金屬有機骨架在水環境治理領域的應用研究

秦紹科 包天

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

關鍵詞：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

隨著社會經濟的發展速度不斷加快，全球環境污染問題越來越明顯，其中主要表現為水體污染、大氣污染、土質污染以及溫室氣體等相關問題，造成了當前全球生態環境不斷惡化。在我國環境治理工作當中，水體環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境的質量產生了嚴重的影響。在最近幾年的發展過程當中，隨著我國科技技術的發展速度不斷加快，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，它們在水體環境的治理工作當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性質上更加優良，具有較強的水體雜質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雜的有機體之間通過對應的配件，在空間結構上形成一種一維或多維結構的網格框架結構，具有表面積更大、空隙吸收效率更高的優勢，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良材料，在未來水體治理工作中有著非常廣泛的發展前景，成為了當前環境治理工作研究的重點內容。

1 金屬有機骨架MOFs的結構特征

金屬有機骨架對目標水體分子內部的雜質吸附性，主要取決于有機金屬骨架本身的結構特點，而有機基礎骨架在結構特點上，主要是通過內部的分子結構排列所決定。

1.1 金屬節點

金屬節點是金屬有機框架結構的重要構成環節，通過多孔網絡框架在結構當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的配件的過程當中，配件總體數量不是完全固定。由此可以看出，在不同的配位結構上所形成的框架結構也各不相同，其中比較常見的框架結構類型分為直線形、T型以及八邊形等。通過水體當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。當前也有相關工作人員嘗試使用堿金屬材料作為金屬銜接的節點，提高金屬有機骨架的結構功能。

1.2 有機配體

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

1.3 金屬有機骨架的孔結構

金屬有機骨架的孔徑范圍可以進行有效調節，改變對氣體分子當中的吸附效應，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境治理工作的質量。金屬有機骨架的孔徑可以通過對應配體上的功能鍵來進行改變，對有機基礎骨架的孔洞長度進行相應的調節，相關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，可以看出在材料內部的結構分布上，在規定的距離范圍內設定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，這也是當前我國首個微孔單晶材料的研制，該材料在使用過程當中可以對大分子物質進行有效的吸附和處理。相關研究人員通過對金屬有機骨架上的苯環將其擴大到3、4、5、6、11，在合成孔的直徑大小從1.4nm擴大到了9.8nm金屬框架結構，這種結構具有互相穿透的功能，同時在空隙度和熱穩定上比較優良。通過使用一元羧酸的轉化方式，將金屬有機骨架分割成多級孔洞排列的形式，通過調節一元羧酸的反應濃度以及環境溫度，可以有效控制產物的孔徑大小，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定性，同時還具有更高的物理性能。

2 金屬有機骨架在水環境治理方面的應用

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，尤其是可調節的孔表面積的物理性質，在對水體當中的一些重金屬污染離子的吸附性和轉移能力非常明顯。通過相關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，可以運用在水環境的治理工作當中。

金屬有機骨架和磁性材料的有效結合，成為了當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合，對水體環境當中存在的大量鉛離子的吸附效果尤為明顯。隨著復合材料當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中會含有大量濃度較高的金屬粒子，通過溶液當中的金屬離子，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中，材料的結構發生了轉變，通過封閉的方式慢慢轉化成為開放的反應方式，通過這種方式可以實現對重金屬鉛的更好吸附效果。通過加入苯酸鐵絡合物可以得到一種全新的磁性金屬復合物，這種新型的復合物可以作為水體當中金屬離子的萃取劑。因為內部高濃縮因子的存在，在特定的測試樣品當中，和鉛離子等重金屬之間不會產生明顯的變化反應，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和作用。通過調節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，有效提高了水體環境的整體質量。

在水環境的治理工作當中，對水體環境當中存在的有機毒性物質進行吸收，通過金屬有機骨架和NH2-MIL來進行聯合分析，有效研究了它們在水體反應過程當中，苯酚和硝基苯酚對水體當中有機毒性物質的吸收能力，其中NH2-MIL對PNP有毒物質表現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當中的安吉以及PNP分子和對應的集團之間形成連接的氫位鍵，將二氧化硅當中所包裹的鐵離子和金屬有機物，通過反應沉淀之后，形成一種全新帶有磁性強度的納米材料。金屬有機物和反應溶液當中的氧化鐵納米粒子之間組裝之后，在水體的吸附工作當中具有了全新的功能和選擇性，主要表現在表面積的吸附能力更高，可以用作水體當中氮元素和硫元素等物質的吸收，同時也可以用于液相色譜定量檢測當中的萃取劑。

3 結束語

通過對上述研究內容的分析，可以得出在金屬有機框架當中引入不飽和金屬點位來進行反應銜接，其中堿性基團和空隙大小的調節方法，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中的離子吸附效果和提高有害物質的吸附率，這在水體中污染物較高的情況下有著良好的治理效果。

參考文獻

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收稿日期：2019-04-02

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