Review

Preparation of Covalent Organic Framework Membranes and Their Applications in Seawater Desalination and Water Treatment

  • Jiang Chenghao ,
  • Feng Xiao ,
  • Wang Bo
Expand
  • School of Chemistry and Chemical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081

Received date: 2020-03-25

  Online published: 2020-05-21

Supported by

Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 21922502, 21674012, 21625102, 21471018) and Beijing Institute of Technology Research Fund Program.

Abstract

The increasing shortage of freshwater resources and water pollution are important challenges facing the world, and vigorous development of seawater desalination and water treatment technologies is an effective way to alleviate this problem. In recent years, low energy consumption and green membrane-separation technology has been widely used in the fields of seawater desalination and water treatment. Covalent organic framework (COF) membranes are potential high-performance membrane separation materials due to their adjustable pore size and chemical environment. In this paper, the research progress of COF-membranes synthesis methodology is introduced in detail, the research of COF membranes in seawater desalination and water treatment is summarized, and the challenges and perspectives of COF membranes for seawater desalination and treatment are elaborated.

Cite this article

Jiang Chenghao , Feng Xiao , Wang Bo . Preparation of Covalent Organic Framework Membranes and Their Applications in Seawater Desalination and Water Treatment[J]. Acta Chimica Sinica, 2020 , 78(6) : 466 -477 . DOI: 10.6023/A20030088

References

[1] Service, R. F. Science 2006, 313, 1088.
[2] Elimelech, M. J. Water Supply Res. T. 2006, 55, 3.
[3] Elimelech, M.; Phillip, W. A. Science 2011, 333, 712.
[4] Werber, J. R.; Deshmukh, A.; Elimelech, M. Environ. Sci. Tech. Let. 2016, 3, 112.
[5] Cussler, E. L.; Dutta, B. K. AlChE J. 2012, 58, 3825.
[6] Hua, B.; Xiong, H.; Kadhom, M.; Wang, L.; Zhu, G.; Yang, J.; Cunningham, G.; Deng, B. Water Environ. Res. 2017, 89, 974.
[7] Shannon, M. A.; Bohn, P. W.; Elimelech, M.; Georgiadis, J. G.; Mariñas, B. J.; Mayes, A. M. Nature 2008, 452, 301.
[8] Qu, K. Y.; Han, Q. X Construction & Design for Project 2020, 02, 140(in Chinese). (曲科宇, 韩庆祥, 工程建设与设计, 2020, 02, 140.)
[9] Robeson, L. M. J. Membr. Sci. 2008, 320, 390.
[10] Gin, D. L.; Noble, R. D. Science 2011, 332, 674.
[11] Wang, S.; Feng, X.; Wang, B. Chin. Sci. Bull. 2018, 63, 2229.
[12] Huang, N.; Wang, P.; Jiang, D. L. Nat. Rev. Mater. 2016, 1. 1.
[13] Feng, X.; Ding, X. S.; Jiang, D. L. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 6010.
[14] Qian, H. L.; Yang, C. X.; Wang, W. L.; Yang, C.; Yan, X. P. J. Chromatogr. A 2018, 1542, 1.
[15] Kandambeth, S.; Dey, K.; Banerjee, R. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 1807.
[16] Li, L. L.; Liu, S.; Zhang, Q.; Hu, N. T.; Wei, L. M.; Yang, Z.; Wei, H. Acta Phys.-Chim. Sin. 2017, 33, 1960(in Chinese). (李路路, 刘帅, 章琴, 胡南滔, 魏良明, 杨志, 魏浩, 物理化学学报, 2017, 33, 1960.)
[17] Zhou, B.; Chen, L. Acta Chim. Sinica 2015, 73, 487(in Chinese). (周宝龙, 陈龙, 化学学报, 2015, 73, 487.)
[18] Wang, Z.; Li, H.; Yan, S.; Fang, Q. Acta Chim. Sinica 2020, 78, 63(in Chinese). (王志涛, 李辉, 颜士臣, 方千荣, 化学学报, 2020, 78, 63.)
[19] Cote, A. P.; Benin, A. I.; Ockwig, N. W.; O'Keeffe, M.; Matzger, A. J.; Yaghi, O. M. Science 2005, 310, 1166.
[20] Uribe-Romo, F. J.; Hunt, J. R.; Furukawa, H.; Klock, C.; O'Keeffe, M.; Yaghi, O. M. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 4570.
[21] Kuhn, P.; Antonietti, M.; Thomas, A. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 3450.
[22] Kandambeth, S.; Mallick, A.; Lukose, B.; Mane, M. V.; Heine, T.; Banerjee, R. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19524.
[23] Zhang, C.; Wu, B. H.; Ma, M. Q.; Wang, Z.; Xu, Z. K. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 3811.
[24] Wang, H.; Zeng, Z. T.; Xu, P.; Li, L. S.; Zeng, G. M.; Xiao, R.; Tang, Z. Y.; Huang, D. L.; Tang, L.; Lai, C.; Jiang, D. N.; Liu, Y.; Yi, H.; Qin, L.; Ye, S. J.; Ren, X. Y.; Tang, W. W. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 488.
[25] Yuan, S. S.; Li, X.; Zhu, J. Y.; Zhang, G.; Van Puyvelde, P.; Van der Bruggen, B. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 2665.
[26] Colson, J. W.; Woll, A. R.; Mukherjee, A.; Levendorf, M. P.; Spitler, E. L.; Shields, V. B.; Spencer, M. G.; Park, J.; Dichtel, W. R. Science 2011, 332, 228.
[27] Han, S. S.; Furukawa, H.; Yaghi, O. M.; Goddard, W. A. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11580.
[28] Sick, T.; Hufnagel, A. G.; Kampmann, J.; Kondofersky, I.; Calik, M.; Rotter, J. M.; Evans, A.; Doblinger, M.; Herbert, S.; Peters, K.; Bohm, D.; Knochel, P.; Medina, D. D.; Fattakhova-Rohlfing, D.; Bein, T. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 2085.
[29] Valentino, L.; Matsumoto, M.; Dichtel, W. R.; Marinas, B. J. Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 14352.
[30] Feldblyum, J. I.; McCreery, C. H.; Andrews, S. C.; Kurosawa, T.; Santos, E. J. G.; Duong, V.; Fang, L.; Ayzner, A. L.; Bao, Z. N. Chem. Commun. 2015, 51, 13894.
[31] Dai, W. Y.; Shao, F.; Szczerbinski, J.; McCaffrey, R.; Zenobi, R.; Jin, Y. H.; Schluter, A. D.; Zhang, W. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 213.
[32] Shinde, D. B.; Sheng, G.; Li, X.; Ostwal, M.; Emwas, A. H.; Huang, K. W.; Lai, Z. P. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 14342.
[33] Sahabudeen, H.; Qi, H. Y.; Glatz, B. A.; Tranca, D.; Dong, R. H.; Hou, Y.; Zhang, T.; Kuttner, C.; Lehnert, T.; Seifert, G.; Kaiser, U.; Fery, A.; Zheng, Z. K.; Feng, X. L. Nat. Commun. 2016, 7, 13461.
[34] Dey, K.; Pal, M.; Rout, K. C.; Kunjattu, H. S.; Das, A.; Mukherjee, R.; Kharul, U. K.; Banerjee, R. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13083.
[35] Matsumoto, M.; Dasari, R. R.; Ji, W.; Feriante, C. H.; Parker, T. C.; Marder, S. R.; Dichtel, W. R. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 4999.
[36] Matsumoto, M.; Valentino, L.; Stiehl, G. M.; Balch, H. B.; Corcos, A. R.; Wang, F.; Ralph, D. C.; Marinas, B. J.; Dichtel, W. R. Chem 2018, 4, 308.
[37] Zhou, D.; Tan, X. Y.; Wu, H. M.; Tian, L. H.; Li, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 1376.
[38] Zwaneveld, N. A. A.; Pawlak, R.; Abel, M.; Catalin, D.; Gigmes, D.; Bertin, D.; Porte, L. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 6678.
[39] Liu, X. H.; Guan, C. Z.; Ding, S. Y.; Wang, W.; Yan, H. J.; Wang, D.; Wan, L. J. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10470.
[40] Hao, Q.; Zhao, C.; Sun, B.; Lu, C.; Liu, J.; Liu, M.; Wan, L.-J.; Wang, D. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12152.
[41] Li, G.; Zhang, K.; Tsuru, T. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 8433.
[42] Burke, D. W.; Sun, C.; Castano, I.; Flanders, N. C.; Evans, A. M.; Vitaku, E.; McLeod, D. C.; Lambeth, R. H.; Chen, L. X.; Gianneschi, N. C.; Dichtel, W. R. Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 59, 2.
[43] Medina, D. D.; Rotter, J. M.; Hu, Y. H.; Dogru, M.; Werner, V.; Auras, F.; Markiewicz, J. T.; Knochel, P.; Bein, T. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1016.
[44] Bisbey, R. P.; DeBlase, C. R.; Smith, B. J.; Dichtel, W. R. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 11433.
[45] Sasmal, H. S.; Aiyappa, H. B.; Bhange, S. N.; Karak, S.; Halder, A.; Kurungot, S.; Banerjee, R. Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 10894.
[46] Kandambeth, S.; Biswal, B. P.; Chaudhari, H. D.; Rout, K. C.; Kunjattu, H. S.; Mitra, S.; Karak, S.; Das, A.; Mukherjee, R.; Kharul, U. K.; Banerjee, R. Adv. Mater. 2017, 29, 1603945.
[47] Halder, A.; Ghosh, M.; Khayum, M. A.; Bera, S.; Addicoat, M.; Sasmal, H. S.; Karak, S.; Kurungot, S.; Banerjee, R. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10941.
[48] Yang, H.; Wu, H.; Yao, Z. Q.; Shi, B. B.; Xu, Z.; Cheng, X. X.; Pan, F. S.; Liu, G. H.; Jiang, Z. Y.; Cao, X. Z. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 583.
[49] Duong, P. H. H.; Kuehl, V. A.; Mastorovich, B.; Hoberg, J. O.; Parkinson, B. A.; Li-Oakey, K. D. J. Membr. Sci. 2019, 574, 338.
[50] Mulzer, C. R.; Shen, L.; Bisbey, R. P.; McKone, J. R.; Zhang, N.; Abruña, H. D.; Dichtel, W. R. ACS Central Sci. 2016, 2, 667.
[51] Zhang, K.; He, Z.; Gupta, K. M.; Jiang, J. Environ. Sci.:Water Res. Technol. 2017, 3, 735.
[52] Gadwal, I.; Sheng, G.; Thankamony, R. L.; Liu, Y.; Li, H.; Lai, Z. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 12295.
[53] Wang, C. B.; Li, Z. Y.; Chen, J. X.; Li, Z.; Yin, Y. H.; Cao, L.; Zhong, Y. L.; Wu, H. J. Membr. Sci. 2017, 523, 273.
[54] Wu, M. Y.; Yuan, J. Q.; Wu, H.; Su, Y. L.; Yang, H.; You, X. D.; Zhang, R. N.; He, X. Y.; Khan, N. A.; Kasher, R.; Jiang, Z. Y. J. Membr. Sci. 2019, 576, 131.
[55] Kuehl, V. A.; Yin, J.; Duong, P. H. H.; Mastorovich, B.; Newell, B.; Li-Oakey, K. D.; Parkinson, B. A.; Hoberg, J. O. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 18200.
[56] Fan, H. W.; Gu, J. H.; Meng, H.; Knebel, A.; Caro, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 4083.
[57] Wang, R.; Shi, X. S.; Xiao, A. K.; Zhou, W.; Wang, Y. J. Membr. Sci. 2018, 566, 197.
[58] Pan, F. S.; Guo, W. X.; Su, Y. L.; Khan, N. A.; Yang, H.; Jiang, Z. Y. Sep. Purif. Technol. 2019, 215, 582.
[59] Zhang, W.; Zhang, L.; Zhao, H.; Li, B.; Ma, H. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 13331.
[60] Liu, C. H.; Park, E.; Jin, Y. H.; Liu, J.; Yu, Y. X.; Zhang, W.; Lei, S. B.; Hu, W. P. Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 8984.
[61] Xu, L.; Xu, J.; Shan, B.; Wang, X.; Gao, C. J. Membr. Sci. 2017, 526, 355.
[62] Yang, H.; Cheng, X. P.; Cheng, X. X.; Pan, F. S.; Wu, H.; Liu, G. H.; Song, Y. M.; Cao, X. Z.; Jiang, Z. Y. J. Membr. Sci. 2018, 565, 331.
[63] Fan, H. W.; Xie, Y. F.; Li, J. C.; Zhang, L.; Zheng, Q. Y.; Zhang, G. J. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 17602.
[64] Shao, P. P.; Li, J.; Chen, F.; Ma, L.; Li, Q. B.; Zhang, M. X.; Zhou, J. W.; Yin, A. X.; Feng, X.; Wang, B. Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 16501.
[65] Li, Y.; Wu, Q.; Guo, X.; Zhang, M.; Chen, B.; Wei, G.; Li, X.; Li, X.; Li, S.; Ma, L. Nat. Commun. 2020, 11, 599.
[66] Ying, Y.; Tong, M.; Ning, S.; Ravi, S. K.; Peh, S. B.; Tan, S. C.; Pennycook, S. J.; Zhao, D. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 4472.
Outlines

/