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    微孔聚合物吸附分離膜實現有機小分子高效分離
    蘇州納米所創新實驗室 方望熹 / 時間:2022-07-25 11:02:09

    蘇州納米所方望熹團隊合作Nature Communications:

    微孔聚合物吸附分離膜實現有機小分子高效分離

    中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所7月22日訊:分子分離在日常生活、工業生產以及環境治理等過程中,例如水質凈化、油氣精煉、能源生產和儲存、藥物成分提取和純化等領域有著廣泛的應用。膜技術具有綠色可持續性、可規?;头蛛x過程高效等優勢,日益成為分離純化的研究熱點。然而,膜材料存在滲透性和選擇性之間的trade-off關系,制約了膜技術在分子分離應用領域的進一步發展。膜吸附是一種壓力驅動的動態吸附過程,結合了吸附分離和膜分離的各自優勢。與傳統壓力驅動分離膜相比,吸附分離膜利用膜內功能基團與溶質之間的相互作用,如靜電相互作用、π-π相互作用、范德華力和氫鍵等,實現目標分子的高選擇性吸附和快速分離。特別是對小分子有機物的分離而言,吸附分離膜有望兼具納濾膜級別的高選擇性與多孔膜的高滲透性,從而突破滲透-選擇性的trade-off關系的制約。但由于傳統吸附分離膜比表面積小、所包含的吸附位點有限,整體吸附容量較低,只能處理濃度非常低的料液;而且單次料液處理量較低,需要頻繁的膜清洗與脫附再生,極大地影響了膜吸附技術的發展和實際應用范圍的拓寬。 

    近日,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所方望熹研究員團隊與蘇州大學靳健教授團隊合作,報道了一種具有固有微孔的酰胺肟基改性聚合物(AOPIM-1)膜吸附材料。酰胺肟基改性賦予微孔聚合物良好的溶液加工性能,并為選擇性吸附帶電分子提供了豐富的吸附位點(圖1),賦予膜材料超高的選擇性吸附能力。由于其獨特的化學和物理結構,該膜材料的靜態吸附能力大大超過了傳統聚合物吸附材料,與MOF吸附材料相當(圖2)。通過相轉化成膜法制備的AOPIM-1不對稱膜,在動態吸附過程中實現了對有機小分子(>99.9%)的高效去除,滲透通量比具有類似分離精度的傳統納濾膜高出兩個數量級(圖3),并且該分離性能在多次吸附-洗脫循環中保持穩定,通量保持率(FRR)大于98%(圖4)。AOPIM-1膜對有機分子的動態處理容量達到26.1g m-2,遠高于迄今為止報道的所有吸附膜材料,單次循環的處理能力為已報道膜材料的10-1000倍。研究中還嘗試了該AOPIM-1膜對藥物活性分子(APIs)的吸附分離,實現了對三元混合料液體系中APIs的高效吸附、多糖分子的高度截留和無機鹽的快速透過(圖5),證實了高處理容量的吸附膜材料可極大拓展膜吸附過程在實際分離場景中的應用潛力。 

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    圖1. AOPIM-1不對稱膜的制備 (a) AOPIM-1化學結構式及膜光學照片; (b) AOPIM-1 在不同pH下帶電性變化;(c) 有機分子在微孔材料膜內吸附原理圖; (d) AOPIM-1鏈間自由空間理論模擬;不同凝固浴條件下AOPIM-1不對稱膜SEM圖 (e)H2O:EtOH = 100:0 / (f) H2O:EtOH = 0:100 

    以上工作發表在Nature communications雜志上,論文第一作者為蘇州大學王正宮副教授,蘇州納米所方望熹研究員和蘇州大學靳健教授為論文的共同通訊作者。該工作得到科技部重點研發計劃(2019YFA0705800)、國家自然科學基金(21988102, 51803145, 51873230)等項目支持。

    詳情見中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所網站

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