MOF基纳米纤维膜用于含油废水处理：制备、机理、应用和前景
MOF基纳米纤维膜用于含油废水处理：制备、机理、应用和前景
金属有机骨架（MOF）作为一类具有微纳尺寸、孔径可控、特殊润湿性可设计的多孔材料，在含油废水处理中显示出巨大的潜力。然而，水稳定性差、结构脆弱、回收难等问题极大地限制了MOF粉体的进一步发展和应用。近年来，将MOF与静电纺丝相结合的MOF基纳米纤维膜因其优异的分离效率、高渗透通量和良好的可重复使用性而在油水分离领域受到特别关注。
基于此，青岛大学许长海教授发表综述，简要介绍了MOF的结构和表面润湿性，并系统总结了基于MOF的纳米纤维膜的合成策略，特别是原位生长方法。相关研究成果以“MOF-based nanofibrous membranes for oily wastewater treatment: Preparation, mechanism, applications, and prospects”为题目，发表在期刊《Journal of Water Process Engineering》上。
图1 Web of Science上以(a)“electrospinning or electrospun”和(b)基于油水分离的“Metal-organic frameworks or mof”为关键词的出版物数量。
MOF基纳米纤维膜的优点
高分离效率：MOF基膜在油/水混合物的分离效率方面表现出色。例如，一些研究报告的分离效率高达98.7%及以上，经过多次回收循环后仍保持在99.2%以上，证明了其在去除废水中油分方面的有效性。
增强的透过流量：这些膜通常保持较高的透过流量，尽管一些研究指出由于污堵透过流量逐渐下降，但与传统方法相比，初始性能仍显著较高。
抗污堵性能：通过将亲水性MOF纳米颗粒装饰到聚合物纳米纤维上，可以在膜表面形成稳定的水合层，减少与油滴的接触面积，从而增强抗污堵性能。这一特性有助于维持膜的长期效率。
可重复使用性和稳定性：MOF基纳米纤维膜表现出良好的稳定性和可重复使用性，即使经过多次使用后，分离效率也仅有微小损失。
可设计的润湿性：MOF可以被设计成具有特定的润湿性特征，如超亲水性或超疏油性，这有助于高效分离油性废水。这种可调性允许根据待处理废水的具体特性优化膜的性能。
协同效应：膜的微/纳米粗糙度提供的孔径筛分和乳液破裂效应的结合增强了其整体分离能力，使其比传统分离方法更有效。
图2 (a) ZIF-8的晶体模型、三维几何模型和SEM图像。(b) ZIF-67。(c) ZIF-L。(d) UiO-66。(e) MIL-88 A。(f)MIL-53。
MOF基纳米纤维膜的制备策略
图3 基于静电纺丝的MOF基纳米纤维膜制备策略。
MOF基纳米纤维膜在废水处理中的挑战
水稳定性：许多MOFs在水中表现出较差的稳定性，暴露于水环境中时可能导致结构降解。这种不稳定性可能导致重金属离子和水溶性有机配体的释放，给环境和健康带来风险。
回收困难：MOFs的回收可能面临挑战，主要是由于其复杂的合成过程以及在回收过程中可能导致材料损失。
抗污堵限制：尽管基于MOF的膜可以表现出抗污堵特性，但油污和其他污染物的沉积仍可能导致随时间推移的污堵。这种污堵可能显著降低分离效率和膜的使用寿命，因此需要开发更有效的抗污堵策略。
化学稳定性：MOFs可能无法承受极端的化学环境，如酸性或碱性条件，这可能导致降解和功能丧失。
图4 (a) ZIF-67/PAN纳米纤维膜制备示意图，（b、c） ZIF-67/PAN纳米纤维的SEM图像和（d、e） TEM图像。
图5 NM88B@HPAN纳米纤维膜的制备工艺。
图6 (a) ZIF-L(Co)-PMIA纳米纤维膜合成进展示意图。(b) PMIA纳米纤维和（c, d） ZIF-L(Co)-PMIA纳米纤维的SEM图像。
图7 (a) MIL-88 A@PVA-SA纳米纤维膜的制备过程，以及(b) PVA/SA、(c)交联PVA/SA和(d) MIL-88 A@PVA-SA纳米纤维的SEM图像。
图8 (a)表面润湿性(b)材料表面能。
图9 (a) ZIF-71/PVDF-HFP膜的制备工艺，(b)其对油和水的润湿性，以及(c)油水混合物和(d)油包水乳剂的分离工艺。
图10 (a) Janus纳米纤维膜的制备及油包水、油包水乳剂的选择性分离及其两侧的润湿性(b) ZIF-8 / PAN纳米纤维;(c) CS/PAN纳米纤维。(d) PAN@ZIF-8纳米纤维膜的制备和各种含油废水的分离，(e)润湿性和(f)选择性分离水中甲苯和水中甲苯乳剂。