《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Exploring the potential of metal-organic frameworks (MOFs) for wastewater treatments via membrane separation and adsorption: a review
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MOFs作为新型吸附剂和膜材料在水处理中展现高效性，其可调控孔隙结构和功能基团能选择性吸附重金属及有机污染物，复合膜技术提升分离性能，未来有望成为主流水处理组件。
阿姆娜·卡苏里（Amna Kasuri）| 肖赫泽尔·伊姆兰（Shahzer Imran）| 法鲁克·贾米尔（Farrukh Jamil）| 穆罕默德·亚辛（Muhammad Yasin）| 穆里德·侯赛因（Murid Hussain）| 帕尔文·阿克特尔（Parveen Akhter）| 库尼-伊·安德鲁·林（Kun-Yi Andrew Lin）| 杨权·朴（Young-Kwon Park）
巴基斯坦拉合尔市COMSATS大学化学工程系，拉合尔校区
摘要
基于金属有机框架（MOFs）的膜在去除水溶液中的重金属离子和有机物方面非常有效。它们因其低能耗、操作简便和易于维护而受到青睐。由于MOFs是一种特殊的混合材料，因此应为废水处理（WWT）开辟新的可能性。本综述重点介绍了MOFs在废水处理领域的应用，强调了它们作为吸附剂和构建先进MOF基膜的构建块的潜力，这些膜能够去除各种有毒化合物和污染物。此外，本文还探讨了MOF基膜在多种过滤技术（包括超滤（UF）、反渗透（RO）、微滤（MF）、纳滤（NF）和正向渗透（FO）中的工作原理。这些技术的应用取决于污染物的大小和膜的孔隙率。研究的重点是了解MOFs的特性如何影响这些分离过程。研究表明，MOF基膜可能成为下一代中最广泛使用的分离组件。
引言
随着工业生产的增加，重金属、抗生素和其他化学物质被释放到水环境中，导致近年来水污染严重[1]。因此，水净化是维持健康生态系统的重要手段，因为受污染的水常常会破坏生态平衡[2]。为了生产出相对安全可排放的环境用水，人们开发并实施了多种去除水系统中污染物的方法，如生物处理、溶剂萃取、氧化、膜分离、混凝、吸附和电解[3]。其中，吸附和膜分离是去除废水污染物的常用且有效的方法。膜分离技术是一种成熟的水处理（WWT）方法，利用各种吸附剂来有效捕获和去除杂质[4]。因此，研究人员一直在寻找新的或更优的吸附剂，以适应不同的应用环境。理想的吸附材料应具有高吸附能力、在水中的稳定性、可回收性和成本效益[5]。吸附技术因其易于实施、成本低廉且对环境影响小而常用于水处理[6]。以往的研究广泛使用了活性炭（AC）作为吸附剂。通过调节吸附剂表面的功能基团，可以控制其对目标分子的吸附能力和亲和力，从而利用活性炭去除不同的有机和无机污染物[7]。例如，活性炭已被广泛用于去除来自纺织工业、农药、重金属和药品的污染物。许多研究表明，活性炭在去除有机化合物方面表现出色，适用于多种工业应用，有助于降低污染物浓度[8]。这表明吸附剂在去除污染物方面具有巨大潜力。鉴于此，寻找新型吸附剂或改进现有吸附剂以改善吸附条件和能力一直是研究热点。近年来，金属有机框架（MOFs）作为一种新型吸附剂进入人们的视野，并成为废水处理（WWT）的理想选择[9]。与其他材料相比，MOFs作为添加剂或吸附剂具有诸多优势。由于MOFs的独特性质，过去几十年里它们在分离过程中得到了更广泛的应用[10]。其优点包括多孔结构、可调的孔体积、较大的比表面积和丰富的吸附位点[11]。当MOF孔隙被不同物种或功能团占据时，其框架的排列方式不会改变。另一个优势是MOFs具有高比表面积，且可以通过调整结构来固定特定污染物。最重要的是，MOFs的性质完全可控，科学家可以通过选择合适的成分来设计孔径和表面功能基团，从而有效捕获废水中的多种污染物（包括有机化合物、重金属和染料）[12]。
这些特性使得MOFs非常适合用于制备分离膜和吸附剂。目前的研究通过改变配体长度来控制无机次级结构单元的大小，以获得更好的性能。较长的配体会增加比表面积，但可能降低材料稳定性[13]。其他侧链也是长度和构象高度可调的配体示例，可以用于创建稳定且实用的多孔框架。这是因为配体上的硫基和氨基等功能基团使其能够以多种方式与离子或分子相互作用，从而在污染物分离和去除中发挥重要作用[14]。作为新型材料，MOFs在水处理（WWT）中的应用越来越广泛，显著提升了膜分离技术的性能[15]。研究表明，MOF这种非有机多孔材料优于其他类似材料，能够提高多种膜技术（如RO、NF和UF）的过滤效果。将MOF与TFN膜结合，并通过调整孔径和形状，可以开发出具有更高渗透性和选择性的复合膜[16]。例如，将MOF整合到TFN和MMM的基质和框架中可以提高其选择性和渗透性。然而，将UiO-66-NH2纳米颗粒通过IP技术引入TFN和NF膜中会同时增加膜的疏水性、Zeta电位和表面粗糙度，从而提高水的透过率，同时仍能过滤掉不需要的颗粒[17]。除了MOF本身的性质外，还可以通过调整复合膜的特性来满足特定废水处理的需求[18]。MOFs本身可以形成薄膜，其孔径可在较大范围内调节，从而根据分子大小和类型进行过滤。它们通常可以重复用作填料，同时保持原有功能。因此，MOF膜因其高选择性、渗透性和抗污染性而成为废水处理的理想选择[19]。此外，MOFs也可用于基于吸附的技术。为此，已经进行了大量关于废水中各种污染物的研究。了解该领域的最新进展至关重要。然而，值得注意的是，虽然近期发表了许多关于MOF在水处理应用的综述文章，但缺乏全面和系统的研究或基础机制研究[20]。因此，本综述简要介绍了使用纯MOF制备膜填料去除废水中的污染物（包括重金属和染料）的基本原理、机制和最新进展。同时，我们也概述了使用纯MOF作为吸附剂以及仅由MOF制成的复合材料在去除传统污染物方面的应用进展。最后，本文还讨论了相关挑战和未来发展方向，为MOF在水处理中的应用提供了有价值的信息[21]。
膜技术在废水处理中的应用
从根本上说，膜作为一种选择性屏障，通过限制相邻物质的流动来分离两种相[22]。膜的技术可以追溯到18世纪。此后，多种发展使得膜适用于各种应用[23]。膜通常分为各向异性和各向同性两种类型。各向同性膜具有均匀的组成和形态。当它们是微孔膜时，其渗透性...
背景
MOFs是一种混合材料，通过结合无机和有机成分形成有序的框架。图1展示了由桥接螯合物（有机连接剂）和金属离子组成的MOFs，这类MOFs通常具有优异的分离效率[37]。由于其明确的孔结构和强大的吸附能力，MOFs已成为最引人注目的材料之一[38]。
MOFs通常...
结论与未来建议
MOFs是一种可用于水处理的新型材料。由于其独特的组成和性质，长期以来一直是研究的重点。本研究重点探讨了使用MOF吸附剂和膜去除废水中的多种有毒化合物，并展示了它们成为未来最广泛应用的分离组件的潜力。
作者贡献声明
阿姆娜·卡苏里（Amna Kasuri）：撰写初稿、进行研究、进行数据分析。肖赫泽尔·伊姆兰（Shahzer Imran）：撰写初稿、进行研究、进行数据分析。法鲁克·贾米尔（Farrukh Jamil）：撰写、编辑、监督、概念设计。穆罕默德·亚辛（Muhammad Yasin）：撰写、编辑、进行分析。穆里德·侯赛因（Murid Hussain）：撰写、编辑、进行数据分析、提供资源、项目管理、概念设计。帕尔文·阿克特尔（Parveen Akhter）：撰写、编辑、进行研究、进行分析。库尼-伊·安德鲁·林（Kun-Yi Andrew Lin）：撰写...
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（National Research Foundation of Korea）的支持（项目编号：RS-2024–00341143）。
