Research progress on removal of pollutants from water by MOFs@aerogel adsorption

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0424

Abstract

Abstract:

Compared with single MOFs, MOFs@aerogels have ultra-high specific surface area, high porosity, good polymer compatibility and excellent structural pores, which can efficiently adsorb and remove pollutants in water. This paper introduced the structure and physicochemical properties of MOFs@aerogels, as well as the commonly used synthesis strategies of MOFs@aerogels. The advantages and disadvantages of the synthesis strategies and the challenges were analyzed. The adsorption conditions and adsorption properties of MOFs@aerogels for heavy metal ions and organic compounds in wastewater were described in detail, and the related adsorption mechanisms were systematically summarized and compared. The reusability of MOFs@aerogels in adsorption of pollutants was described. Finally, the optimization direction of the stability of MOFs in MOFs@aerogels, the matrix materials of aerogels, the application range and drying technology were proposed. It was proposed that improving the stability of MOFs@aerogels, exploring new matrix materials, expanding the application range of MOFs@aerogels, and exploring economical and green synthesis technologies would be the future research directions.

Key words: MOFs@aerogel, synthesis, adsorption, heavy metals, organic matter, repeated use

摘要：

MOFs@气凝胶相较于单一的MOFs具有超高的比表面积、较高的孔隙率、较好的聚合物相容性以及出色的结构孔隙等特性，可高效吸附去除水中污染物。介绍了MOFs@气凝胶的结构和理化性质以及MOFs@气凝胶的常用合成策略，并重点分析了合成策略的优缺点以及所面临的挑战；详述了MOFs@气凝胶对污水中重金属离子和有机化合物的吸附条件和吸附性能，对相关吸附机理做了系统总结和对比；阐述了MOFs@气凝胶在吸附水中污染物方面的可重复利用性。最后针对MOFs@气凝胶中MOFs的稳定性、气凝胶的基质材料、应用范围以及干燥技术等问题提出优化方向，指出提高MOFs@气凝胶的稳定性、探索新型基质材料、扩大MOFs@气凝胶的应用范围、探寻经济绿色的合成技术将是未来的研究方向。

关键词: MOFs@气凝胶, 合成, 吸附, 重金属, 有机物, 重复利用

CLC Number:

TQ427
X703

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Figures/Tables 8

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制备方法	优点	缺点
溶胶-凝胶法	合成的MOFs具有高度可控的分子结构组织；可构建MOFs@气凝胶的高阶结构；具有多功能性和可扩展性；产品纯度高	制备时间长；合成过程中气凝胶易产生收缩；参与反应的有机化合物可能有毒
溶剂热法	有机溶剂的低沸点可使其在同等条件下达到比水热法更高的气压，更利于产物结晶；通过改变温度、压力以及反应时间可控制晶体的生长；兼具溶胶-凝胶法和水热法的优点	前驱体是非水溶液，对环境有一定危害，如N，N-二甲基甲酰胺（DMF）；需要溶剂在温度>沸点和压力>100 kPa下进行化学反应，因此比较耗能
两步还原策略-逐层装配法	可避免使用第三方模板；可用常压干燥代替耗能的冷冻干燥；效率较高且节能	研究较少，报道文献仅有石墨烯基MOFs@气凝胶，且MOFs@气凝胶孔隙空间分布相对不均匀
HIPEs法	采用间歇工艺可在常温下制备超轻气凝胶；通过改变溶剂组成、MOFs类型等可调节孔隙率和结构；不需洗涤或分离等复杂的后处理	连续HIPEs工艺在MOFs@气凝胶制备中未见报道；HIPEs介导的批处理工艺不适用于大规模制备

制备方法	优点	缺点
溶胶-凝胶法	合成的MOFs具有高度可控的分子结构组织；可构建MOFs@气凝胶的高阶结构；具有多功能性和可扩展性；产品纯度高	制备时间长；合成过程中气凝胶易产生收缩；参与反应的有机化合物可能有毒
溶剂热法	有机溶剂的低沸点可使其在同等条件下达到比水热法更高的气压，更利于产物结晶；通过改变温度、压力以及反应时间可控制晶体的生长；兼具溶胶-凝胶法和水热法的优点	前驱体是非水溶液，对环境有一定危害，如N，N-二甲基甲酰胺（DMF）；需要溶剂在温度>沸点和压力>100 kPa下进行化学反应，因此比较耗能
两步还原策略-逐层装配法	可避免使用第三方模板；可用常压干燥代替耗能的冷冻干燥；效率较高且节能	研究较少，报道文献仅有石墨烯基MOFs@气凝胶，且MOFs@气凝胶孔隙空间分布相对不均匀
HIPEs法	采用间歇工艺可在常温下制备超轻气凝胶；通过改变溶剂组成、MOFs类型等可调节孔隙率和结构；不需洗涤或分离等复杂的后处理	连续HIPEs工艺在MOFs@气凝胶制备中未见报道；HIPEs介导的批处理工艺不适用于大规模制备

MOFs@气凝胶吸附剂	污染物	主要吸附机理	文献来源
UNCAM	Pb²⁺	单层吸附、化学吸附以及N和Pb²⁺配位作用	〔33〕
UiO-66-NH₂@CA	Pb²⁺	—NH₂与Pb²⁺的配位作用	〔34〕
ZIF-8/rGA	Pb²⁺	—OH（带负电）和Pb²⁺的电荷吸附作用	〔22〕
ZIF-8@CA	Cr（Ⅵ）	化学吸附（N-吡啶基团分布密集）	〔35〕
UiO-66纤维素气凝胶	Cr（Ⅵ）	物理吸附（大孔易接近性和中孔毛细管效应）	〔18〕
MOFs-808-EDTA@TCNF	Cu²⁺	静电吸附作用	〔36〕

MOFs@气凝胶吸附剂	污染物	主要吸附机理	文献来源
UNCAM	Pb²⁺	单层吸附、化学吸附以及N和Pb²⁺配位作用	〔33〕
UiO-66-NH₂@CA	Pb²⁺	—NH₂与Pb²⁺的配位作用	〔34〕
ZIF-8/rGA	Pb²⁺	—OH（带负电）和Pb²⁺的电荷吸附作用	〔22〕
ZIF-8@CA	Cr（Ⅵ）	化学吸附（N-吡啶基团分布密集）	〔35〕
UiO-66纤维素气凝胶	Cr（Ⅵ）	物理吸附（大孔易接近性和中孔毛细管效应）	〔18〕
MOFs-808-EDTA@TCNF	Cu²⁺	静电吸附作用	〔36〕

MOFs@气凝胶吸附剂	污染物	主要吸附机理	文献来源
UIO-66/纤维素气凝胶	甲基橙（MO）	Zr—OH通过氢键与纤维素链上的羟基配位作用	〔37〕
NH₂-MIL-88（b）@CA和NH₂-MIL-101@CA	刚果红（CR）	氨基和磺酸阴离子的静电吸附作用	〔28〕
Cu₃（BTC）₂MOA	亚甲基蓝（MB）	静电吸附作用	〔32〕
MOFs-199@AFGO/CS	甲基橙（MO）	配位作用和静电吸附作用	〔38〕
铁基金属-有机气凝胶	氯苯	MOFs@气凝胶对苯二甲酸基团与氯苯芳香族环之间的π-π叠加作用	〔39〕

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