一张膜，登上Science!

vivi

2021-04-28

农业、能源、工业和市政部门对水的需求不断增加，加上有限的天然淡水，必须迅速发展技术，使人们能够大量获得清洁的水。目前，水处理厂通常需要一系列昂贵的分离装置，以实现脱盐和去除有毒的微量污染物，如重金属和硼等。

饮用水的净化可能需要多个过滤步骤，其中包括高效去除盐和重金属等污染物的技术。理论上，水净化过程中产生的有些污染物如果被回收，可能会产生额外的价值。但是事实却是，这些污染物通常会被排放到废物流中。如何开发优质技术，简便廉价的进行水净化过程，达到一步脱盐除污是整个领域的研究热点。其中，发展膜技术用以大幅度提高水淡化或回收单个离子的选择性，被认为是分离工业的最重要的目标之一。

多孔芳香框架+离子交换膜

有鉴于此，加州大学伯克利分校的Jeffrey R. Long教授等人开发了一种通过将多孔芳香框架(PAF)纳米颗粒纳入离子交换膜(如磺化聚合物制成的离子交换膜)来制造高效水净化膜的通用策略。使用一系列的阳离子和阴离子交换膜来去除盐，PAF颗粒可以被用来捕获特定的目标离子（如铜、汞或铁的离子）。该薄膜可以同时达到脱盐和去污染的能力，大大简化整个经过流程，提高饮用水的质量。我们的方法适用于开发高效和选择性的多功能分离使用吸附膜。

第一作者：Adam A. Uliana

通讯作者：Jeffrey R. Long

通讯单位：加州大学伯克利分校

研究亮点：

1、发展了一种PAF纳米颗粒复合高性能饮用水净化膜材料。

这些膜由离子交换聚合物及多孔芳香框架纳米颗粒组成，具有坚固、高选择性和可调节的特性。PAF由有机节点和芳香连接剂组成，具有高孔隙率的金刚烷类结构，同时具有孔形态和化学亲和性，更为重要的是可以通过选择节点和连接剂进行调节。

所得薄膜在离子捕获电渗析中发挥出优异效果，可以同时达到脱盐和去污染的能力。使用带有该吸附膜的电渗析装置，可以同时淡化复杂的水源和捕获不同的目标溶质，高选择性吸附目标离子(Hg²⁺、Cu²⁺和Fe³⁺)，同时可以保证竞争离子(如Na⁺和Cl⁻)自由渗透。

2、具有广泛的普适性实用价值。

研究表明，这个材料可以用于海水淡化和解毒，回收有毒或高价值的目标离子，并在一个有效的一步过程中产生无毒的卤水。除了对各种阳离子和中性物种的高选择性捕获，还可以扩展到构建更复杂的分离方案，用于同时捕获目标阳离子和阴离子。

膜的制备和表征

将能够高选择性吸附Hg²⁺的PAF-1-SH嵌在磺化聚砜(sPSF)阳离子交换基质(60%磺化)中，成功制备出复合吸附膜。一系列表征结果证实了所有薄膜都具有明显的光学透明度，这表明PAF具有较高的分散性。同时，薄膜还具有高度的柔韧性，可以扭曲而不损坏。动态光散射和扫描电子显微镜对掺入膜前的PAF样品进行了表征，发现其形貌为直径200 nm左右的球形颗粒。膜的横截面SEM图像显示，这些颗粒均匀分散、没有团聚和缺陷，也没有笼筛形态。复合膜的均匀性和坚固性可以归因于框架与聚合物之间良好的范德华作用、π-π堆积以及聚合物填充了PAF介孔。

图1. 复合膜的设计及其在离子捕获电渗析(IC-ED)中的应用。

膜的性能——高选择性+高稳定性

吸附实验表明，当将20 wt %的PAF-1-SH加入sPSF膜中时，多孔芳香框架中多达93%的Hg²⁺吸附位点仍可有效工作。当暴露在环境水样中时，PAF-1-SH对大量竞争离子表现出Hg²⁺高亲和力，并具有出色的Hg²⁺选择性。这种高选择性来自于PAF-1-SH中Hg²⁺与硫醇基团之间最佳的软酸-软碱相互作用。除此之外，该膜对吸附-解吸循环表现出良好的稳定性，10次循环Hg²⁺容量损失仅为8%，3次循环后Hg²⁺容量基本保持不变。

图2. 多孔芳香框架离子交换膜的性质。

实际应用

使用含有20% wt % PAF-1-SH的复合膜对合成地下水、微咸水和工业废水样品进行Hg²⁺捕获电渗析的性能能评估。选择这些复杂的给水来源是因为它们的盐度水平、溶解的离子、pH值更符合实际应用的条件。进料液中的Hg²⁺浓度被选择性地降低到电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)可检测到的水平以下，而接收液中未检测到Hg²⁺则表明在处理每个水样过程中Hg²⁺被完全捕获。同时，所有的竞争阳离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺和Pb²⁺)都被成功地输送到接收溶液中，得到了97 —99%的脱盐率。

图3. 不同水源的离子捕获电渗析实验。

除此之外，将PAF-1-SH膜集成到一个实用的堆栈电渗析装置后，膜的高选择性、多功能性也得到了保持。相比之下，当使用未掺杂的sPSF膜时，没有捕获到明显的Hg²⁺。这些研究结果表明，PAF-1-SH在高选择性捕获水样中的Hg²⁺具有不可替代的作用。

图4. 高选择性地回收各种目标溶质

小结

总的来说，研究人员研发了一类将PAF纳米颗粒混合到离子交换膜的吸附膜。在不同水样中，可以高选择性吸附目标离子(Hg²⁺、Cu²⁺和Fe³⁺)，而保证竞争离子(如Na⁺和Cl⁻)自由渗透。这个过程可以用于海水淡化和解毒，回收有毒或高价值的目标离子，并在一个有效的一步过程中产生无毒的卤水。该策略具有广泛的实用价值，除了对各种阳离子和中性物种的高选择性捕获，还可以扩展到构建更复杂的分离方案，用于同时捕获目标阳离子和阴离子。

参考文献

Adam A. Uliana, et al. Ion-capture electrodialysis using multifunctional adsorptive membranes. Science (2021).

DOI: 10.1126/science.abf5991

https://science.sciencemag.org/content/372/6539/296