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苏州纳米所方望熹团队合作Nature Communications:微孔聚合物吸附分离膜实现有机小分子高效分离

  分子分离在日常生活、工业生产以及环境治理等过程中,例如水质净化、油气精炼、能源生产和储存、药物成分提取和纯化等领域有着广泛的应用。膜技术具有绿色可持续性、可规模化和分离过程高效等优势,日益成为分离纯化的研究热点。然而,膜材料存在渗透性和选择性之间的trade-off关系,制约了膜技术在分子分离应用领域的进一步发展。膜吸附是一种压力驱动的动态吸附过程,结合了吸附分离和膜分离的各自优势。与传统压力驱动分离膜相比,吸附分离膜利用膜内功能基团与溶质之间的相互作用,如静电相互作用、π-π相互作用、范德华力和氢键等,实现目标分子的高选择性吸附和快速分离。特别是对小分子有机物的分离而言,吸附分离膜有望兼具纳滤膜级别的高选择性与多孔膜的高渗透性,从而突破渗透-选择性的trade-off关系的制约。但由于传统吸附分离膜比表面积小、所包含的吸附位点有限,整体吸附容量较低,只能处理浓度非常低的料液;而且单次料液处理量较低,需要频繁的膜清洗与脱附再生,极大地影响了膜吸附技术的发展和实际应用范围的拓宽。 

  近日,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所方望熹研究员团队与苏州大学靳健教授团队合作,报道了一种具有固有微孔的酰胺肟基改性聚合物(AOPIM-1)膜吸附材料。酰胺肟基改性赋予微孔聚合物良好的溶液加工性能,并为选择性吸附带电分子提供了丰富的吸附位点(图1),赋予膜材料超高的选择性吸附能力。由于其独特的化学和物理结构,该膜材料的静态吸附能力大大超过了传统聚合物吸附材料,与MOF吸附材料相当(图2)。通过相转化成膜法制备的AOPIM-1不对称膜,在动态吸附过程中实现了对有机小分子(>99.9%)的高效去除,渗透通量比具有类似分离精度的传统纳滤膜高出两个数量级(图3),并且该分离性能在多次吸附-洗脱循环中保持稳定,通量保持率(FRR)大于98%(图4)。AOPIM-1膜对有机分子的动态处理容量达到26.1g m-2,远高于迄今为止报道的所有吸附膜材料,单次循环的处理能力为已报道膜材料的10-1000倍。研究中还尝试了该AOPIM-1膜对药物活性分子(APIs)的吸附分离,实现了对三元混合料液体系中APIs的高效吸附、多糖分子的高度截留和无机盐的快速透过(图5),证实了高处理容量的吸附膜材料可极大拓展膜吸附过程在实际分离场景中的应用潜力。 

  1. AOPIM-1不对称膜的制备 (a) AOPIM-1化学结构式及膜光学照片; (b) AOPIM-1 在不同pH下带电性变化;(c) 有机分子在微孔材料膜内吸附原理图; (d) AOPIM-1链间自由空间理论模拟;不同凝固浴条件下AOPIM-1不对称膜SEM图 (e)H2O:EtOH = 100:0 / (f) H2O:EtOH = 0:100 

  2. 不同pH值条件下的AOPIM-1聚合物静态吸附情况 (a) 不同pH值条件下的AOPIM-1氮气吸附曲线;(b)不同pH值条件下AOPIM-1对MO和MB染料分子吸附容量(c-d) 在pH=3和10时,AOPIM-1对MO和MB染料分子吸附曲线 

  3. AOPIM-1膜对染料分子的动态吸附 (a) AOPIM-1膜pH3-10之间的Zeta电位变化;(b) AOPIM-1膜的动态吸附性能表征 (pH = 3/10);(c, d) AOPIM-1膜对混合染料体系(MO/MB)分离 (10 ppm MO + 10 ppm MB, 0.2 MPa, pH = 3/10);(e) AOPIM-1吸附膜与报道的吸附膜性能比较;(f) AOPIM-1吸附膜与其他压力驱动膜性能比较 

  4. AOPIM-1膜多次吸脱附循环性能 (a) 多次吸脱附循环过程中膜通量及染料截留率的变化;(b-c) 原始膜、吸附饱和后的膜、脱附膜的氮气吸脱附曲线及孔径分析(d) 原始膜、吸附饱和后的膜、脱附膜光学照片 

  5. AOPIM-1吸附膜对药物活性分子体系的分离 (a) AOPIM-1吸附膜对API/多糖/盐混合体系的分离过程图;(b) AOPIM-1吸附膜对API/多糖/盐混合体系的吸附率及截留率 

    以上工作发表在Nature communications杂志上,论文第一作者为苏州大学王正宫副教授,苏州纳米所方望熹研究员和苏州大学靳健教授为论文的共同通讯作者。该工作得到科技部重点研发计划(2019YFA0705800)、国家自然科学基金(21988102, 51803145, 51873230)等项目支持。  

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