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《Science》报道“神级”纳米膜,过滤性能提高两个数量级

工业化学反应或生物合成过程很少能得到纯的产品,通常需要费时且耗能的额外分离步骤,而分离成本往往是产品成本的最大组成部分。膜过滤被业界认为是最有效的分离方法之一,但在经常接触有机溶剂的情况下,现有的过滤膜很难长期稳定地工作。

聚酰胺纳米膜。图片来源:Imperial College London


近期,伦敦帝国理工学院(Imperial College London)的Andrew Livingston教授领导的团队已经开发出了一种新型聚酰胺纳米膜,厚度不到10纳米(几乎和细胞膜一样厚),而且刚性和强度足够应付超快速的过滤分离。

图片来源:Imperial College London


该团队通过受控界面聚合来制造该纳米膜。首先,他们首先利用可除去的氢氧化铬“牺牲”纳米层制备了间苯二胺(MPD)—均苯三甲酰氯(TMC)高度交联膜,其末端羧酸基团在一个表面上。然后,多层这种交联膜被分别插入到具有“褶皱”质地的复合膜中。“褶皱”可以增加膜的表面积,科学家们通过控制界面聚合的条件(比如间苯二胺的浓度)来控制“褶皱”的程度。

测试结果显示,该纳米膜在允许溶剂快速通过的情况下仍具有很高的溶质保留能力,以常用的乙腈溶剂为例,其滤过速率达到惊人的112升/平方米•小时•bar。“在相同的溶质保留度下,这比市售膜的渗透性高两个数量级……”该团队在他们近期发表于《Science》上的论文中写到。


除了这一优点,该纳米膜还能在有机溶剂环境下能长期保持结构稳定性,其结构还可承受加压过滤所用的压力。如果成功应用与工业,该纳米膜可以大幅降低膜过滤过程中的能耗,并可以最大程度的方便溶剂、反应物、产物、催化剂等资源的回收。


同一期《Science》上发表的对该研究成果的评论中,以色列技术研究所的Viatcheslav Freger教授认为这一成果将使化学合成“更有效更环保”,所用到的“界面聚合”反应“是一个非常简单的过程,可以实现高选择性膜的生产并同时保证膜非常薄且无缺陷。”


新加坡国立大学的膜分离专家Neal Tai-Shung Chung教授说,“这篇文章很有意思,为超薄膜的分子设计开辟了一个全新的视角。”


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