金屬有機骨架在水環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用研究

秦紹科 包天

摘要：金屬有機骨架（MOFs）以金屬節(jié)點和有機配體之間通過配件進行銜接，形成多孔網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比表面積、空隙率以及非常豐富的可調(diào)節(jié)孔洞結(jié)構(gòu)。在當(dāng)前水體環(huán)境的治理工作中受到了人們廣泛的關(guān)注，特別是針對水體中一些重金屬離子及有機污染物的治理，是我國環(huán)境治理工作中的重點內(nèi)容，基于此，本文通過對金屬有機骨架在水環(huán)境治理工作中的有效運用進行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：金屬有機骨架;水治理;重金屬離子;有機污染物

中圖分類號：X52 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）09-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.09.133

Application research of metal organic framework in water environment management

Qin Shaoke， Bao Tian

（Hangzhou Yimeiyuan Testing Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000，China）

Abstract： Metal-organic frameworks （MOFs） are connected by metal fittings and organic ligands through fittings to form porous mesh-like structural materials with high specific surface area， void ratio and very rich adjustable pore structure. In the current water environment treatment work has been widely concerned， especially for the treatment of some heavy metal ions and organic pollutants in water， is the key content of Chinas environmental governance work， based on this， the paper through the metal organic skeleton The effective use of water environment management has been analyzed and studied.

Key words： Metal organic framework; Water treatment; Heavy metal ions; Organic pollutants

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展速度不斷加快，全球環(huán)境污染問題越來越明顯，其中主要表現(xiàn)為水體污染、大氣污染、土質(zhì)污染以及溫室氣體等相關(guān)問題，造成了當(dāng)前全球生態(tài)環(huán)境不斷惡化。在我國環(huán)境治理工作當(dāng)中，水體環(huán)境污染問題是其中一項重點污染問題，大量的重金屬離子以及有機物對水體環(huán)境的質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。在最近幾年的發(fā)展過程當(dāng)中，隨著我國科技技術(shù)的發(fā)展速度不斷加快，納米材料的運用程度越來越高，其中一系列高度有序的納米材料不斷涌現(xiàn)出來，比如各種類型的沸石、氧化鋅納米管、金屬有機骨架以及多孔有機聚合物等，它們在水體環(huán)境的治理工作當(dāng)中具有較強的吸附性，同時在吸附孔徑的大小上更加多樣化具有更大的比表面積。各種先進的材料在物理和化學(xué)性質(zhì)上更加優(yōu)良，具有較強的水體雜質(zhì)吸收能力和吸附能力，其中金屬有機框架主要是使各種不同類型的重金屬離子和大量復(fù)雜的有機體之間通過對應(yīng)的配件，在空間結(jié)構(gòu)上形成一種一維或多維結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格框架結(jié)構(gòu)，具有表面積更大、空隙吸收效率更高的優(yōu)勢，可以通過有機體的相互配合選擇出孔壁更加豐富、活性更加高的功能材料，是水體污染治理過程中的優(yōu)良材料，在未來水體治理工作中有著非常廣泛的發(fā)展前景，成為了當(dāng)前環(huán)境治理工作研究的重點內(nèi)容。

1 金屬有機骨架MOFs的結(jié)構(gòu)特征

金屬有機骨架對目標(biāo)水體分子內(nèi)部的雜質(zhì)吸附性，主要取決于有機金屬骨架本身的結(jié)構(gòu)特點，而有機基礎(chǔ)骨架在結(jié)構(gòu)特點上，主要是通過內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)排列所決定。

1.1 金屬節(jié)點

金屬節(jié)點是金屬有機框架結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)成環(huán)節(jié)，通過多孔網(wǎng)絡(luò)框架在結(jié)構(gòu)當(dāng)中形成相互交接的點位。通常情況下，選擇含有沒有充滿過渡金屬離子作為有機載體，在接受配體的電子配對過程及形成相應(yīng)的配件的過程當(dāng)中，配件總體數(shù)量不是完全固定。由此可以看出，在不同的配位結(jié)構(gòu)上所形成的框架結(jié)構(gòu)也各不相同，其中比較常見的框架結(jié)構(gòu)類型分為直線形、T型以及八邊形等。通過水體當(dāng)中的金屬離子或者是金屬有機框架所具有的催化功能特點，制備出帶有磁性的金屬有機骨架，可以選擇鎳鋅鐵銅等金屬離子來進行制備，同時也可以選擇鉑等稀有離子來制取金屬有機骨架。當(dāng)前也有相關(guān)工作人員嘗試使用堿金屬材料作為金屬銜接的節(jié)點，提高金屬有機骨架的結(jié)構(gòu)功能。

1.2 有機配體

有機配體在金屬有機骨架當(dāng)中有著非常重要的作用，主要是在金屬和金屬末節(jié)之間進行銜接，帶有兩個或者兩個以上的金屬離子配位，和基團內(nèi)部的有機分子之間進行關(guān)聯(lián)，這種類型的配體類型比較復(fù)雜，其中含有了大量羧酸類和含甙類物質(zhì)。

1.3 金屬有機骨架的孔結(jié)構(gòu)

金屬有機骨架的孔徑范圍可以進行有效調(diào)節(jié)，改變對氣體分子當(dāng)中的吸附效應(yīng)，從而有效提高了金屬有機骨架的氣體分離及選擇性水體環(huán)境治理工作的質(zhì)量。金屬有機骨架的孔徑可以通過對應(yīng)配體上的功能鍵來進行改變，對有機基礎(chǔ)骨架的孔洞長度進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，相關(guān)研究人員通過單晶體的形式建立起了一種有序的宏觀微孔材料，通過該材料的實驗和分析，可以看出在材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分布上，在規(guī)定的距離范圍內(nèi)設(shè)定80nm大小的孔洞，同時各個孔都相互之間連接的最大距離為270nm，這也是當(dāng)前我國首個微孔單晶材料的研制，該材料在使用過程當(dāng)中可以對大分子物質(zhì)進行有效的吸附和處理。相關(guān)研究人員通過對金屬有機骨架上的苯環(huán)將其擴大到3、4、5、6、11，在合成孔的直徑大小從1.4nm擴大到了9.8nm金屬框架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有互相穿透的功能，同時在空隙度和熱穩(wěn)定上比較優(yōu)良。通過使用一元羧酸的轉(zhuǎn)化方式，將金屬有機骨架分割成多級孔洞排列的形式，通過調(diào)節(jié)一元羧酸的反應(yīng)濃度以及環(huán)境溫度，可以有效控制產(chǎn)物的孔徑大小，從而得到特定表面積的材料，所得到的新型金屬有機骨架具有原材料的穩(wěn)定性，同時還具有更高的物理性能。

2 金屬有機骨架在水環(huán)境治理方面的應(yīng)用

2.1 水中重金屬治理

金屬有機骨架具有表面積更大以及孔隙率更高的特點，尤其是可調(diào)節(jié)的孔表面積的物理性質(zhì)，在對水體當(dāng)中的一些重金屬污染離子的吸附性和轉(zhuǎn)移能力非常明顯。通過相關(guān)的實驗研究可以看出，金屬有機骨架在水體重金屬處理有著比較良好的去除效果，可以運用在水環(huán)境的治理工作當(dāng)中。

金屬有機骨架和磁性材料的有效結(jié)合，成為了當(dāng)前金屬有機骨架新型材料的制作方法。通過磁性材料氧化鐵納米顆粒和金屬有機骨架之間的有效結(jié)合，對水體環(huán)境當(dāng)中存在的大量鉛離子的吸附效果尤為明顯。隨著復(fù)合材料當(dāng)中重金屬離子含量的加大，對金屬離子的吸附效果也越來越高，主要原因是極性較強的溶劑當(dāng)中會含有大量濃度較高的金屬粒子，通過溶液當(dāng)中的金屬離子，比如鉛離子對金屬有機骨架的磁性材料之間進行吸附，金屬有機骨架當(dāng)中的集團對金屬的吸附等，主要針對鉛元素在和吸附進行配對的過程當(dāng)中，材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，通過封閉的方式慢慢轉(zhuǎn)化成為開放的反應(yīng)方式，通過這種方式可以實現(xiàn)對重金屬鉛的更好吸附效果。通過加入苯酸鐵絡(luò)合物可以得到一種全新的磁性金屬復(fù)合物，這種新型的復(fù)合物可以作為水體當(dāng)中金屬離子的萃取劑。因為內(nèi)部高濃縮因子的存在，在特定的測試樣品當(dāng)中，和鉛離子等重金屬之間不會產(chǎn)生明顯的變化反應(yīng)，同時在對吸附力上PH值的大小和磁性材料的增加會尤為明顯，這種磁性金屬有機骨架，在處理吸附劑的聚集和分離的效果上比較明顯。

2.2 對水體有機和有毒污染物的處理

在金屬有機骨架當(dāng)中引入不飽和金屬銜接點位和酸堿性基團，在水體污染物和表面基團之間會存在特殊的反應(yīng)和作用。通過調(diào)節(jié)金屬有機骨架表面的空隙大小，可以提高金屬有機骨架對有機污染物的吸附效果，有效提高了水體環(huán)境的整體質(zhì)量。

在水環(huán)境的治理工作當(dāng)中，對水體環(huán)境當(dāng)中存在的有機毒性物質(zhì)進行吸收，通過金屬有機骨架和NH2-MIL來進行聯(lián)合分析，有效研究了它們在水體反應(yīng)過程當(dāng)中，苯酚和硝基苯酚對水體當(dāng)中有機毒性物質(zhì)的吸收能力，其中NH2-MIL對PNP有毒物質(zhì)表現(xiàn)出了良好的吸附效果以及更高的選擇吸附性能，通過該實驗分析可以得出，NH2-MIL可以有效吸附掉PNP，并且在PNP的高吸附力作用下，對NH2-MIL當(dāng)中的安吉以及PNP分子和對應(yīng)的集團之間形成連接的氫位鍵，將二氧化硅當(dāng)中所包裹的鐵離子和金屬有機物，通過反應(yīng)沉淀之后，形成一種全新帶有磁性強度的納米材料。金屬有機物和反應(yīng)溶液當(dāng)中的氧化鐵納米粒子之間組裝之后，在水體的吸附工作當(dāng)中具有了全新的功能和選擇性，主要表現(xiàn)在表面積的吸附能力更高，可以用作水體當(dāng)中氮元素和硫元素等物質(zhì)的吸收，同時也可以用于液相色譜定量檢測當(dāng)中的萃取劑。

3 結(jié)束語

通過對上述研究內(nèi)容的分析，可以得出在金屬有機框架當(dāng)中引入不飽和金屬點位來進行反應(yīng)銜接，其中堿性基團和空隙大小的調(diào)節(jié)方法，對于水體污染處理有著重要的作用，可以提高金屬有機框架在吸附過程當(dāng)中的離子吸附效果和提高有害物質(zhì)的吸附率，這在水體中污染物較高的情況下有著良好的治理效果。

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收稿日期：2019-04-02

作者簡介：秦紹科（1990-），男，漢族，本科學(xué)歷，初級工程師，研究方向為水環(huán)境。