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基于金属有机骨架(MOFs)及其衍生物的新型吸附材料去除水中全氟化合物

文章出处:人气: 发表时间:2020-12-01 00:00

  全氟和多氟烷基物质(PFAS),如PFOA和PFOS,因其极端的化学稳定性、热稳定性和表面活性,被广泛应用于灭火泡沫、电镀、纺织、半导体等领域。但它们也是目前世界上公认的最持久、最难处理、分布最广的新污染物,被称为“永久化学品”。其极高的C-F键键能,使得所有传统的生化法和高级氧化法都几乎对其无效。目前,最有效的物理去除方法仍是吸附,但传统活性炭对短链PFAS和低浓度下的去除效率不佳。具有可调控孔结构和功能基团的金属有机骨架(MOFs)材料,正被全球科学界视为突破PFAS吸附难题的最大希望。

  MOFs是由金属离子/簇与有机配体通过配位键自组装形成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料。它们拥有比活性炭更高的比表面积(可达3000-7000m²/g)和可精确调节的孔径。针对PFAS的吸附,MOF的优势在于可以进行分子级别的“靶向设计”。例如,通过在配体上接枝氟化烷基链,可以利用“氟-氟”之间的强烈亲和作用,专一性地捕捉水中的痕量PFAS分子。另外,一些具有高密度配位不饱和金属位点的MOFs(如Cr-MIL-101),其金属中心可以作为路易斯酸,与PFAS的磺酸基或羧酸基头部发生极强的静电吸附和配位作用,形成稳定络合物,驱动力远强于活性炭的疏水吸附。

  然而,大多数原始MOF在水中的稳定性较差,遇水易水解、结构坍塌。为解决这一工程化瓶颈,研究者进而将MOF在高温下可控碳化,制备出保留其原始骨架纳米孔道的“MOF衍生碳”。这种衍生碳不仅继承了MOF的超高比表面积和规整孔道,而且由于骨架石墨化,在水热稳定性和耐酸碱性上实现了质的飞跃。实验数据表明,这类新型MOF衍生碳材料对PFOS的吸附容量可比商品活性炭高出数个量级,并且在有背景离子的真实水环境中仍保持高选择性。尽管目前其合成成本还高居不下,但随着规模化合成的推进,这种从“分子砌块”出发,为“永久化学品”量身定制的纳米吸附牢笼,有望成为未来终结PFAS污染的利器。

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