北理工在滲透汽化分離膜研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2021-06-06 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：隆哲源 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士生徐李昊以第一作者身份在國(guó)際頂級(jí)期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表題目為“An advanced necklace-like metal organic framework with an ultrahighly continuous structure in the membrane for superior butanol/water separation”的研究論文。北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院先進(jìn)功能膜與膜過(guò)程團(tuán)隊(duì)趙之平教授為通訊錄作者。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（21736001）資助。
生物燃料（乙醇、丁醇等）生產(chǎn)和使用過(guò)程產(chǎn)生的二氧化碳被等量生物質(zhì)生長(zhǎng)光合作用吸收，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)。其生產(chǎn)工藝包括生物質(zhì)水解為糖（還原糖、木糖）、糖發(fā)酵為醇和醇-水分離三大步驟，其中，發(fā)酵步驟的產(chǎn)物醇對(duì)酵母（產(chǎn)生將糖催化轉(zhuǎn)化為醇的生物酶）的活性有抑制作用，使得發(fā)酵效率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。為此，近年來(lái)，科學(xué)家研究滲透汽化（PV）膜分離與生物發(fā)酵耦合過(guò)程，實(shí)時(shí)分離醇，使發(fā)酵體系維持較低的醇濃度，從而保持酵母生物活性，并且，與傳統(tǒng)精餾相比，PV膜分離可節(jié)能35-65%，耦合工藝高效節(jié)能效果明顯。該工藝的關(guān)鍵在于高性能分離膜，但傳統(tǒng)高分子PV優(yōu)先透有機(jī)物的分離膜，其滲透選擇性不能滿足實(shí)際需求。
通常，膜的滲透性和選擇性之間存在此消彼長(zhǎng)的“trade-off”博弈效應(yīng)，近年來(lái)，混合基質(zhì)膜因其結(jié)合了有機(jī)、無(wú)機(jī)材料的優(yōu)勢(shì)而受到關(guān)注，在膜內(nèi)構(gòu)建以填充基質(zhì)主導(dǎo)的“選擇性分子滲透通道”是分離膜制備領(lǐng)域所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。趙之平教授團(tuán)隊(duì)就如何充分發(fā)揮納米混合基質(zhì)的效力，以打破“trade-off”博弈效應(yīng)開(kāi)展了深入研究，提出了“以金屬有機(jī)框架（MOF）材料在膜內(nèi)為目標(biāo)小分子構(gòu)建相對(duì)連續(xù)的優(yōu)先溶解-滲透通道”的解決策略。
圖1. “MOF項(xiàng)鏈”的設(shè)計(jì)原理、制備、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用
受到珍珠項(xiàng)鏈的啟發(fā)，“MOF男孩”設(shè)計(jì)制作了一條新穎的“MOF項(xiàng)鏈”作為禮物送給自己心儀的女孩。團(tuán)隊(duì)首先以甲基橙為模板，制備了聚吡咯納米管（PPy nanotube），之后誘導(dǎo)ZIF-8在PPy nanotube外壁成核生長(zhǎng)，得到一種具有特殊“項(xiàng)鏈狀”高度連續(xù)MOF結(jié)構(gòu)（ZIF-8@PPy），ZIF-8晶體粒子晶面窗孔“對(duì)接”形成相對(duì)連續(xù)分子通道，PPy nanotube在穿引MOF晶體顆粒的同時(shí)為客體分子提供了管內(nèi)連續(xù)的快速擴(kuò)散通道。進(jìn)而，研究者將這種新穎的“MOF項(xiàng)鏈”引入到聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，制備出了一種高性能混合基質(zhì)膜。通過(guò)膜材料自由體積測(cè)定，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，解析了客體分子在膜內(nèi)的五種分子傳遞通道（圖2）的溶解-擴(kuò)散行為。有趣的是，ZIF-8和PPy nanotube界面處所組成的“小世界”（“Small World”），在不改變ZIF-8固有結(jié)構(gòu)的情況上，能有效抑制水分子的連續(xù)傳遞，從而提高了膜對(duì)丁醇分子的滲透選擇性。
圖2. 膜內(nèi)五種分子選擇性滲透通道的構(gòu)建及其溶解-擴(kuò)散機(jī)理解析
研究者發(fā)現(xiàn)“MOF項(xiàng)鏈”在膜內(nèi)具有良好分散性，膜分離性能優(yōu)于國(guó)際上現(xiàn)階段所報(bào)道的PV膜。這種高度連續(xù)“MOF項(xiàng)鏈”為混合基質(zhì)膜的創(chuàng)制提供了新途徑，其效力在膜內(nèi)的充分發(fā)揮也為高性能PV膜的產(chǎn)業(yè)化制備提供了可能。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TA/D1TA01736E#!divAbstract
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