一种用于分离染料和盐的离子型共价有机骨架复合膜的制备

张明 2023-12-20

近日，东北林业大学化学化工与资源利用学院曹宁团队在环境科学与生态学领域学术期刊Journal Of Hazardous Materials上发表了题为“Development of novel ionic covalent organic frameworks composite nanofiltration membranes for dye/salt separation”的论文。

文中采用改良浇铸-沉淀-蒸发法制备了高性能COF复合膜。所设计的复合膜由离子COF（iCOF）选择层和支撑层组成，用于染料/盐分离。iCOF复合膜实现了高渗透性（~ 68 L h^-1 m^-2 bar^-1）、高染料截留率（虎红为97%）和低盐截留率（NaCl ~2.86%）。所制备的复合膜具有亲水性和高度光滑的表面，使其具有良好的防污性能。此外，iCOF选择层的刚性孔结构赋予了复合膜优异的稳定性，复合膜在高压（6 bar）和超声处理（16 kHz，60 min）下仍能保持原有结构。本工作为制备iCOF复合膜开辟了一条新途径，在染料/盐分离方面具有巨大潜力。

染料的主要应用领域是各种纺织纤维的着色，也广泛应用于食品、造纸等行业。传统的染料生产工艺是用盐析法使染料沉淀，得到高浓度的染料。此外，在染色过程中会添加大量的无机盐（主要是NaCl和Na₂SO₄）。然而，含有有毒有机染料和无机盐的废水不仅直接危害人体健康，而且严重破坏水、土壤和生态环境，造成难以想象的后果。许多有机染料在自然界中是不可生物降解的，也是有毒的。分离染料和含盐纺织废水不仅有利于减少对环境和人类健康的负面影响，而且有利于实现化工行业内部资源的循环利用。因此，能够有效分离染料中盐分的技术对于纺织工业的废水处理，以及盐类和高浓度有机染料分子的回收利用都非常重要。

纳滤（NF）膜技术由于其特定的孔径、独特的结构和可调节的表面物理和化学性质，在分离染料和盐类方面发挥着越来越重要的作用。然而，传统的商用纳滤膜具有窄孔结构、正电荷或负电荷，导致有机分子的渗透性低、截留率高。显然，上述性质不利于盐和染料的有效分离。膜的分离性能主要由材料和固有结构决定。因此，开发具有独特结构的新材料来制备高性能分离膜是当前最紧迫的问题之一。通过回收染料中的盐来补充染料废水的处理成本已被证明是可行的。然而，大多数纳滤膜是通过界面聚合制备的，用于盐/染料分离，使用哌嗪和三甲酰氯作为活性层。所制备的膜可以很容易地拦截染料分子，但盐离子可以穿过膜实现盐/染料分离。但由于酰氯活性较高，制备的活性层比较致密，对二价盐离子的透过率不高，导致分离系数较低。

COF具有理想的特性，这使其成为膜分离的良好候选者。同时，COF及其衍生物的出现为组装膜提供了关键，可以缓解膜制造中渗透性和选择性的限制。迄今为止，研究人员已尝试通过溶剂热合成、界面辅助合成、固体模板和种子生长等多种方法制备功能性COF复合膜。由于其可调的孔隙率、可修改的骨架和精确的原子结构，它们引起了极大的兴趣。然而，在多孔基底上制备完整的COF选择层并不简单。此外，对于实际工业来说，COF层在分离过程中的稳定性需要进一步提高。

本文采用改良浇铸-沉淀-蒸发法制备了高性能iCOF NF膜。表面的物理和化学性质可以通过热处理工艺简单地处理。通过席夫碱反应在HPAN载体膜表面生长了一层iCOF。制备的iCOF复合膜对虎红（RB）染料的截留率高（>97%），盐截留率极低（<5.0%）。带负电荷的iCOF选择性层表面和独特的孔结构导致了高染料/盐分离性能。同时，由于共价键连接形成的周期性网格结构，iCOF复合膜表现出良好的稳定性。此外，在光滑和亲水表面的帮助下，膜表现出优异的抗污染性能。这些结果表明，新型iCOF复合膜在处理高盐度印染废水方面具有巨大的价值潜力。

综上所述，采用简单的浇铸-沉淀-蒸发法在HPAN衬底上合成iCOF复合膜，用于染料和盐类废水的分离。iCOF复合膜的纳米脊结构可以提供独特的流道。复合膜能够实现盐和染料混合物的分离，表现出高染料截留率（~97%）和低盐保留率（<5%）。此外，由于iCOF的内部孔隙结构，膜的透水率可以达到68 L m-2 h-1 bar-1。所得膜也具有良好的稳定性。此外，还研究了不同类型污垢（包括BSA和RB染料分子）对负iCOF膜的防污行为。iCOF膜表现出良好的防污性能。这些结果表明了一种简单可行的制备iCOF复合膜的方法。

内容来源：网络

责任编辑：展源

审　　核：何发

一种用于分离染料和盐的离子型共价有机骨架复合膜的制备

评论

热点文章