北京理工大学《自然·通讯》：新型ZIF-8复合膜突破膜蒸馏技术瓶颈，实现高效脱盐与VOC捕获

随着全球水资源短缺问题日益严峻，海水淡化和高盐废水处理成为关键课题。膜蒸馏（MD）技术因其可利用低品位热源且能处理高盐度水而备受关注，然而该技术长期面临水通量低、膜污染严重以及挥发性有机化合物（VOC）随水蒸气渗透等挑战。传统方法如高级氧化、电化学处理等虽能部分解决VOC问题，但成本高、操作复杂，且难以在膜内实现VOC的有效截留。

近日，北京理工大学王博、赵爽、冯霄合作团队提出了一种基于ZIF-8金属有机框架材料的高性能复合膜，成功实现了高通量、抗污染与VOC捕获的协同提升。该膜通过ZIF-8的晶体相变机制捕获VOC，并利用其疏水微孔中配体摆动效应促进水分子蒸发，显著提高了膜蒸馏效率。在92%的ZIF-8负载量下，该膜在处理10.5 wt%盐水时通量达到71.8 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，优于传统膜5倍以上，且能在900小时内保持稳定运行，无需频繁再生。相关论文以“High-flux and anti-fouling membrane distillation membrane with VOC capture ability enabled by ZIF-8”为题，发表在

Nature Communications

研究人员通过调控ZIF-8的合成条件，制备了三种不同晶相组成的ZIF-8变体（ZIF-8-1、ZIF-8-2和ZIF-8-3）。其中，ZIF-8-2在甲苯吸附实验中表现出独特的阶梯式吸附行为，且在60°C下吸附的甲苯难以脱附，这一现象源于甲分子诱导的晶相转变——由I-43m相向更稳定的Cm相转变。DFT计算进一步揭示，Cm相中甲苯与框架之间的结合能更高（66.73 kJ mol⁻¹），从而实现了VOC的高效捕获。

图1 | 不同ZIF-8变体中甲苯诱导的晶体相变 a) ZIF-8-2的PXRD Rietveld精修结果，插图为三种晶相的相对组成比例； b) 25°C下ZIF-8-1、ZIF-8-2和ZIF-8-3的甲苯吸附曲线； c) 60°C下三种ZIF-8的甲苯吸附行为； d) 通过PXRD精修确定的原始、甲苯饱和和再生状态下三种ZIF-8的晶相组成比例； e) 通过周期性DFT计算得到的甲苯在三种ZIF-8晶相中的结合能； f) 甲苯诱导ZIF-8从I-43m相转变为Cm相的示意图，Cm相具有更高的刚性。

为了将ZIF-8应用于膜材料，团队开发了TIPS-HoP（热诱导相分离-热压）技术，制备出ZIF-8负载量高达92%的混合基质膜（MMM）。该膜具有1670 m² g⁻¹的高比表面积和149°的水接触角，表现出优异的疏水性和抗润湿能力。通过表面涂覆低表面能物质FDTS，进一步提升了其抗油污染能力，乙醇和矿物油接触角分别提升至101°和103°。

图2 | ZIF-8 PE MMM-92%-FDTS的制备流程与结构表征 a) 制备过程示意图； b) 不同ZIF-8负载量膜的PXRD图谱； c) N₂吸附曲线； d) 水接触角变化； e) ZIF-8 PE MMM-92%的SEM图像； f) 高分辨率C1s XPS谱； g) 氟化前后N₂吸附曲线对比； h) 膜截面SEM及Zn、F元素分布图； i) 氟化前后不同液体接触角变化。

在真空膜蒸馏（VMD）测试中，该膜在10.5 wt%盐水中实现了68 L m⁻² h⁻¹的高通量，并保持产水电导率在8–10 μS cm⁻¹。即便在31.5 wt%的高盐条件下，通量仍达50 L m⁻² h⁻¹，远优于商用PVDF膜。更令人印象深刻的是，该膜对甲苯等VOC具有出色截留能力，在200 ppm甲苯中，渗透侧甲苯浓度低于检测限（2 ppb），且可通过低温水蒸气再生重复使用。

在抗污染测试中，即使在高浓度SDS或矿物油存在下，该膜仍保持稳定的脱盐性能，而对比膜则出现明显润湿和通量下降。实际电厂页岩气废水处理实验进一步验证了其在实际水体中的适用性和稳定性。

图3 | 脱盐性能评价 a) ZIF-8 PE MMM-92%-FDTS在70°C下900小时性能测试； b) 平行堆叠膜组件产水性能对比； c) 盐浓度对脱盐性能的影响； d) 与文献报道的VMD膜性能对比； e) 甲苯在渗透侧浓度随时间变化； f) 五次循环中甲苯吸附性能； g) 含SDS盐水中的通量与脱盐率； h) 含矿物油盐水中的性能； i) 实际电厂与页岩气废水处理效果。

分子动力学模拟表明，ZIF-8中咪唑配体的自由旋转破坏了水分子间的氢键网络，从而显著提升了水分子蒸发速率。能垒分析显示，ZIF-8 PE MMM将蒸发分离能降至1955 J g⁻¹，低于SiO₂对照膜的2316 J g⁻¹，从能量角度证实了其高效蒸发的机理。

图4 | 蒸发增强机制 a) 固定与自由旋转咪唑配体的ZIF-8表面水分子逃逸数量对比； b) 氢键数量比例随时间变化； c) 0、200、500 ps时水分子在两种ZIF-8表面的蒸发快照。

该研究不仅揭示了ZIF-8在VOC捕获与水蒸发增强中的双重机制，更为设计下一代高性能膜蒸馏材料提供了重要思路。未来将进一步探索多种MOF结构以优化VOC吸附性能，并开发可规模化制备工艺，推动该技术在实际水处理中的应用。

来源：高分子科学前沿

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