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際頂級期刊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)功能膜與膜過程團(tuán)隊(duì)趙之平教授為通訊錄作者,。本研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（21736001）資助。
生物燃料（乙醇,、丁醇等）生產(chǎn)和使用過程產(chǎn)生的二氧化碳被等量生物質(zhì)生長光合作用吸收,，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,。為此,，近年來,，科學(xué)家研究滲透汽化（PV）膜分離與生物發(fā)酵耦合過程，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的“trade-off”博弈效應(yīng)，近年來,，混合基質(zhì)膜因其結(jié)合了有機(jī),、無機(jī)材料的優(yōu)勢而受到關(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,，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“對接”形成相對連續(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,。通過膜材料自由體積測定，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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