOFs(PSP-MIL-53)，它是一種可在陽光下再生的離子吸附劑，可用于可持續(xù)性海水淡化。研究發(fā)現(xiàn)，在黑暗條件下，能在30 min內(nèi)快速吸附水中多種陽離子和陰離子，NaCl離子吸附量高達2.88 mmol/g。同時在陽光照射下，在4 min內(nèi)迅速釋放這些被吸附的鹽。PSP-MIL-53對海水脫鹽效果良好。含鹽量為2 233 mg/kg的合成苦咸水的淡水產(chǎn)水量為139.51 kg/d，能耗為0.11 W·h/L。重要的是，這種吸附劑具有出色的穩(wěn)定性和循環(huán)性能。該研究工作為設(shè)計直接利用可再生太陽能來減少能源需求和提高海水淡化的可持續(xù)性功能材料提供了一條新途徑。

韓國浦項科技大學(xué)機械工程學(xué)系研究人員[2]，制造了摻入金屬有機框架(MOFs)的銅基藻酸鹽珠(Cu-MOFs-Alg珠)，以有效去除海水中的水溶性鹽離子。制備的Cu-MOFs-Alg珠在沉淀的MOFs顆粒提取中表現(xiàn)出優(yōu)異的鹽離子吸附能力。珠子可以在寬范圍的目標溶液中使用，并在重復(fù)使用三次后仍保持其離子吸附能力。珠表現(xiàn)出快速的吸附動力學(xué)，并且通過多級吸附過程其鹽離子去除率約為94.3%。經(jīng)過MOFs處理的海水產(chǎn)水含鹽量低于1 000 mg/kg，然后經(jīng)紅樹林激發(fā)的膜過濾，過離子去除率可達98.1%。與其他基于吸附原理的脫鹽技術(shù)相比其材料成本低，且無需外部能源供應(yīng)，提議的這種混合脫鹽系統(tǒng)可以以極低的成本生產(chǎn)純凈水。該脫鹽技術(shù)可以經(jīng)濟且生態(tài)友好地以實用的方式用于實際的海水脫鹽。

2.2 制作選擇透過膜、實現(xiàn)海水淡化

傳統(tǒng)上使用的反滲透膜的水傳輸速率緩慢，研究人員嘗試使用二維(2D)納米材料(如石墨烯或二硫化鉬)來制造新穎的脫鹽膜。另一組材料是金屬有機骨架(MOFs)，其固有孔隙率尺寸達到埃米級。迄今為止，研究人員已經(jīng)制造和表征了大量的MOFs(超過2萬個)，當前面臨的挑戰(zhàn)是尋找合適的MOFs制造高效RO膜。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機械工程和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系研究人員Farimani及其課題組[3]，提出在水脫鹽中使用二維MOFs的可能性，以及材料固有的孔隙度對水脫鹽的重要性。使用分子動力學(xué)模擬，研究了納米多孔MOFs的滲透系數(shù)和離子排斥率與外部靜水壓力，橫向和正交水擴散，孔中水的密度和速度，MOFs金屬元素的影響以及MOFs層，觀察到，與其他2D材料相比，MOFs有更高的水通量，同時可以脫除100%的有害離子。在進一步研究了MOFs周圍的水密度和軌跡后，研究人員發(fā)現(xiàn)MOFs兩側(cè)的勢阱可能弱于其他材料的勢阱，這使水分子以較少的能量通過MOFs孔。Farimani指出，二維MOFs可以作為水脫鹽的絕佳材料，這種特殊的MOFs反滲透膜可大大降低能耗，盡管MOFs是用于海水淡化的極具吸引力的材料，但制造大尺寸層數(shù)少的MOFs仍然是批量生產(chǎn)這種膜的主要挑戰(zhàn)。

3 應(yīng)用前景和存在問題分析

作為一種新材料，MOFs用于海水淡化的前景看好。但是不管是直接作為吸附劑進行海水淡化，還是用于特種MOFs RO膜進行海水淡化，目前的研究尚處于實驗室研究階段，從實驗室到中試再到大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用，尚存在很大的距離，還有許多研究工作有待科研人員去探索和實踐。