发完Nature再发Nat. Sustain., 天大&南开团队COFs助力海水淡化

主要内容

研究表明，全球饮用水资源短缺，数十亿人无法获得干净的饮用水，这是一个必须解决的全球可持续发展挑战。其中，使用膜技术进行海水淡化提供了一个很有前景的解决方案，而主要的海水淡化膜通常表现出低渗透通量和抗污染能力不足的缺点。

在此，天津大学姜忠义教授和潘福生副研究员，联合南开大学张振杰特聘研究员等人利用共价有机框架（COFs）膜实现了超快脱盐，其中TaPa-SO3H纳米片与TpTTPA纳米带通过静电与π-π相互作用连接，形成有序且坚固的结构。

其中，TpPa-SO3H纳米片作为膜的主体，呈现长程有序通道和高亲水性，而TpTTPA 纳米带被设计为“胶带”，有效地消除膜缺陷并在膜内形成互锁的坚固结构。同时，通过调整TpPa-SO3H纳米片与TpTTPA纳米带的比例，最佳的COFs膜对3.5 wt% NaCl水溶液表现出 99.91%的优异截留率。

值得注意的是，在50°C下具有267 kg m-2 h-1的高渗透通量，超过了最先进的膜，比广泛使用的网络聚合物膜高4-10倍。此外，本文的COF膜的多功能性通过处理从0.1 wt% NaCl到7.5 wt% NaCl的不同盐水溶液得到证实，进一步证明了它们的高盐度耐受性。更加重要的是，所提供的抗污性实现了108小时的使用稳定性和7.5 wt%高盐度耐受性，在实际应用中提供了巨大的潜力。相关论文以“Ultrafast seawater desalination with covalent organic framework membranes”为题发表在Nature Sustainability。

背景介绍

众所周知，淡水对我们现代社会的可持续发展具有重要意义，但日益短缺一直是可持续发展的挑战。由于海水占全球水资源的96% ，因此海水淡化为可持续供应淡水提供了一种有前景的方法。迄今为止，已开发出两大类海水淡化技术：

以多效应蒸馏和多级蒸发为代表的热基技术，以及以反渗透为代表的膜技术。基于热的技术，使用相变进行分离，具有出色的脱盐率和低盐度敏感性，但需要大量能源消耗。相比之下，膜技术由于其在温和条件下的明确筛分能力而实现了低能耗。

最近，以膜蒸馏和渗透蒸发为代表的新兴热-膜耦合脱盐技术引起了越来越多的关注。在膜蒸馏中，膜具有0.1-1.0 μm的疏水通道，仅允许气相通过通道传输，从而确保高截留率。然而，长时间运行下的通道润湿对其广泛使用设置了严重障碍。全蒸发是一种真空驱动的膜技术，其特点是膜内的液-气相变，集成了出色的截留率（>99.5%）和低能耗（~2 kWh m-3），因此提供了一种具有竞争力的替代方案。

目前，大多数用于全蒸发的膜材料是亲水性聚合物，可以避免不希望的通道润湿。然而，由于孔隙/通道弯曲，低孔隙率和不可控的通道尺寸，现有的渗透蒸发膜往往表现出低渗透通量，一般的筛分能力和不足的抗污染能力。

鉴于具有特定官能团的长程有序通道有助于高渗透通量和排斥反应，有机分子筛膜材料将为渗透蒸发淡化建立一个强大的平台。共价有机框架（COFs）是一类结晶多孔有机材料，它集成了有序通道、可调孔径和定制功能，具有推动膜通量和选择性上限的巨大潜力。

此外，通过预先设计COF框架上的官能团，可以方便地实现高亲水性膜表面，这有助于优异的抗污染性。迄今为止，COFs膜已被探索用于通过纳滤处理微咸水（NaCl <1500 ppm ）。然而，尚未报道将COFs 膜用于更具挑战性的海水淡化（NaCl=30000~40000 ppm）或高盐水。

图文详情

图1. COF膜的形貌

图2. COF膜的制备

图3. COF膜的结构

图4. COF膜的脱盐性能

图5. COF膜的超快脱盐机制

Wang, M., Zhang, P., Liang, X. et al. Ultrafast seawater desalination with covalent organic framework membranes. Nat Sustain (2022). https://doi.org/10.1038/s41893-022-00870-3