亚纳米孔共价有机框架膜高效脱盐

天津大学姜忠义教授团队近期于Journal of Membrane Science期刊（2023, 675, 121551）发表题目为Covalent organic framework membrane with sub-nano pores for efficient desalination的文章。该文章第一作者为硕士研究生李智超，共同第一作者为博士研究生郑瑜，通讯作者为张润楠副教授与姜忠义教授。

【研究亮点】

•     制备了具有亚纳米孔道的共价有机框架膜（TbTG COFMs）

•          TbTG COFMs的截留分子量是目前已报道共价有机框架膜中的最低值

•          TbTG COFMs在10000 ppm盐浓度和pH9.4条件下仍表现出稳定的盐截留率

【文章简介】

膜技术是一种高效的海水淡化技术。共价有机框架（COF）材料被认为是一种颠覆性的分子分离膜材料，但在海水淡化等脱盐方面的应用仍然受限。其中一个主要原因是，大多数水合离子的直径都在亚纳米级，而已报道的COF膜的孔径通常大于1 nm，很难通过尺寸筛分作用对水合离子进行高效分离。此外，海水通常具有较高的盐度（>10000 ppm）和碱性（pH通常为8.0-8.5），这可能会降低膜的荷电性，从而弱化Donnan效应。因此，开发用于海水淡化的COF膜仍是一个巨大挑战。

在本研究中，通过相转移聚合的方法设计合成了具有亚纳米孔结构的TbTG共价有机框架纳米片，并利用真空辅助自组装的方法组装成TbTG 共价有机框架膜（COFM）。TbTG COFMs的截留分子量为180 Da，是迄今为止报道的最小截留分子量的COFM。TbTG COFMs对Na₂SO₄的截留率高达98.7%，对MgSO₄的截留率高达99.1%，对MgCl₂的截留率高达99.5%，对NaCl的截留率高达93.3%，超过了迄今报道的所有COF脱盐膜。在10000 ppm的高盐浓度和9.4的高pH值下，TbTG COFMs也保持了很高的盐截留率，在海水淡化应用中显示出巨大的潜力。

如图1，TbTG COFMs是由相转移聚合法合成的TbTG纳米片通过真空自组装制备而成。SEM与AFM表征证明制备的TbTG纳米片有数十微米的横向尺寸与约1.5 nm的厚度，FTIR谱图证明亚胺键的成功构建，TEM与XRD表征证明制备的COF有良好的结晶性。

图1. （a）膜制备过程示意图；（b）TbTG纳米片的SEM图；（c）TbTG纳米片分散液；（d）TbTG纳米片的HRTEM图；（e）TbTG纳米片的AFM；（f）TbTG纳米片的FTIR谱图；（g）TbTG纳米片的XRD。

如图2，TbTG COFM对Na₂SO₄、MgSO₄、MgCl₂和NaCl四种盐都有很高的截留性能，并且在10000 ppm的盐浓度下Na₂SO₄、MgSO₄仍有99%以上的截留率，MgCl₂的截留也保持在93%以上。在4.4−9.4的pH范围与长周期测试中，盐截留率基本保持稳定。

图2. （a）TbTG COFM的盐截留性能；（b）本研究制备的TbTG COFM与文献报道的先进脱盐膜的性能对比；TbTG COFM在（c）不同盐浓度下和（d）不同pH下的盐截留率；（e）TbTG COFM的长周期测试。

原文信息：

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0376738823002077?via%3Dihub

第一作者：

李智超 硕士研究生

郑瑜 博士研究生

通讯作者：

张润楠 副教授

工作单位：天津大学化工学院

通讯邮件：runnan.zhang@tju.edu.cn

网址：http://jiang-lab.com/

姜忠义 教授

工作单位：天津大学化工学院

通讯邮件：zhyjiang@tju.edu.cn

网址：http://jiang-lab.com/