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文 | 薛铮铮aa

编辑 | 薛铮铮aa

【资料图】

«——【·前言·】——»

随着工业和科技的发展，材料科学所涉及的领域也越来越多。其中，金属有机框架和塑料作为两种应用广泛的材料，正逐渐受到人们的关注。

塑料废物管理不善会导致这些垃圾在生活环境中随处可在，尽管塑料是耐用且持久的材料，但由于风化原因，塑料会变成颗粒尺寸小至纳米的碎片。

这些固体微污染物的归宿和生态毒理学影响尚不完全清楚，但它们正在引起人们对环境和健康的日益关注。MOF 是很有前途的吸附剂，特别是当 MOF 集成到多孔复合材料或膜中时，它们能够确保高去除效率、优异的水通量和防污性能，即使存在其他溶解的共同污染物。

金属有机框架（MOFs）是具有独特性质的结晶纳米多孔材料，具有独特的性能。如强配位键、大而坚固的多孔结构、高吸附能力，这使它们成为微污染物的合适吸附材料。

«——【·微塑料和纳米塑料·】——»

塑料制品如今十分普遍，它的使用数量呈指数上升，囤积的塑料废品已经超过了我们处理它们的能力。不正确的处理塑料材料，尤其是一次性使用的塑料材料，会迅速导致塑料在环境中的堆积。

这种长期并且无处不在的污染物折磨着土地、水道和海洋，给野生动物及其栖息地以及人类带来问题。

MP 和 NP 的主要来源和命运

一旦进入自然环境，塑料碎片经过阳光、风和海浪的不断作用，会被分解成更小的颗粒，即所谓的微塑料（MPs，大小在0.1μm至5mm之间）和纳米塑料（NPs，大小在1nm至100nm之间）。

MPs / NPs也可能是通过制造和转化过程中的机械磨损而产生的，并经常有意向各种日常用品中添加。

自然环境中的微塑碎片

MPs / NPs 可以轻易地传播到全球的每一个角落, 是最具挑战性的微污染物之一，几乎不可能恢复。目前在市政饮用水系统、食品、水生生物、动物和人体组织血液中都已经发现了MPs / NPs。

MPs/NPs（微塑料/纳米塑料）可以表现出不同的物理结构，如纤维、珠子、片材或具有多分散尺寸分布的不规则碎片。

无法及时处理的一次性塑料

它们可能具有多孔结构，并且根据它们的大小和密度可以形成聚集体或胶体悬浮液。从化学角度来看，MPs/NPs由有机聚合物链组成，这些链可能是线性或支化的，具有非常不同的结构和化学组成，通常与功能性添加剂混合使用，包括有机染料。

MPs/NPs虽然被认为是相对惰性的，但它们可以吸附溶解的有害污染物。例如重金属、有机化学品或药物化合物以及病原体，一旦接触它们的表面，就会加剧它们的生态毒性效应，从而进一步增加对人类和其他生物的健康风险。

MPs/NPs本质上是中性的，但它们中的大部分可以吸附共存的污染物和风化过程导致具有净不均匀的表面电荷。MPs/NPs的粒子大小主要决定它们的吸附能力以及它们的环境命运。

由于纳米颗粒具有比微塑料更大的表面积和更多可访问的结合位点，因此它们通常显示出比微塑料更高的吸附速率。

金属有机框架（MOFs），也称为多孔配位聚合物（PCPs），是类似新的晶体纳米多孔材料，通过双齿或多齿有机配体与金属离子核或金属团簇的配位生成。

一般来说，MOFs具有独特的性质，如强的配位键，大而坚固的孔结构和可访问的表面积，以及高吸附容量，使它们成为废水处理的合适吸附剂材料，特别是对于微污染物的去除，取得了很高的性能。

所有这些特点，以及它们可以显示的增强催化活性，为生产用于从水和废水中去除微塑料/纳米塑料的新型先进吸附剂材料提供了令人兴奋的机会，它们有望降解微塑料/纳米塑料。

包括复合材料和创新的MOF改性膜过滤系统在内的MOFs和基于MOF的材料，为单一过程同时去除微塑料/纳米塑料和其他共存的微污染物提供了机会。

通过太阳光照射，微塑料/纳米塑料还可以产生一定量的溶解有机碳（DOC），激活聚合物链的光解裂解，引起水中短链片段，光氧化产物，单体和添加剂的释放。MOFs可以通过吸附其多孔网络中的低分子量污染物来捕获所有这些污染物。

«——【·MOFs 作为吸附剂·】——»

吸附可以被认为是一种从水中去除微塑料颗粒/纳米颗粒的常用技术。它环保且经济实惠，由于工作条件通常较温和，需要低能耗，并且不会产生副产品。碳基材料和层状双氢氧化物已被研究作为可能的去除水中微塑料颗粒的吸附剂。然而，它们没有专门的功能针对不同类型的微塑料颗粒，并且显示出较低的吸附容量。

由于其高活性表面积和孔隙度、表面电荷、可调节的粒子大小和功能团，MOFs可能潜在地吸附微塑料颗粒/纳米颗粒和其他可能的共污染物质。微塑料颗粒和纳米颗粒的尺寸比MOF孔径大得多，因此这些颗粒不太可能被吸附在MOF的孔隙网络内。

不同性质的多种相互作用（电静力相互作用、氢键或堆积作用力相互作用）可以发生在富含功能团的外部MOF表面和微塑料颗粒/纳米颗粒之间 。

由于MOFs是极其灵活的材料，表面功能可以被轻松地设计和定制，以最大化这些相互作用，还取决于微塑料和纳米颗粒的组成，以及目标附加可溶性分析物。

在这方面，MOFs提供了一次性去除固体微塑料颗粒/纳米颗粒和其他溶解污染物的可能性，这些污染物通常出现在复杂的混合物中。

如果MOFs对塑料聚合物具有任何催化活性，则可以同时完成产物的降解和吸附。

«——【·MOF基复合材料·】——»

MOF基多孔复合材料的开发对于分离和异相催化以及水处理方面非常重要，因为它们可以方便地使用和加工。与单一组分相比，MOF基复合材料可能表现出更好的性能。

2020年，一种基于MOF的复合材料用于去除微塑料/纳米颗粒的概念首次出现。最初选择烷基泡沫(MF)作为载体，这是一种具有高强度和稳定性的软性材料，用于支持一系列基于MOFs（UiO-66-X，其中X=H，NH2，OH，Br和NO2）的范围内变化。

MOF负载量在4.4-25.8重量％范围内变化，复合材料应用于过滤不同浓度溶胶（0.5至2.0克/升）中包含聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和PS微塑料（平均尺寸在180-322nm范围内）的水/乙醇混合物（3：1）或模拟海水环境。

MOF负载量为25.4重量％的复合材料表现最佳，可以有效去除PVDF微塑料，去除效率高达95.5％，并在多个过滤周期中保持了较高的性能。

«——【·基于 MOF 的膜·】——»

压力驱动的膜处理是水和废水处理的成熟技术。它们确保高选择性、降低能量利用率、可能设计连续流模式操作以及形成模块化、紧凑且易于扩展的系统。

用于水和废水处理的标准膜通常由合适选择和设计的合成有机聚合物制成，以在不同的水介质中达到最高的性能，这取决于溶液和溶质的特性，包括溶解盐的存在、pH值和温度，以及溶质的化学组成、功能团的存在、粒径和亲水性。

膜分离的基础有三种主要机制：筛选、排斥电荷（在有电荷的溶解物物种和膜表面之间产生的）以及吸附。

不同种类的膜已经被用于从水和废水中去除MPs / NPs，其中超滤膜表现出更好的性能。然而，聚合物膜具有一些缺点，例如亲水性和抗污染性低、机械稳定性和化学惰性有限，这极大地阻碍了它们在广泛应用中的使用。

MPs / NPs的浓度，特别是当涉及到NPs时，可能会深刻地影响常规膜过滤过程的性能，尤其是纳米和超滤。颗粒物的积累和结块可能会导致孔隙污染或穿透膜表面，从而降低其过滤能力，无论是在跨膜通量还是保留能力方面。

通过将新型纳米材料纳入聚合物基质中来改性膜，已被提出作为一种优越的技术，用来克服这些限制。使用MOFs作为非惯性填料开发膜代表了一个未经充分探索的有效去除MPs / NPs及其共污染物的平台。

迄今为止，仅有一种纳滤膜包含MOFs用于从水中除去MPs的例子，同时没有去除NPs的基于MOFs的膜的例子。

«——【·用于 MP/NP 降解的 MOF·】——»

为了被认为是有效的，显然 remediation 策略必须与高效的废物管理相辅相成。近年来，通过将塑料废物转化为其单体构成或增值产品的新方法的开发已经成为实现聚合物生命周期循环经济概念的一个基本目标。

像PE、PP、PS 和PC等其他热塑性聚合物一样，PET可以通过高温融化过程进行回收利用，并重新整合为新产品 。这种回收技术消耗大量能源，并且在融化时产生较低级别的聚合物，具有降低的热和力学稳定性，从而限制了这种技术的应用范围，其循环次数也较少。

化学降解 PET 和其他塑料成分是另一种工业可行的方法 。然而通过在催化剂的存在下在高温条件下处理塑料的热解或催化裂化，需要使用高度酸性的沸石。例如 ZSM-5 和 H-Y需要大量的能源或排放有毒气体，会对环境产生负面影响。

其他化学过程，包括水解、甲醇解、乙二醇解、氨解和酸碱催化的水解，被用于将PET或其他可水解聚合物，例如PLA和PU降解成它们的起始单体。

«——【·结论·】——»

总的来说，金属有机框架和塑料都是具有广泛应用前景的材料，它们之间的相互作用和融合，将进一步推动材料科学的发展。

将 MOF 作为吸附材料包含在膜或其他基于 MOF 的复合材料中可能会产生高成本，可以通过实施新的合成路线来减轻成本，其中可以包括使用更便宜的化学品和程序。

碎塑料垃圾

使用回收废物作为金属有机配体的来源可以帮助部分解决这个问题，也有助于实施更环保的 MOF 生产方法。但从回收废物中提取的 MOF 最严重的缺点之一是：由于杂质的夹杂或晶体结构中缺陷的形成，它们的活性多孔面积可能会减少。

我们期待在不久的将来，这些材料能够为人类创造出更多的机遇和价值。

参考文献

1.Introduction to Chemistry" by Richard Bauer and James Birk

2.Organic Chemistry" by Francis A. Carey and Robert M. Giuliano

3.Physical Chemistry" by Peter Atkins and Julio de Paula

4.Inorganic Chemistry" by Catherine E. Housecroft and Alan G. Sharpe

5.Chemical Principles: The Quest for Insight" by Peter Atkins and Loretta Jones

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