洪恒飛 科技日?qǐng)?bào)記者 江耘

(資料圖片僅供參考)

常溫環(huán)境下，通過(guò)壓力作用，就能對(duì)工業(yè)物料在分子級(jí)別進(jìn)行分離的有機(jī)溶劑納濾技術(shù)，近年來(lái)逐漸興起，相比傳統(tǒng)的熱法分離，可以顯著降低能耗。然而，在其中起關(guān)鍵作用的聚合物膜材料，存在易被有機(jī)溶劑侵蝕、孔徑不穩(wěn)定等問(wèn)題。

針對(duì)相關(guān)問(wèn)題，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系、浙江大學(xué)紹興研究院朱利平教授研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用分子層沉積法，制備出可用于有機(jī)溶劑納濾的超薄聚酰胺納米微孔膜，令藥物提純不再依賴于加熱蒸餾過(guò)程。主要的納濾分離層，厚度可在數(shù)十納米范圍調(diào)節(jié)。相關(guān)研究論文近日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)·應(yīng)用材料與界面》。

研究團(tuán)隊(duì)自行研制過(guò)濾裝置，進(jìn)行聚酰胺復(fù)合納米微孔膜測(cè)試。洪恒飛 攝

一張薄膜包含三層結(jié)構(gòu)

“最終成品就是那么一張‘紙’，雖然看起來(lái)很薄，實(shí)際上有三層結(jié)構(gòu)。”論文通訊作者之一、浙大高分子科學(xué)與工程學(xué)系副研究員方傳杰介紹，滌綸材質(zhì)的無(wú)紡布作為支撐層，厚度為0.1-0.2毫米；聚酰亞胺材質(zhì)的多孔超濾支撐層，厚度約為250微米；交聯(lián)聚酰胺構(gòu)成的納濾分離層，對(duì)分離效果起決定性作用。

聚酰胺俗稱尼龍是一種工程塑料，由于制備簡(jiǎn)單、分離性能佳，被廣泛應(yīng)用于納濾等水處理工藝。聚酰亞胺則由于其高溫穩(wěn)定性、機(jī)械性能和優(yōu)異的耐化學(xué)性，常被用作塑料、薄膜、絕緣涂料和高溫結(jié)構(gòu)粘合劑。

生物制藥、化學(xué)合成等過(guò)程會(huì)使用大量有機(jī)溶劑，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝普遍采用蒸餾、精餾等方法純化藥物、回收溶劑，依賴物料的相變過(guò)程，能耗多且成本高。

“傳統(tǒng)的熱法分離可理解為燒水熬制，相變過(guò)程即氣態(tài)液態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，能耗之高不難想象?！敝炖浇榻B，根據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)分離過(guò)程能耗約占全球總能耗的10%-15%，占所有工業(yè)過(guò)程能耗的45%-55%。如果用膜分離技術(shù)替代熱法分離，可以節(jié)約能耗80%至90%。

朱利平說(shuō)，參照水處理，有機(jī)溶劑納濾技術(shù)用于藥物純化與精制等方面，就像篩子一樣，把有效成分過(guò)濾分離，過(guò)程溫和，可避免熱敏性成分失活，且不發(fā)生相變、能耗低，對(duì)助力“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略具有重要意義。但現(xiàn)有的水處理用聚酰胺納濾膜材料難適用于有機(jī)溶劑體系，目前僅少數(shù)國(guó)家實(shí)現(xiàn)了有機(jī)溶劑納濾技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

在科技部等九部門(mén)印發(fā)的《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022—2030年）》中，部署了低碳與零碳工業(yè)流程再造技術(shù)突破行動(dòng)。此項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)三年，就提升納濾薄膜穩(wěn)定性、過(guò)濾精度等問(wèn)題開(kāi)展攻關(guān)。

多輪“編織”制成精密篩網(wǎng)

在研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，記者看到，科研人員將維生素B12與乙醇的混合溶液倒入過(guò)濾池，啟動(dòng)磁力攪拌器確保溶液濃度均勻，操作調(diào)壓閥向過(guò)濾池內(nèi)穩(wěn)定供壓，片刻之后，順著過(guò)濾池的導(dǎo)管，乙醇就從溶液中被逐漸分離出來(lái)……

“過(guò)濾池底部鋪墊的就是我們研制的超薄聚酰胺納米微孔膜，其他類似于維生素B12大小的藥物分子均可通過(guò)此技術(shù)與溶劑分離，實(shí)現(xiàn)濃縮和提純?！闭撐淖髡咧弧⒄愦蟾叻肿涌茖W(xué)與工程學(xué)系碩士生李付鵬說(shuō)。

整張薄膜中，有機(jī)溶劑先后和納濾分離層、超濾支撐層、無(wú)紡布接觸。方傳杰解釋道，中間的超濾支撐層就像在無(wú)紡布上刮一層膩?zhàn)?，然后浸入水中凝固成膜。這層“膩?zhàn)印北砻孢€能生成凸起的化學(xué)連接點(diǎn)，參與生成納濾分離層。

方傳杰告訴記者，有機(jī)溶劑中要分離的溶質(zhì)直徑約0.5-2納米，兼顧滲透效果和耐用性等，納濾膜分離層需要孔徑小、厚度薄、化學(xué)耐受性強(qiáng)等條件。

交聯(lián)的聚酰胺膜可將線型高分子改為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高耐用性，可被用作薄層復(fù)合膜的分離層，但常規(guī)的制備方法依賴于界面聚合，相當(dāng)于把一張“紙”先后浸到不同液體，使其在“紙面”發(fā)生反應(yīng)后形成一層膜。

朱利平介紹，此次研究中，團(tuán)隊(duì)采用不同于常規(guī)界面聚合的分子層沉積法，利用“膩?zhàn)印北砻娴幕瘜W(xué)連接點(diǎn)進(jìn)行表面化學(xué)吸附并反應(yīng)而形成分子尺度的沉積薄膜，還能通過(guò)控制分子層沉積周期數(shù)精確控制薄膜的厚度，一層層“編織”出精密篩網(wǎng)。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)制備的聚酰胺膜表面光滑，厚度在10納米-35納米范圍內(nèi)線性可控、結(jié)構(gòu)均一完整且應(yīng)用穩(wěn)定，對(duì)有機(jī)溶劑中目標(biāo)物的過(guò)濾效率在90%以上。

“團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)成果處于實(shí)驗(yàn)室階段，成果轉(zhuǎn)化計(jì)劃正有序進(jìn)行?！敝炖奖硎?，全球范圍內(nèi)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)總體處于起步階段，未來(lái)的市場(chǎng)前景值得期待。

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