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[中国化工报]葫芦脲纳滤膜透水分离抗污三不误  

时间:2020-05-18 来源: 作者:朱琳 摄影: 编辑:赵蕾 上传:
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就像一把“筛子”,高性能纳滤膜在截留纳米级物质中有着广泛的应用:水软化、发酵液浓缩、天然药物分离等。然而,如何在渗透性和选择性之间找到最好的平衡,既能渗透也能不留“污渍”,并更加有效地分离相对分子质量相近的物质呢?纳滤膜面临的难题要比生活中的“筛子”复杂得多。

近日,2020欧洲杯竞猜app-外围网址滚球投注膜科学技术研究所孙世鹏教授团队首次利用环状超分子葫芦脲开展了主客体强化界面聚合纳滤膜的系列研究,精密构筑了纳滤膜的分离孔道和传输通道,提升了纳滤膜的纯水渗透率和抗污染性能,实现了水体系中小分子醇类高效截留,为解决上述问题提供了新的思路。

纯水渗透快又多

“葫芦脲里有个输水的空腔,可以增加输水的孔隙率。”该团队成员助理教授曹雪丽介绍说,这为高性能纳滤膜如何更快滤水提供了一种思路。

研究团队立即在水相中加入了葫芦脲。据孙世鹏介绍,纳滤膜由水相和油相组成,两者中间有一个界面,一般情况下,水相里面的哌嗪和油相里的均苯三甲酰氯反应形成一个聚酰胺网络通道,通过这个通道,硫酸根和异丙醇被截留,水和氯离子被“筛选”出来。

“葫芦脲不溶于水,当它的酸性被调到pH6.5时,葫芦脲与水相中的哌嗪发生反应,产生一种轮烷通道。”曹雪丽介绍,在实验中大尺寸葫芦脲对水相单体哌嗪的封装,限制了其在界面聚合反应中的扩散,使新型纳滤膜选择层更薄,并获得更低的表面粗糙度,且纯水渗透率高于传统聚酰胺纳滤膜的3~5倍。

在另外一项研究中,项目组的研究人员唐铭健同样利用界面聚合法,在水相中加入葫芦脲,以及大尺寸多胺(聚乙烯亚胺、三乙烯四胺等)。葫芦脲与多胺的结合,使得多胺在扩散过程中的自抑制性提高,膜表面出现了大量的纳米链图案,有效提升了膜的纯水渗透率。

巧妙截留小分子

纯水渗透率变高了,硫酸根离子会不会成“漏网之鱼”?“葫芦脲端口的大量羰基显著增强了选择层的负电特征,而硫酸根离子刚好也是负电性质,于是被高效截留率,氯离子的透过率大幅提高。”曹雪丽解释说。

在唐铭健的实验中,异丙醇成为截留的对象。“葫芦脲的空腔虽然会阻碍异丙醇分子的渗透,但是由于异丙醇和水的相对分子质量相近,过多的葫芦脲增大选择层的空间体,降低了膜对异丙醇的整体截留性。”唐铭健介绍,为了确保异丙醇最大程度地被截留,研究团队经过反复试验,通过调节葫芦脲的浓度,在0%~0.1%的浓度区间里进行微调,最终发现,当葫芦脲的浓度调至0.06%左右,纳滤膜对异丙醇的截留率最高。

“在筛选出的这张纳滤膜上,异丙醇从0.5wt%浓缩至9wt%。”唐铭健表示,从0.5%到9%的提升正是生物发酵中成本最高、最难攻克的一个环节。

工业应用前景佳

生物发酵能够缓解能源危机。“传统发酵产出的异丙醇浓度很低,需要进一步提纯,而经过透醇膜和透水膜可以将异丙醇的浓度一步步提高到99%。”孙世鹏表示,“然而在低浓度(1%~8%)提纯过程中,成本很高,这次我们制备的多胺—葫芦脲纳滤膜有望应用于生物发酵醇的预浓缩过程,为生物燃料等产品生产过程的节能降耗提供新思路。”

“水软化技术是降低饮用水硬度、提升饮用水质量的重要手段,这需要从氯化钠中除去硫酸钠,在氯碱工业中,也需要从高浓度氯化钠中分离出硫酸钠。”曹雪丽介绍,他们制备的葫芦脲改性纳滤膜不仅提高了纯水渗透率,也显示出极佳的硫酸根离子与氯离子的分离性能,为水软化和氯碱工业提供新的思路。

在葫芦脲改性纳滤膜的基础上,该团队的另一项研究还引入了树枝状大分子,大尺寸的树枝状大分子使膜表面粗糙度进一步降低,其富足的氨基使膜表面亲水性提高,两者都有益于提高膜表面的抗污染性能。研究团队通过调节界面聚合水相组成的质量比,在不损失原有性能的情况下,经受两次牛血清白蛋白溶液污染与清水洗涤后的葫芦脲—树枝状大分子改性纳滤膜的通量恢复率高达99.43%,证明了其对提升膜抗污染性能的巨大潜力。

2020年5月18日《中国化工报》第二版:http://124.207.49.121//pc/article.do?aid=1221465&code=877111

《中化新网》:http://www.ccin.com.cn/detail/56c59b4a15e833c1376fb9e3db1dd185/news

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