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[中國科學報]給納濾膜開辟高效通道

 篩子可以通過對孔徑大小的物理設置,輕易分離出想要剔除的東西。高性能納濾膜也像一個“篩子”,它在截留納米級物質中有著廣泛的應用,用于水軟化、發酵液濃縮、天然藥物分離等。然而,如何在滲透性和選擇性之間找到最好的平衡?如何既能滲透也能不留“污漬”?如何更加有效地分離分子量相近的物質?納濾膜面臨的難題要復雜得多。

近日,南京工業大學膜科學技術研究所教授孫世鵬團隊發表的研究成果中,首次利用環狀超分子葫蘆脲精密構筑了納濾膜的分離孔道和傳輸通道,提升了納濾膜的純水滲透率和抗污染性能,實現了水體系中小分子醇類高效截留,為解決上述問題提供了新的思路。

上述相關研究成果分別發表在《美國化學工程師學會雜志》《膜科學》和《納米快報》上,部分科研成果已經實現工業化生產和應用。

打造純水滲透新通道

“葫蘆脲里有個輸水的空腔,可以增加輸水的孔隙率?!蹦暇┕I大學助理教授曹雪麗和研究生郭嘉林發現的這個“秘密”,為高性能納濾膜如何更快濾水提供了新思路。

研究團隊立即在水相中加入了葫蘆脲?!昂J脲不溶于水,當它的酸性被調到pH 6.5時,葫蘆脲與水相中的哌嗪發生反應,產生一種輪烷通道?!辈苎愒趯嶒炛邪l現,大尺寸葫蘆脲對水相單體哌嗪的封裝,限制了其在界面聚合反應中的擴散,使新型納濾膜選擇層更薄,并獲得了更低的表面粗糙度,“純水滲透率高于傳統聚酰胺納濾膜的3~5倍”。

南京工業大學研究生劉美玲和唐銘健在另外一項研究中,同樣利用界面聚合法,除了在水相中加入了葫蘆脲,還添加了大尺寸多胺(聚乙烯亞胺、三乙烯四胺等)?!昂J脲與多胺的結合,使得多胺在擴散過程中的自抑制性提高,膜表面出現了大量的納米鏈圖案,有效提升了膜的純水滲透率?!?/p>

提供產業化新思路

純水滲透率變高了,硫酸根離子和異丙醇會不會成“漏網之魚”?曹雪麗介紹說,葫蘆脲端口的大量羰基顯著增強了選擇層的負電特征,而硫酸根離子剛好也是負電性質,于是被高效截留,氯離子的透過率大幅提高。

水軟化技術是降低飲用水硬度、提升飲用水質量的重要手段,這需要從氯化鈉中除去硫酸鈉,在氯堿工業中,也需要從高濃度氯化鈉中分離出硫酸鈉。曹雪麗研究中制備的“葫蘆脲改性納濾膜”不僅提高了純水滲透率,也顯示出極佳的硫酸根離子與氯離子的分離性能,為水軟化和氯堿工業提供了新的思路。

在唐銘健的實驗中,異丙醇成為截留的對象。為了確保異丙醇最大程度地被截留,研究團隊經過反復試驗,通過調節葫蘆脲的濃度最終發現,當葫蘆脲的濃度調至0.06%左右,納濾膜對異丙醇的截留率最高。在篩選出的這張納濾膜上,異丙醇的質量分率從0.5%濃縮至9%。

“從0.5%到9%的提升正是生物發酵中成本最高、最難攻克的一個環節?!碧沏懡≌f。

據孫世鵬介紹,傳統發酵產出的異丙醇的濃度很低,需要進一步提純,而經過透醇膜和透水膜可以依次將異丙醇的濃度一步步提高到99%。然而,在低濃度(1%~8%)提純過程中,成本很高,這次他們制備的“多胺—葫蘆脲納濾膜”有望應用于生物發酵醇的預濃縮過程,為生物燃料等產品生產過程的節能降耗提供新思路。

在“葫蘆脲改性納濾膜”的基礎上,南京工業大學研究生蔡靜還引入了樹枝狀大分子,“大尺寸的樹枝狀大分子使膜表面粗糙度進一步降低,其富足的氨基使膜表面親水性提高,兩者都有益于提高膜表面的抗污染性能”。

讓成果更快更好落地

在江蘇省南京市浦口經濟技術開發區內,13800平方米的南京膜材料產業技術研究院有限公司里,從新型納濾膜的基礎研發到產業化生產線,一體化創新鏈條上,葫蘆脲改性納濾膜有了自己響亮的名字和產品——特種納濾膜系列。

據孫世鵬介紹,早在2016年12月,課題組就申請了“一種超分子復合納濾膜及其制備方法和應用”的發明專利,并于2018年8月獲批?!翱茖W研究和服務社會都是我們的使命所在,為了盡快實現工業化應用,我們優先申請了專利,然后不斷進行創新研究,發表相關系列論文?!?/p>

在江蘇省產業技術研究院和南京工業大學國家特種分離膜工程技術研究中心的支持下,超分子復合納濾膜技術已經走出實驗室,面向工業物料分離和家用純凈水等應用,開發出了多款商業產品,其中家用純凈水納濾膜元件性能已經達到國際領先水平。目前,特種納濾膜系列產品正在南京膜材料產業技術研究院有限公司開展市場化推廣。(本報記者 溫才妃

相關論文信息:https://doi.org/10.1002/aic.16879

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.117863

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00344

《中國科學報》2020年5月15日 第3版 轉移轉化  http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2020/5/355194.shtm

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