金屬有機骨架材料於水處理之應用

刊登日期:2014/12/5
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金屬有機骨架( Metal-organic Frameworks;MOFs )材料是一種新型的高結晶性有機/無機複合錯合物,藉由金屬離子或含金屬團簇構成的次級結構單元( Second-Building Unit; SBU )與多牙有機配位基,透過配位鍵組裝而成,具備結構多樣性與可調控性、高比表面積及熱穩定性等的特性。利用多孔 MOFs材料孔隙的大小和形狀以及主客體之間的相互作用,此材料在吸附、氣體儲存、分離、催化及藥物傳遞等方面有諸多應用,為近年來極受國際重視的奈米材料。基於MOFs材料的特殊結構特性以及物理與化學性質,本文將敘述 MOFs的材料特性,並進一步探究其於水資源領域的發展前景。

MOFs之製備與材料特性 MOFs是藉由金屬離子或含金屬簇團構成的次級結構單元與多牙有機配位基,透過配位鍵組裝而成的多孔結構(圖一)。其發展至今,目前的合成方法有室溫合成法、傳統的電加熱法( Conventional Electric Heating )、微波法( Microwave Heating )、電化學法( Electrochemistry )、機械化學法( Mechanochemistry )以及超音波方法( Ultrasonic Methods )(圖二)。MOFs反應之產物形態非常多元,藉由不同合成方法以及金屬離子或次級結構單元與多牙有機配位基的選擇,可控制其結構大小、孔徑尺寸與孔洞形狀,其產物形式則有粉末、薄膜等。

MOFs在廢水處理中的應用
廢水中有害物質種類繁多,但整體上分為有機物與無機物兩大類,本文將說明 MOFs 材料於重金屬廢液與含難分解有機之處理,以探討 MOFs 材料於水處理吸附材料應用的契機。

1. MOFs 於重金屬離子吸附的應用
工業或科技業製程所產生的含金屬廢水種類繁多,例如 Hg2+、Cd2+、Cu2+、Ni2+ 與 As5+ 等,對此,如何有效吸附重金屬離子並脫附,以進行金屬原料再生利用,為重要的材料研發目標。文獻上有研究團隊利用MOFs材料易於調控結構、改質與高比表面積等特性,進行重金屬離子的吸附研究。He等利用硫醚( CH3SCH2CH2S- )對含 Zn 之 MOFs 材料進行改質,使該材料提高其於水中的穩定性以及材料的吸附活性,且藉由 HgCl2 與 MOFs 的硫醚作用,使 Hg2+ 得以被吸附於 MOFs 孔洞中(圖四)。其吸附結果顯示,硫醚改質後的 MOFs 可有效吸附乙醇溶液中的 Hg2+,在 HgCl2 的濃度低至 84 mg/L時,其對 Hg2+ 的去除率可達到 94%,此外,吸附 Hg2+ 後的 MOFs 可利用極性溶進行 Hg2+ 脫附。


圖四、HgCl 2於硫醚改質的 MOF s 中的吸附
示意圖

2. MOFs於有機物吸附的應用
廢水中除重金屬會對環境與人體造成嚴重影響外,對於處理廢水中微量且具毒性之難分解有機物,如苯與酚類物質,亦是目前水處理技術極需發展的研發目標。近年,Jhung 等利用微波法合成出 {Cr3F(H2O)2O[C6H4(CO2)2]3 • nH2O} (n~25)(MIL-101)。其研究結果顯示,在 T =30˚C與 P/P0 = 0.5的條件下,MIL-101對水溶液中苯的吸附量達 16.7 mmol/g,遠超過 SBA-15(BET = 805 m2/g,吸附量=3.0mmol/g)、HZSM-沸石(BET = 550 m2/g,吸附量= 1.9 mmol/g)與活性碳(BET =1,600 m2/g,吸附量= 8.0 mmol/g)(圖九)。而目前以瀝青所製備之高比表面積的活性碳(BET = 2,600~3,600 m2/g),其對苯的吸附量也 ……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖九、
MIL-101、SBA-15、H-ZSM與Active Carbon對苯之Sorption Isotherms示意圖

作者:何佳樺/工研院材化所
★完整內容請見下方檔案。 


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