超分子葫芦脲首次在纳滤膜中“崭露头角”

科普小知识 2023-11-27 17:24:15

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我们生活中的筛子可以通过设置孔径的物理尺寸，很容易地分离出我们想要消除的东西。高性能纳滤膜也像一个“筛子”，在拦截纳米物质方面有着广泛的应用: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佳平衡呢？它如何渗透而不留下“污点”？如何更有效地分离分子量相近的物质？纳滤膜面临的问题要复杂得多。

近日，南京理工大学膜科学与技术研究所孙教授团队发表了研究成果。首次利用环状超分子葫芦脲精确构建纳滤膜的分离通道和传输通道，提高了纳滤膜的纯水透过率和抗污染性能，实现了对水体系中小分子醇的高效截留，为解决上述问题提供了新思路。相关研究成果分别发表在《美国化学工程师学会杂志》、《薄膜科学》和《纳米快报》上，部分研究成果已经产业化和应用。

开辟纯水渗透新渠道

"葫芦脲有一个输水腔，可以增加输水的孔隙率."南京工业大学助理教授曹学理和研究生郭加林似乎发现了一个“伟大的秘密”，这为高性能纳滤膜如何更快过滤水提供了一个新的想法。

研究小组立即将葫芦脲加入水相。“葫芦脲不溶于水。当其酸度调节至pH 6.5时，葫芦脲与哌嗪在水相中反应生成轮烷通道曹学理在实验中发现，大尺寸瓜环将哌嗪包裹在水相中，限制了其在界面聚合反应中的扩散，使得新型纳滤膜的选择层更薄，表面粗糙度更低，“纯水的渗透率比传统聚酰胺纳滤膜高3-5倍！”

在南京工业大学研究生刘美玲和唐明健的另一项研究中，也使用了界面聚合。除葫芦脲外，大尺寸多胺(聚乙烯亚胺、三乙烯四胺等。)加入到水相中。“葫芦脲和多胺的结合提高了多胺在扩散过程中的自抑制能力，膜表面出现了大量的纳米链图案，从而有效提高了膜的纯水透过性。”

为工业化提供新思路

纯水的渗透性变得更高了。硫酸根离子和异丙醇会变成“网中之鱼”吗？曹学理说，葫芦脲端口的大量羰基显著增强了选择层的负电荷特性，硫酸根离子也带负电荷，因此被有效地捕获，氯离子传输速率大大提高。

水软化技术是降低饮用水硬度和改善饮用水质量的重要手段，要求从氯化钠中去除硫酸钠。在氯碱工业中，硫酸钠也需要从高浓度氯化钠中分离出来。曹学理研究制备的“葫芦脲改性纳滤膜”不仅提高了纯水的渗透率，而且表现出优异的硫酸根离子和氯离子分离性能，为水软化和氯碱工业提供了新思路。

在唐明健的实验中，异丙醇成为拦截的目标。为了确保最大限度地拦截异丙醇，研究小组进行了反复测试，并调整了葫芦脲的浓度。最后发现，当葫芦脲浓度调节到0.06%左右时，纳滤膜对异丙醇的截留率最高。异丙醇的质量分数在该纳滤膜上从0.5%浓缩至9%。唐明健说:“从0.5%提高到9%是生物发酵中最昂贵也是最困难的环节。”

据孙介绍，传统发酵生产的异丙醇浓度很低，需要进一步提纯。通过乙醇渗透膜和水渗透膜，异丙醇的浓度可以逐步提高到99%。然而，在低浓度(1%-8%)的纯化过程中，成本非常高。他们制备的“聚胺-瓜环纳滤膜”有望应用于生物发酵酒精的预浓缩过程，为生物燃料等产品生产过程中的节能降耗提供新思路。

南京工业大学研究生蔡京在“瓜环改性纳滤膜”的基础上，也引入了树状大分子。“大尺寸树枝状聚合物进一步降低了膜的表面粗糙度，大量的氨基基团提高了膜表面的亲水性。两者都有利于提高膜表面的抗污染性能

让结果更快更好地落地。

在江苏省南京市浦口经济技术开发区，占地13800平方米的南京膜材料工业技术研究所将瓜环改性纳滤膜开发成了自己著名的名称和产品——特种纳滤膜系列，从新型纳滤膜的基础研发到工业生产线和集成创新链。

据孙介绍，早在2016年12月，课题组就申请了“超分子复合纳滤膜及其制备方法和应用”的发明专利，并于2018年8月获得批准。“科学研究和服务社会是我们的使命。为了尽快实现工业应用，我们首先申请了专利，然后继续开展创新研究，发表相关系列论文。”

在江苏工业技术研究院和南京工业大学国家特种分离膜工程技术研究中心的支持下，超分子复合纳滤膜技术走出实验室，开发了一批工业物料分离和生活纯净水应用的商品化产品，其中国内纯净水纳滤膜元件的性能达到国际领先水平。目前，南京膜材料工业技术研究院有限公司正在销售特种纳滤膜系列产品