ZIF-8复合膜：兼具高渗透性与抗污染性的膜蒸馏技术突破，实现挥发性有机物高效捕获与水净化

为解决膜蒸馏(MD)技术中低渗透通量、膜污染及挥发性有机物(VOCs)渗透等难题，研究人员开发了一种负载92% ZIF-8的 omniphobic（全疏性）复合膜。该膜通过晶体相变捕获VOCs，并利用疏水微孔中配体摆动促进水蒸发，实现了71.8 L m-2h-1bar-1的超高通量（传统膜5倍），连续处理38,000 L含10 ppm污染物的废水无需再生。研究为高盐废水零液体排放提供了可持续解决方案，发表于《Nature Communications》。

　　

随着工业废水、海水淡化等高盐废水处理需求激增，膜蒸馏(MD)技术因其可利用低品位热源的优势备受关注。然而，传统MD膜面临三重困境：渗透通量低导致效率不足；膜表面易被油污或表面活性剂污染；更棘手的是，挥发性有机物(VOCs)会伴随水蒸气穿透膜孔，造成产水二次污染。现有解决方案往往顾此失彼——提升通量会降低抗污染性，而VOCs拦截需依赖昂贵的光催化或电化学处理。如何打破这种"性能跷跷板"，成为水处理领域的重大挑战。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，Dafei Sheng等科学家从金属有机框架(MOF)材料中获得灵感。ZIF-8作为MOF家族明星材料，其独特的"呼吸效应"（晶体结构动态变化）和配体摆动特性引起研究者注意。团队创新性地提出：能否利用ZIF-8的相变捕获VOCs，同时通过配体摆动破坏水分子氢键网络来提升蒸发效率？

研究团队通过热诱导相分离-热压(TIPS-HoP)技术制备出ZIF-8负载量高达92%的聚乙烯混合基质膜(MMM)，并采用全氟烷基硅烷(FDTS)进行表面修饰。关键技术包括：三种ZIF-8变体的溶剂热合成与相态调控、分子动力学模拟验证蒸发增强机制、900小时长期稳定性测试，以及实际工业废水（山东电厂与四川页岩气废水）验证。

Toluene-induced phase transition of ZIF-8

通过调控合成条件获得三种ZIF-8变体，其中ZIF-8-2在25°C对甲苯吸附量达120 cm³ g^-1。GSAS-II精修显示其包含立方相(I-43m)、单斜相(Cm)和三方相(R3m)，甲苯分子可触发I-43m向Cm相转变。密度泛函理论(DFT)计算揭示Cm相中甲苯结合能达66.73 kJ mol^-1，形成"进易出难"的分子陷阱。

Fabrication and characterization of ZIF-8 PE MMM-FDTS

TIPS-HoP技术制备的膜呈现多级粗糙结构，BET比表面积达1670 m² g^-1。FDTS修饰后水接触角提升至149°，矿物油接触角达103°，汞孔隙仪显示膜具有0.9 nm微孔和448 nm大孔的双峰分布。

Membrane distillation performance

处理10.5 wt%盐水时通量达68 L m^-2 h^-1（商用PVDF膜的5倍），连续运行900小时仅需简单反洗即可恢复性能。对200 ppm甲苯的截留率>99.9%，动态吸附容量达80 mg g^-1。在含0.4 mM十二烷基硫酸钠(SDS)或1000 ppm矿物油的极端条件下仍保持稳定。

Evaporation enhancement mechanisms

分子动力学模拟显示ZIF-8中自由旋转的咪唑配体可使水分子氢键数量减少30%，蒸发分离能降低至1955 J g^-1。相比之下，SiO₂对照组的蒸发速率显著降低。

该研究开创性地将MOF相变特性与膜蒸馏相结合，揭示了配体摆动促进蒸发的微观机制。实际应用中，单平方米膜可处理38吨废水而不需再生，为页岩气开采、化工等高盐高有机污染废水处理提供了变革性方案。未来通过优化MOF种类与膜结构，有望进一步突破现有性能极限，推动零液体排放技术的工业化应用。