综述：用于膜蒸馏的金属有机框架技术的进展：综述

《Desalination》：Advances in metal-organic frameworks for membrane distillation: A review

膜蒸馏技术通过热驱动分离实现海水淡化与盐湖卤水浓缩，但存在温度/浓度极化、膜稳定性差等问题。金属有机框架（MOF）材料因高比表面积、可调孔径和多功能活性位点，可有效抑制极化现象、提升渗透通量与膜稳定性，其制备方法包括相变转化、电纺成型、原位生长和真空过滤等。研究系统综述了六类MOF（UIO、ZIF、MIL、HKUST、AlFu、CAU）在膜蒸馏中的应用潜力，并展望了材料选择、结构设计及工艺集成方向。

　　近年来，膜蒸馏（Membrane Distillation, MD）作为一种基于微孔疏水膜的热驱动分离技术，在海水淡化和盐湖卤水浓缩等领域得到了广泛应用。MD技术因其高盐排放率、高渗透通量、高能效以及与可再生能源的兼容性等优势，备受关注。然而，MD技术在实际应用中仍面临诸多挑战，如温度极化、浓度极化、膜污染和膜润湿等问题，这些问题限制了其在工业上的推广。为了解决这些问题，研究人员不断探索新型膜材料、复合结构和表面改性方法，以提高MD膜的性能和稳定性。

MD技术的核心在于其独特的分离机制，它结合了膜分离技术和传统的热蒸馏过程。该技术通过微孔疏水膜作为分离介质，利用膜两侧的水蒸气压差作为驱动力，实现对溶液的净化。具体而言，MD过程包括三个主要步骤：首先，热量从进料液传递至膜表面；其次，在热侧的进料液-膜界面，小分子挥发性物质因受热而蒸发；最后，蒸汽在冷侧的膜表面冷凝，从而实现溶液的分离。这一过程依赖于膜的疏水性和孔隙结构，使其能够有效阻止液态水通过，同时允许水蒸气渗透。因此，膜的性能直接影响MD的整体效率。

在实际应用中，MD膜材料的选择至关重要。目前，常用的膜材料主要包括聚丙烯（PP）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）等聚合物材料。这些材料通常具有良好的疏水性、热稳定性和化学稳定性，能够满足MD技术对膜性能的基本要求。然而，尽管这些材料在一定程度上能够满足需求，但它们在面对高温、高盐浓度或复杂污染物时仍存在一定的局限性。例如，某些聚合物材料在高温下容易发生热降解，从而影响膜的使用寿命和分离效率。此外，膜的孔隙结构和分布对MD的传质性能具有重要影响，如何优化孔隙结构以提高渗透通量并减少极化现象，成为研究的重点。

为了解决上述问题，金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）作为一种新型的多孔材料，逐渐引起了研究者的关注。MOFs是由金属离子和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材料，具有高比表面积、可调节的孔径大小以及多功能的活性位点等特性。这些独特的结构特征使得MOFs在MD膜的制备中展现出巨大的潜力。例如，MOFs的高孔隙率可以显著降低膜的热传导损失，从而提高MD的热效率；同时，MOFs的疏水性可以通过表面修饰进一步增强，以防止膜在长期运行中发生润湿现象。此外，MOFs还可以通过其独特的吸附和催化性能，提高膜对污染物的去除能力，从而改善膜的稳定性和选择性。

在MD膜的制备过程中，MOFs可以通过多种方法进行集成和修饰。常见的方法包括相转化法、静电纺丝法、原位生长法和真空过滤法等。相转化法是一种较为成熟的技术，通过将MOFs溶解在合适的溶剂中，再通过蒸发或冷却形成膜结构。这种方法可以制备出具有均匀孔隙分布的膜，从而提高其传质性能。静电纺丝法则适用于制备具有纳米级纤维结构的膜，这种结构可以有效增强膜的机械强度和表面粗糙度，从而提高其抗润湿性能。原位生长法则是将MOFs在膜基材上直接生长，形成复合结构，这种方法能够实现MOFs与膜基材的紧密结合，从而提高膜的稳定性。真空过滤法则是通过将MOFs分散在支撑膜的孔隙中，利用真空压力将MOFs沉积在膜表面，形成具有高孔隙率和疏水性的复合膜。

除了上述制备方法，MOFs在MD膜中的作用还体现在其对温度极化和浓度极化的缓解能力。温度极化是指在膜两侧由于温度差异导致的热传导不均，从而影响膜的传质效率。而浓度极化则是由于膜表面的溶质浓度高于主体溶液，导致传质阻力增加。MOFs可以通过其独特的孔径筛分机制、疏水性修饰和吸附能力来缓解这些极化现象。例如，MOFs的孔径大小可以通过调节金属配体的比例和配体的种类进行调控，从而实现对不同分子大小的物质的选择性分离。此外，MOFs的疏水性可以通过表面改性进一步增强，使其能够有效防止液态水通过膜，从而减少温度极化现象。同时，MOFs的吸附能力可以有效去除膜表面的污染物，从而降低浓度极化的影响。

在实际应用中，MOFs的引入不仅能够提高MD膜的性能，还能够解决传统膜材料在化学稳定性、热稳定性和机械强度方面的不足。例如，某些传统聚合物材料在高温或高pH环境下容易发生降解，从而影响膜的使用寿命。而MOFs由于其高度的化学稳定性和可调节的结构，能够在更广泛的环境条件下保持其性能。此外，MOFs的表面可以进行功能化修饰，使其能够针对特定的污染物或离子进行吸附和催化，从而提高膜的选择性和分离效率。这些特性使得MOFs成为MD膜材料研究中的重要方向。

尽管MOFs在MD膜中的应用展现出诸多优势，但目前的研究仍处于初级阶段，系统性的综述和总结较为有限。因此，本文旨在对近年来MOFs在MD膜中的应用进展进行综述，重点分析六种常见的MOF材料家族，包括UIO、ZIF、MIL、HKUST、AlFu和CAU等。这些MOF材料因其良好的水稳定性和广泛的应用前景而受到关注。通过对这些材料的比较分析，本文希望为读者提供关于MOFs在MD中的应用基础，同时探讨其在膜结构设计、材料选择和表面改性等方面的发展方向，以期为MD技术的突破提供理论指导和技术参考。

在膜结构设计方面，MOFs的引入可以显著改变膜的物理和化学特性。例如，通过调控MOFs的孔径分布和表面粗糙度，可以优化膜的传质性能，提高其对水蒸气的渗透能力。此外，MOFs的复合结构可以增强膜的机械强度和热稳定性，使其能够适应更复杂的工作环境。在材料选择方面，不同的MOF材料因其独特的结构和功能特性，适用于不同的应用场景。例如，某些MOF材料可能更适合用于高盐浓度的海水淡化，而另一些则可能更适合用于低浓度的卤水浓缩。因此，针对不同的应用需求，选择合适的MOF材料至关重要。

在表面改性方面，MOFs可以通过多种方式进行功能化处理，以进一步提高其在MD中的性能。例如，通过引入疏水性基团或纳米颗粒，可以增强膜的疏水性，从而减少液态水的渗透和膜润湿现象。此外，MOFs的表面可以进行化学修饰，使其能够吸附特定的污染物或离子，从而提高膜的净化能力。这些改性方法不仅可以改善膜的性能，还可以延长其使用寿命，降低维护成本。

综上所述，MOFs在MD膜中的应用具有广阔的发展前景。通过合理的材料选择、结构设计和表面改性，MOFs可以有效缓解MD技术中的温度极化和浓度极化问题，提高膜的稳定性和传质效率。然而，目前的研究仍面临诸多挑战，如MOFs的规模化制备、稳定性提升以及在复杂环境下的长期性能表现等。因此，未来的研究应更加注重MOFs在MD中的实际应用，探索其在不同条件下的性能表现，并进一步优化其结构和功能特性，以实现MD技术的突破和推广。