一、课题背景
随着现代工业的飞速发展，人们对于膜材料性能的需求也不断发展。高分子材料是最早被开发应用的膜材料，具有易加工、柔韧性好、兼容性高、来源广泛等优点，但稳定性差。无机膜热稳定性好，耐有机溶剂，但分离系数和渗透通量不高。有机-无机杂化膜综合了有机高分子材料和无机材料的优点。近年来,纳米材料的快速发展对传统高分子膜材料具有重要的推动作用,是基于纳米材料开发的新型复合分离膜成为备受关注的研究热点[1]。
金属有机框架(metal-organic frameworks,MOFs)又称多孔配位聚合物，是一类由无机金属离子和有机配体通过自组装过程形成的具有周期性网络拓扑结构的多孔晶体。有机配体种类和金属原子的不同，以及配位方式的不同，导致了MOFs的物理化学性质如尺寸、形貌、结构等度方面的不同，进而形成了十分庞大的种类和多样化的功能，并被广泛应用于催化、吸附、分离等多方面。然而，迄今为止大多数报道的MOFs是分散微晶粉末，由于其粉尘性、包装过程中的磨损、堵塞问题以及传质限制和机械性能不稳定，在工业应用中受到很大限制。
- 要解决的问题
为了解决膜分离技术中渗透性与选择性间相互博弈的trade-off效应，研究人员通过向聚合物膜中引入无机纳米多孔填料来制备混合基质膜，然而由于两相之间存在排斥作用，产生为非选择性渗透路径的界面缺陷孔隙，即膜选择渗透性难以同步提高；同时，由于填料的流失和聚合物堵塞孔隙，造成复合膜分离性能的损坏，无法实现工业化应用。因此，新型填料的开发对于大规模生产高性能分离膜具有重要意义。
- 可行性分析
MOFs材料是一种具有三维孔道结构的无机-有机配位晶体化合物，一般金属离子或离子簇为MOFs的连接点，通过有机配体以规则的集合性状连接起来。不同的金属连接点和有机配体形成的MOFs结构呈现出高度多样性。MOFs混合基质分离膜的性能很大程度上取决于MOFs颗粒的结构和性质。通过合理选择金属连接点和有机配体可以生成相对简单的MOFs结构或具有多样孔径和形状的复杂结构。此外，采用化学方法对金属连接点和桥接有机配体进行功能化处理可谓特定的应用环境定制MOFs孔结构。还可以通过热诱导或夹杂吸附外来物质等方式调控MOFs颗粒的窗口结构。
在改善混合基质膜的渗透性方面，亲水MOFs的引入可改善膜的亲水性，从而促进水分子在膜表面附着并透过膜；MOFs的引入可以提高膜的孔隙率，降低聚合物膜的交联度，MOFs的亚纳米孔隙及其与聚合物之间的间隙充当水分子的快速传输通道，降低水的传质阻力；部分MOFs的引入可使膜表面诱导产生粗糙的褶皱形貌，从而增大膜的有效过滤面积。对于正渗透膜，MOFs的小孔径限制高浓度汲取液的反向通量，从而环节内部浓差极化，提高净渗透驱动力。以上均可达到提高膜通量的目的。
在改善混合基质膜的分离性能方面，对溶质分子的截留主要依赖于 MOFs 的尺寸筛分作用，当溶质分子尺寸大于MOFs窗口尺寸时，可达到高的截留率；亲水MOFs 对膜表面亲水性的改善，可以抑制膜表面与疏水性物质的相互作用，从而改善分离性能；含羧基MOFs的引入，可增加膜表面羧基官能团的含量，增强对荷负电溶质的静电排斥作用；部分MOFs表面的基团可与待分离溶质产生特异性相互作用或吸附作用，从而强化分离效果。此外，还可以利用MOFs官能团与待分离溶质亲和性的差异，达到高效选择性分离。
- 研究方法和内容
共混法制备MOFs混合基质膜。考虑不同材料共混时相互的溶解度和溶解形态等，不同材料间的相互作用力在成膜过程中会影响膜内部网络型孔隙以及胶束聚集孔孔穴的大小和分布情况。为保证MOFs混合基质水处理分离膜具有足够的机械强度，一般采用多孔基底来制成混合基质膜。包括三个基本步骤：将MOFs和聚合物在溶剂中充分混合；采用旋转涂覆/浸涂/平板铸膜工艺将混合液涂覆在多孔基底上；通过固化或干燥去除溶剂[2]。通过调节凝胶过程的溶剂种类、基质浓度、成膜温度、湿度等因素调节复合膜性能，寻找适合的复合膜制备条件，达到优良的应用效果，如低成本、高孔隙率、高负载和足够的机械强度等[3]。
微流法制备MOFs混合基质膜微囊。
扫描电子显微镜判断MOFs在基质中的分散情况和形貌。将膜的断面和表面固定在样品台上，用高分辨扫描电镜对其表面和断面进行表征。通过SEM表征复合膜的表面和断面结构，得到的扫描图像可以反映被测样品的表面和内部结构。
