《Science》報導「神級」納米膜,過濾性能提高兩個數量級

2021-02-13 X-MOL資訊

工業化學反應或生物合成過程很少能得到純的產品，通常需要費時且耗能的額外分離步驟，而分離成本往往是產品成本的最大組成部分。膜過濾被業界認為是最有效的分離方法之一，但在經常接觸有機溶劑的情況下，現有的過濾膜很難長期穩定地工作。


聚醯胺納米膜。圖片來源：Imperial College London

近期，倫敦帝國理工學院（Imperial College London）的Andrew Livingston教授領導的團隊已經開發出了一種新型聚醯胺納米膜，厚度不到10納米（幾乎和細胞膜一樣厚），而且剛性和強度足夠應付超快速的過濾分離。


圖片來源：Imperial College London

該團隊通過受控界面聚合來製造該納米膜。首先，他們首先利用可除去的氫氧化鉻「犧牲」納米層製備了間苯二胺（MPD）—均苯三甲醯氯（TMC）高度交聯膜，其末端羧酸基團在一個表面上。然後，多層這種交聯膜被分別插入到具有「褶皺」質地的複合膜中。「褶皺」可以增加膜的表面積，科學家們通過控制界面聚合的條件（比如間苯二胺的濃度）來控制「褶皺」的程度。


測試結果顯示，該納米膜在允許溶劑快速通過的情況下仍具有很高的溶質保留能力，以常用的乙腈溶劑為例，其濾過速率達到驚人的112升/平方米•小時•bar。「在相同的溶質保留度下，這比市售膜的滲透性高兩個數量級……」該團隊在他們近期發表於《Science》上的論文中寫到。

除了這一優點，該納米膜還能在有機溶劑環境下能長期保持結構穩定性，其結構還可承受加壓過濾所用的壓力。如果成功應用與工業，該納米膜可以大幅降低膜過濾過程中的能耗，並可以最大程度的方便溶劑、反應物、產物、催化劑等資源的回收。

同一期《Science》上發表的對該研究成果的評論中，以色列技術研究所的Viatcheslav Freger教授認為這一成果將使化學合成「更有效更環保」，所用到的「界面聚合」反應「是一個非常簡單的過程，可以實現高選擇性膜的生產並同時保證膜非常薄且無缺陷。」

新加坡國立大學的膜分離專家Neal Tai-Shung Chung教授說，「這篇文章很有意思，為超薄膜的分子設計開闢了一個全新的視角。」

1. http://www.sciencemag.org/content/348/6241/1347.short

2. http://www.sciencemag.org/content/348/6241/1317.summary

3. http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/06/ultra-thin-membranes-solute-separation

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