1. 研究目的与意义
1.1 研究背景
随着人类科学技术的进步，工业化和城市化的快速发展，环境污染也日趋严重，全球工业活动的增加导致有害重金属排放到自然水体中，这些重金属具有生物毒性或致癌性，对生态环境以及人体健康都有极大的危害。而随着人们生活水平的提高，人们对生活用水的安全也越发重视，水污染中重金属污染物处理方法因处理成本高、效果差、二次污染等实际问题难以实现绿色化学。铅是一种主要的水污染物，对人类健康和环境有重大负面影响。就健康而言，铅除了会导致肾脏、肝脏和生殖系统衰竭外，还会导致中枢神经系统损伤和大脑功能恶化。根据美国健康度量与评估研究所的数据，2015年，铅暴露导致15岁以上成年人死亡约50万人，死亡约900万人。铅通过电池制造商、铅冶炼厂、印刷和采矿业的排放废水扩散到自然水体中，对海洋环境产生不利影响。金属有机框架材料MOFs(Metal-Organic Frameworks)具有多孔结构和大比表面积的特点，可通过对有机配体进行设计实现准确快速吸附处理重金属污染物。
金属-有机骨架材料（MOFs）是由无机金属中心和桥连的有机配体以自组装的形式衔接而成的晶态多孔材料，主要包括 IRMOFs、MILs、ZIFs、UiO 和 ZrMOFs 五大系列。MOFs兼有刚性和柔性的同时，也存在机械强度低、固体成粉末状、化学稳定性差等缺点。已经研究的几种MOFs及其纳米复合材料作为铅的潜在吸附剂，一类流行的MOFs是MIL，如MIL-101-ED、Al-MIL-53-NH2/Fe3O4、MIL-53-NH2（M）、MIL-53-NH3（W）、MIL-68（M）、MIL-68（W）和MIL-100-PDA，其最大吸附容量分别为88、62.9、159.5、188.6、136.8、254.9和394.0 mg/g。对于锆基MOF，如DUT-67、UiO-66-NH2、UiO-66-NHC(S)NHMe和UiO-66-EDTA，它们的最大吸附容量分别为98.5、166.7、232.0和357.9 mg/g；而锌基MOF的吸附容量更高，为616.6 mg/g。然而，这些MOF仍然存在诸如涉及多步骤工艺的复杂合成、特别是在高Pb(II)浓度下的低去除效率、低选择性和再生困难等问题。针对这些问题，诞生了基于MOF的复合材料。该材料是一种以MOF为基体与金属纳米颗粒、聚合物和金属氧化物等功能材料相结合而制成的复合材料。通过将MOFs的多孔性、较大的比表面积以及可调节的孔径与其它物质相组合，从而达到更好的应用效果。
随着水污染问题加聚，国民越来越重视饮用水水质。对于饮用水水质的判断，国外采用单项指标法要求，我国则采用常规指标及限值两种参考指标。目前饮用水中常见的污染物有以下几种：颗粒物、有机物、氯消毒副产物、重金属、无机污染物。欧美国家90%以上的家庭会使用净水器，与之相比我国使用家庭净水器的比例偏低。但随着人们对水质问题的重视程度越来越高，我国居民对净水器的需求日益增大。长期在野外的工作者、旅行人员、野外探险家以及执行任务的官兵等需要就地取水饮用,而野外水源中往往存在污染，然而多数净水装置存在体积大，不易携带等问题，同时一般净水器滤芯对颗粒物、有机物、余氯、重金属离子的净化效能效用并不是十分显著，为了让人们能随时随地喝到干净、安全的水，设计一款基于MOF基复合材料的滤芯及便携净水瓶显得十分重要。
1.2 研究目的与意义
现如今，净水装置在人们的日常生活中的应用也越发普及，而多数净水装置存在体积大，不易携带等问题，为了让人们能随时随地喝到干净、安全的水，设计一款便携式净水瓶显得十分重要。本课题拟以金属有机骨架材料结合活性炭等作为滤芯主要材料，通过查阅近年来相关研究的科技文献资料，特别是对重金属、染料等具有良好吸附性能的金属有机骨架材料的相关文献，结合目前市场上的商业化生活用水过滤装置，比如一些小型的净水壶等，开展基于MOF基复合材料的滤芯及便携净水瓶的设计。
2. 研究内容和预期目标
2.1 主要研究内容
1. 设计并绘制便携净水瓶整体结构设计图；
2. 设计并绘制净水瓶零件设计图；
3. 设计的净水瓶的净水能力的理论计算；
4. MOF的设计合成相关实验数据；
5. 经济核算。
2.2 预期目标
1. 完成设计图纸绘制；
2. 完成便携净水瓶模型制作；
3. 完成理论计算及经济核算；
4. 利用模型装置对设计效果进行校核，并完善设计。
3. 研究的方法与步骤
1. 查阅课题相关资料，熟悉课题背景资料，根据相关资料，结合目前市场上的商业化生活用水过滤装置，开展方案设计，完成设计图纸绘制；
2. 为了方便使用，设计一款复合式滤芯（PP棉、活性炭、MOF基复合材料）以延长滤芯使用寿命和提升净水性能，UiO-67MOF与硫脲和脒基硫脲接枝制备MOF基复合材料。
3. 完成便携净水瓶模型制作，用CAD绘制图纸，图纸包括净水瓶整体结构的设计图，净水瓶的零件图（滤芯等零件图纸），根据净水瓶材质和滤芯制作完成理论计算及经济核算；
4. 利用模型装置对设计效果进行校核，并完善设计。
4. 参考文献
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[3]Wang LY, Fang MQ, Liu J, et al. Layer-by-layer fabrication of high-performance polyamide/ZIF-8 nanocomposite membrane for nanofiltration applications[J]. ACS Applied Materials amp; Interfaces, 2015, 7(43): 24082-24093.
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5. 计划与进度安排
1. 2024.12.19～2024.02.19
查阅市面上净水瓶相关资料，熟悉课题背景资料。
2. 2024.02.20～2024.03.12:
建立设计流程和阶段目标，根据查阅资料和设计目的撰写开题报告。
3. 2024.03.13～2024.04.02:
结合初步实验数据，开展方案设计，确定设计材料选取，完成毕业论文前言部分。
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