農業(yè)、能源、工業(yè)和市政部門對水的需求不斷增加，加上有限的天然淡水，必須迅速發(fā)展技術，使人們能夠大量獲得清潔的水。目前，水處理廠通常需要一系列昂貴的分離裝置，以實現脫鹽和去除有毒的微量污染物，如重金屬和硼等。
飲用水的凈化可能需要多個過濾步驟，其中包括高效去除鹽和重金屬等污染物的技術。理論上，水凈化過程中產生的有些污染物如果被回收，可能會產生額外的價值。但是事實卻是，這些污染物通常會被排放到廢物流中。如何開發(fā)優(yōu)質技術，簡便廉價的進行水凈化過程，達到一步脫鹽除污是整個領域的研究熱點。其中，發(fā)展膜技術用以大幅度提高水淡化或回收單個離子的選擇性，被認為是分離工業(yè)的最重要的目標之一。
多孔芳香框架+離子交換膜
有鑒于此，加州大學伯克利分校的Jeffrey R. Long教授等人開發(fā)了一種通過將多孔芳香框架(PAF)納米顆粒納入離子交換膜(如磺化聚合物制成的離子交換膜)來制造高效水凈化膜的通用策略。使用一系列的陽離子和陰離子交換膜來去除鹽，PAF顆粒可以被用來捕獲特定的目標離子（如銅、汞或鐵的離子）。該薄膜可以同時達到脫鹽和去污染的能力，大大簡化整個經過流程，提高飲用水的質量。我們的方法適用于開發(fā)高效和選擇性的多功能分離使用吸附膜。
第一作者：Adam A. Uliana
通訊作者：Jeffrey R. Long
通訊單位：加州大學伯克利分校
研究亮點：
1、發(fā)展了一種PAF納米顆粒復合高性能飲用水凈化膜材料。
這些膜由離子交換聚合物及多孔芳香框架納米顆粒組成，具有堅固、高選擇性和可調節(jié)的特性。PAF由有機節(jié)點和芳香連接劑組成，具有高孔隙率的金剛烷類結構，同時具有孔形態(tài)和化學親和性，更為重要的是可以通過選擇節(jié)點和連接劑進行調節(jié)。
所得薄膜在離子捕獲電滲析中發(fā)揮出優(yōu)異效果，可以同時達到脫鹽和去污染的能力。使用帶有該吸附膜的電滲析裝置，可以同時淡化復雜的水源和捕獲不同的目標溶質，高選擇性吸附目標離子(Hg2+、Cu2+和Fe3+)，同時可以保證競爭離子(如Na+和Cl?)自由滲透。
2、具有廣泛的普適性實用價值。
研究表明，這個材料可以用于海水淡化和解毒，回收有毒或高價值的目標離子，并在一個有效的一步過程中產生無毒的鹵水。除了對各種陽離子和中性物種的高選擇性捕獲，還可以擴展到構建更復雜的分離方案，用于同時捕獲目標陽離子和陰離子。
膜的制備和表征
將能夠高選擇性吸附Hg2+的PAF-1-SH嵌在磺化聚砜(sPSF)陽離子交換基質(60%磺化)中，成功制備出復合吸附膜。一系列表征結果證實了所有薄膜都具有明顯的光學透明度，這表明PAF具有較高的分散性。同時，薄膜還具有高度的柔韌性，可以扭曲而不損壞。動態(tài)光散射和掃描電子顯微鏡對摻入膜前的PAF樣品進行了表征，發(fā)現其形貌為直徑200 nm左右的球形顆粒。膜的橫截面SEM圖像顯示，這些顆粒均勻分散、沒有團聚和缺陷，也沒有籠篩形態(tài)。復合膜的均勻性和堅固性可以歸因于框架與聚合物之間良好的范德華作用、π-π堆積以及聚合物填充了PAF介孔。
圖1. 復合膜的設計及其在離子捕獲電滲析(IC-ED)中的應用。
膜的性能——高選擇性+高穩(wěn)定性
吸附實驗表明，當將20 wt %的PAF-1-SH加入sPSF膜中時，多孔芳香框架中多達93%的Hg2+吸附位點仍可有效工作。當暴露在環(huán)境水樣中時，PAF-1-SH對大量競爭離子表現出Hg2+高親和力，并具有出色的Hg2+選擇性。這種高選擇性來自于PAF-1-SH中Hg2+與硫醇基團之間最佳的軟酸-軟堿相互作用。除此之外，該膜對吸附-解吸循環(huán)表現出良好的穩(wěn)定性，10次循環(huán)Hg2+容量損失僅為8%，3次循環(huán)后Hg2+容量基本保持不變。
圖2. 多孔芳香框架離子交換膜的性質。
實際應用
使用含有20% wt % PAF-1-SH的復合膜對合成地下水、微咸水和工業(yè)廢水樣品進行Hg2+捕獲電滲析的性能能評估。選擇這些復雜的給水來源是因為它們的鹽度水平、溶解的離子、pH值更符合實際應用的條件。進料液中的Hg2+濃度被選擇性地降低到電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)可檢測到的水平以下，而接收液中未檢測到Hg2+則表明在處理每個水樣過程中Hg2+被完全捕獲。同時，所有的競爭陽離子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Mn2+、Fe3+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+和Pb2+)都被成功地輸送到接收溶液中，得到了97 —99%的脫鹽率。
圖3. 不同水源的離子捕獲電滲析實驗。
除此之外，將PAF-1-SH膜集成到一個實用的堆棧電滲析裝置后，膜的高選擇性、多功能性也得到了保持。相比之下，當使用未摻雜的sPSF膜時，沒有捕獲到明顯的Hg2+。這些研究結果表明，PAF-1-SH在高選擇性捕獲水樣中的Hg2+具有不可替代的作用。
圖4. 高選擇性地回收各種目標溶質
小結
總的來說，研究人員研發(fā)了一類將PAF納米顆粒混合到離子交換膜的吸附膜。在不同水樣中，可以高選擇性吸附目標離子(Hg2+、Cu2+和Fe3+)，而保證競爭離子(如Na+和Cl?)自由滲透。這個過程可以用于海水淡化和解毒，回收有毒或高價值的目標離子，并在一個有效的一步過程中產生無毒的鹵水。該策略具有廣泛的實用價值，除了對各種陽離子和中性物種的高選擇性捕獲，還可以擴展到構建更復雜的分離方案，用于同時捕獲目標陽離子和陰離子。
參考文獻
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
