近日，我校化学与化工学院张根教授团队在共价有机框架膜高效去除水中痕量新兴有机污染物领域取得重大突破，相关研究成果以“Covalent Organic Framework Membrane for Efficient Removal of Emerging Trace Organic Contaminants from Water”为题，在Nature子刊《自然•水》（Nature Water，影响因子53.0）上发表，我校为该工作的第一完成单位和通讯单位，2021级博士生刘彤彤为论文第一作者，南京理工大学张根教授、苏冠勇教授和兰州大学王锐院士为论文共同通讯作者。文章链接为：https://www.nature.com/articles/s44221-023-00162-w
新兴痕量有机污染物（TrOCs），如药物及个人护理品（PPCPs）、多环芳烃（PAHs）、内分泌干扰物（EDCs）、全氟类化合物（PFOS）等，是一类分子量小、毒性高、耐久性强、生物蓄积性高的有害污染物。TrOCs遍布城市供水系统及水陆生态系统，对人类健康和生态系统构成严重的危害，迫切需要从水体中去除。膜技术被认为是一种高效滤除水中高危污染物可持续的方法。然而，由于TrOCs分子尺寸小（亚纳米级）、迁移性高，传统商业化纳滤膜（NF）或反渗透膜（RO）无法使其在饮用水净化、污水厂处理和地下水过滤等过程中去除。因此，迫切需要通过技术创新来去除这些痕量有机污染物。
图1.不同孔径COF膜的制备工艺
鉴于此，张根教授、苏冠勇教授和兰州大学王锐院士通力合作，利用共价有机框架膜（COF）规则的孔道结构以及易于功能化的特点，开发了一种自下而上的侧链工程策略（图1），实现了COF膜孔径从0.3到0.8纳米的精准调控，高效滤除了亚纳米尺寸的有机小分子污染物，包括柠檬酸酯类增塑剂、硝基多环芳烃、有机磷酸酯类阻燃剂和农药等，即使是分子尺寸小到0.35 nm的有机污染物（图2），也可实现高截留（截留率大于99%）和高通量（通量大于110 kg·m-2·h-1·MPa-1）。通过Hagen-Poiseuille流体理论，阐明了流体在纳米孔道中流速与流体的分子尺寸、粘度和总溶解度参数的关系，揭示了孔道限域传质的分子筛分机理。这类具有亚纳米尺寸的均孔COF膜实现了各种新兴有机污染物的高效去除，为痕量有机污染物的高效去除提供了新途径，保障环境水质安全和可持续发展。
图2.COF膜对各类新兴有机污染物高效去除
该工作得到了国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、中央高校基础科研业务费和软化学与功能材料教育部重点实验室、学校人事处和科研院的支持。
张根教授团队面向药物纯化、环境处理、绿色储能等应用基础研究需求，聚焦“新型功能有机多孔材料结构与性能调控”，以实现纳米到亚纳米尺度的分子和离子限域传质和分离为核心目标，努力构筑一个有特色的理论指导实验的研究平台，近年来取得的代表性创新成果有：Nat. Water. 2023, 10.1038/s44221-023-00162-w; Sci. Adv.2023, 9, eadi9442; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 5728; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202110695; J. Am. Chem. Soc.2020, 142, 21279; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 14357; J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 1227; Appl. Catal. B: Environ.2024, 342, 123418; Adv. Funct. Mater.2023, 2305082。
