金属有机骨架在水环境治理领域的应用研究

秦绍科 包天

摘要：金属有机骨架（MOFs）以金属节点和有机配体之间通过配件进行衔接，形成多孔网状的结构材料，具有较高的比表面积、空隙率以及非常丰富的可调节孔洞结构。在当前水体环境的治理工作中受到了人们广泛的关注，特别是针对水体中一些重金属离子及有机污染物的治理，是我国环境治理工作中的重点内容，基于此，本文通过对金属有机骨架在水环境治理工作中的有效运用进行了分析和研究。

关键词：金属有机骨架;水治理;重金属离子;有机污染物

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：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

随着社会经济的发展速度不断加快，全球环境污染问题越来越明显，其中主要表现为水体污染、大气污染、土质污染以及温室气体等相关问题，造成了当前全球生态环境不断恶化。在我国环境治理工作当中，水体环境污染问题是其中一项重点污染问题，大量的重金属离子以及有机物对水体环境的质量产生了严重的影响。在最近几年的发展过程当中，随着我国科技技术的发展速度不断加快，纳米材料的运用程度越来越高，其中一系列高度有序的纳米材料不断涌现出来，比如各种类型的沸石、氧化锌纳米管、金属有机骨架以及多孔有机聚合物等，它们在水体环境的治理工作当中具有较强的吸附性，同时在吸附孔径的大小上更加多样化具有更大的比表面积。各种先进的材料在物理和化学性质上更加优良，具有较强的水体杂质吸收能力和吸附能力，其中金属有机框架主要是使各种不同类型的重金属离子和大量复杂的有机体之间通过对应的配件，在空间结构上形成一种一维或多维结构的网格框架结构，具有表面积更大、空隙吸收效率更高的优势，可以通过有机体的相互配合选择出孔壁更加丰富、活性更加高的功能材料，是水体污染治理过程中的优良材料，在未來水体治理工作中有着非常广泛的发展前景，成为了当前环境治理工作研究的重点内容。

1 金属有机骨架MOFs的结构特征

金属有机骨架对目标水体分子内部的杂质吸附性，主要取决于有机金属骨架本身的结构特点，而有机基础骨架在结构特点上，主要是通过内部的分子结构排列所决定。

1.1 金属节点

金属节点是金属有机框架结构的重要构成环节，通过多孔网络框架在结构当中形成相互交接的点位。通常情况下，选择含有没有充满过渡金属离子作为有机载体，在接受配体的电子配对过程及形成相应的配件的过程当中，配件总体数量不是完全固定。由此可以看出，在不同的配位结构上所形成的框架结构也各不相同，其中比较常见的框架结构类型分为直线形、T型以及八边形等。通过水体当中的金属离子或者是金属有机框架所具有的催化功能特点，制备出带有磁性的金属有机骨架，可以选择镍锌铁铜等金属离子来进行制备，同时也可以选择铂等稀有离子来制取金属有机骨架。当前也有相关工作人员尝试使用碱金属材料作为金属衔接的节点，提高金属有机骨架的结构功能。

1.2 有机配体

有机配体在金属有机骨架当中有着非常重要的作用，主要是在金属和金属末节之间进行衔接，带有两个或者两个以上的金属离子配位，和基团内部的有机分子之间进行关联，这种类型的配体类型比较复杂，其中含有了大量羧酸类和含甙类物质。

1.3 金属有机骨架的孔结构

金属有机骨架的孔径范围可以进行有效调节，改变对气体分子当中的吸附效应，从而有效提高了金属有机骨架的气体分离及选择性水体环境治理工作的质量。金属有机骨架的孔径可以通过对应配体上的功能键来进行改变，对有机基础骨架的孔洞长度进行相应的调节，相关研究人员通过单晶体的形式建立起了一种有序的宏观微孔材料，通过该材料的实验和分析，可以看出在材料内部的结构分布上，在规定的距离范围内设定80nm大小的孔洞，同时各个孔都相互之间连接的最大距离为270nm，这也是当前我国首个微孔单晶材料的研制，该材料在使用过程当中可以对大分子物质进行有效的吸附和处理。相关研究人员通过对金属有机骨架上的苯环将其扩大到3、4、5、6、11，在合成孔的直径大小从1.4nm扩大到了9.8nm金属框架结构，这种结构具有互相穿透的功能，同时在空隙度和热稳定上比较优良。通过使用一元羧酸的转化方式，将金属有机骨架分割成多级孔洞排列的形式，通过调节一元羧酸的反应浓度以及环境温度，可以有效控制产物的孔径大小，从而得到特定表面积的材料，所得到的新型金属有机骨架具有原材料的稳定性，同时还具有更高的物理性能。

2 金属有机骨架在水环境治理方面的应用

2.1 水中重金属治理

金属有机骨架具有表面积更大以及孔隙率更高的特点，尤其是可调节的孔表面积的物理性质，在对水体当中的一些重金属污染离子的吸附性和转移能力非常明显。通过相关的实验研究可以看出，金属有机骨架在水体重金属处理有着比较良好的去除效果，可以运用在水环境的治理工作当中。

金属有机骨架和磁性材料的有效结合，成为了当前金属有机骨架新型材料的制作方法。通过磁性材料氧化铁纳米颗粒和金属有机骨架之间的有效结合，对水体环境当中存在的大量铅离子的吸附效果尤为明显。随着复合材料当中重金属离子含量的加大，对金属离子的吸附效果也越来越高，主要原因是极性较强的溶剂当中会含有大量浓度较高的金属粒子，通过溶液当中的金属离子，比如铅离子对金属有机骨架的磁性材料之间进行吸附，金属有机骨架当中的集团对金属的吸附等，主要针对铅元素在和吸附进行配对的过程当中，材料的结构发生了转变，通过封闭的方式慢慢转化成为开放的反应方式，通过这种方式可以实现对重金属铅的更好吸附效果。通过加入苯酸铁络合物可以得到一种全新的磁性金属复合物，这种新型的复合物可以作为水体当中金属离子的萃取剂。因为内部高浓缩因子的存在，在特定的测试样品当中，和铅离子等重金属之间不会产生明显的变化反应，同时在对吸附力上PH值的大小和磁性材料的增加会尤为明显，这种磁性金属有机骨架，在处理吸附剂的聚集和分离的效果上比较明显。

2.2 对水体有机和有毒污染物的处理

在金属有机骨架当中引入不饱和金属衔接点位和酸碱性基团，在水体污染物和表面基团之间会存在特殊的反应和作用。通过调节金属有机骨架表面的空隙大小，可以提高金属有机骨架对有机污染物的吸附效果，有效提高了水体环境的整体质量。

在水环境的治理工作当中，对水体环境当中存在的有机毒性物质进行吸收，通过金属有机骨架和NH2-MIL来进行联合分析，有效研究了它们在水体反应过程当中，苯酚和硝基苯酚对水体当中有机毒性物质的吸收能力，其中NH2-MIL对PNP有毒物质表现出了良好的吸附效果以及更高的选择吸附性能，通过该实验分析可以得出，NH2-MIL可以有效吸附掉PNP，并且在PNP的高吸附力作用下，对NH2-MIL当中的安吉以及PNP分子和对应的集团之间形成连接的氢位键，将二氧化硅当中所包裹的铁离子和金属有机物，通过反应沉淀之后，形成一种全新带有磁性强度的纳米材料。金属有机物和反应溶液当中的氧化铁纳米粒子之间组装之后，在水体的吸附工作当中具有了全新的功能和选择性，主要表现在表面积的吸附能力更高，可以用作水体当中氮元素和硫元素等物质的吸收，同时也可以用于液相色谱定量检测当中的萃取剂。

3 结束语

通过对上述研究内容的分析，可以得出在金属有机框架当中引入不饱和金属点位来进行反应衔接，其中碱性基团和空隙大小的调节方法，对于水体污染处理有着重要的作用，可以提高金属有机框架在吸附过程当中的离子吸附效果和提高有害物質的吸附率，这在水体中污染物较高的情况下有着良好的治理效果。

参考文献

[1]张洁.基于刚性羧酸配体构筑的金属有机骨架化合物及其孔道修饰与性质研究[D].上海：华东师范大学，2018.

[2]邓双双.不同晶面暴露的金属有机骨架材料MIL-96的制备及其对萘吸附性能的研究[D].安徽大学，合肥：2018.

[3]田娜.金属有机骨架材料NH_2-MIL-101的制备及对四环素吸附性能的研究[D].昆明：昆明理工大学，2016.

收稿日期：2019-04-02

作者简介：秦绍科（1990-），男，汉族，本科学历，初级工程师，研究方向为水环境。