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(xiàn)有機小分子高效分離
分子分離在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及環(huán)境治理等過程中，例如水質(zhì)凈化、油氣精煉、能源生產(chǎn)和儲存、藥物成分提取和純化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。膜技術(shù)具有綠色可持續(xù)性、可規(guī)?；头蛛x過程高效等優(yōu)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(guān)系，制約了膜技術(shù)在分子分離應(yīng)用領(lǐng)域的進一步發(fā)展。膜吸附是一種壓力驅(qū)動的動態(tài)吸附過程，結(jié)合了吸附分離和膜分離的各自優(yōu)勢。與傳統(tǒng)壓力驅(qū)動分離膜相比，吸附分離膜利用膜內(nèi)功能基團與溶質(zhì)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(xiàn)目標(biāo)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(guān)系的制約。但由于傳統(tǒng)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(shù)的發(fā)展和實際應(yīng)用范圍的拓寬。
近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所方望熹研究員團隊與蘇州大學(xué)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(xué)和物理結(jié)構(gòu)，該膜材料的靜態(tài)吸附能力大大超過了傳統(tǒng)聚合物吸附材料，與MOF吸附材料相當(dāng)（圖2）。通過相轉(zhuǎn)化成膜法制備的AOPIM-1不對稱膜，在動態(tài)吸附過程中實現(xiàn)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(tǒng)納濾膜高出兩個數(shù)量級（圖3），并且該分離性能在多次吸附-洗脫循環(huán)中保持穩(wěn)定，通量保持率（FRR）大于98%（圖4）。AOPIM-1膜對有機分子的動態(tài)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(huán)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(xiàn)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(yīng)用潛力。
圖1. AOPIM-1不對稱膜的制備 (a) AOPIM-1化學(xué)結(jié)構(gòu)式及膜光學(xué)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(nèi)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
圖2. 不同pH值條件下的AOPIM-1聚合物靜態(tài)吸附情況 (a) 不同pH值條件下的AOPIM-1氮氣吸附曲線；(b)不同pH值條件下AOPIM-1對MO和MB染料分子吸附容量；(c-d) 在pH=3和10時，AOPIM-1對MO和MB染料分子吸附曲線
圖3. AOPIM-1膜對染料分子的動態(tài)吸附 (a) AOPIM-1膜在pH3-10之間的Zeta電位變化；(b) AOPIM-1膜的動態(tài)吸附性能表征 (pH = 3/10)；(c, d) AOPIM-1膜對混合染料體系(MO/MB)分離 (10 ppm MO + 10 ppm MB, 0.2 MPa, pH = 3/10)；(e) AOPIM-1吸附膜與報道的吸附膜性能比較；(f) AOPIM-1吸附膜與其他壓力驅(qū)動膜性能比較
圖4. AOPIM-1膜多次吸脫附循環(huán)性能 (a) 多次吸脫附循環(huán)過程中膜通量及染料截留率的變化；(b-c) 原始膜、吸附飽和后的膜、脫附膜的氮氣吸脫附曲線及孔徑分析；(d) 原始膜、吸附飽和后的膜、脫附膜光學(xué)照片
圖5. AOPIM-1吸附膜對藥物活性分子體系的分離 (a) AOPIM-1吸附膜對API/多糖/鹽混合體系的分離過程圖；(b) AOPIM-1吸附膜對API/多糖/鹽混合體系的吸附率及截留率
以上工作發(fā)表在Nature communications雜志上，論文第一作者為蘇州大學(xué)王正宮副教授，蘇州納米所方望熹研究員和蘇州大學(xué)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(fā)計劃（2019YFA0705800）、國家自然科學(xué)基金（21988102, 51803145, 51873230）等項目支持。
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