【儀表網 儀表研發】隨著現代工業的高速發展，發展高能效的精準分離材料和技術，實現離子、分子尺度的精準分離對能源、水、化工、制藥等領域將產生變革性的影響。膜分離具有能耗低、分離條件溫和、易于操作等優點，已廣泛應用于工業化大生產和日常生活的各個領域。然而，制備具有高度均一孔徑的納孔膜材料，實現離子或小分子化合物的精準分離仍面臨巨大挑戰。為實現這一目標，近年來發展了一系列基于一維納米材料(如碳納米管等)、二維納米材料(如石墨烯等)、水通道蛋白等為代表的新型膜材料，但這些新型膜材料在實際應用中仍面臨著難以大規模制備、長效穩定性差以及成本高等問題。
 

　　近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員靳健課題組與美國范德堡大學教授林士弘課題組合作，設計開發了一種利用表面活性劑自組裝有序單分子膜調控界面聚合過程(即surfactant-assembly regulated interfacial polymerization, or SARIP)制備具有超窄孔徑分布的薄膜復合納濾膜(TFC-NF)的策略，實現了亞埃級的分子/離子的高精度分離。
 

　　界面聚合：在兩種互不相溶，分別溶解有兩種單體的溶液的界面上(或界面有機相一側)進行的縮聚反應叫做界面聚合。反應所得到的聚合物不溶于溶劑，在界面中析出。界面聚合適用于不可逆的縮聚反應。對單體純度和量比要求不高，溶劑消耗量大，設備利用率低，可用于酯高熔點聚合物聚酰胺、聚碳酸酯等。
 

　　界面聚合法是目前有效的大規模制備TFC-NF的方法，同時也是工業化納濾膜生產的主要方法。在傳統界面聚合反應中，溶于水相中的二胺(PIP)單體擴散進入含有酰氯(TMC)的油相中，在水油界面處發生聚合反應生成聚酰胺分離層。由于這兩個單體的反應是高反應活性的超快過程，且PIP在水/油界面的擴散是不可控的隨意過程，導致生成的聚酰胺分離層結構不均勻、孔徑分布相對較寬，難以實現尺寸相近的分子或離子的高精度篩分。
 

　　聚酰胺薄膜層析是1966年后發展起來的一種新層析技術。由于它具有靈敏度高，分辨力強，快速，操作方便等優點，已被廣泛應用于各種化合物的分析。
 

　　聚酰胺對極性物質的吸附作用是由于它能和被分離物之間形成氫鍵。這種氫鍵的強弱就決定了被分離物與聚酰胺薄膜之間吸附能力的大小。層析時，展層劑與被分離物在聚酰胺膜表面競爭形成氫鍵。因此選擇適當的展層劑使分離物質在聚酰胺膜表面發生吸附、解吸附、再吸附、再解吸附的連續過程，就能使分離物質達到分離目的。
 

　　以Li+(Stokes半徑：2.4埃)和Ba2+(Stokes半徑：2.9埃)為例，膜對它們的截留率分別為19%和17%，幾乎無法實現分離。在本工作中，他們在油水界面處引入由陰離子表面活性劑―十二烷基磺酸鈉(SDS)形成的自組裝有序單分子膜，該有序排列的單分子膜極大地改變和調控了PIP單體的跨界面擴散行為。
 

　　具體表現在：1、SDS中帶負電的磺酸基與弱正電的PIP分子之間形成一定的靜電吸引相互作用，使PIP單體在SDS的磺酸基一側先預富集再擴散到油相，這使得PIP在界面處的分布變得更均勻，同時加大的PIP單體在水/油兩相中的濃度梯度進一步提高了其擴散速率，有利于生成更高交聯度的聚酰胺分離層；2、SDS有序單分子膜的存在能有效地規整PIP單體在水/油界面處的無序擴散，同時分子動力學和第一性原理計算均表明，PIP單體沿SDS有序單分子膜的跨界面傳輸所需克服的能壘更低。
 

　　也就是說有序單分子膜促進了界面聚合反應快速均勻的發生，進而生成的聚酰胺分離層具有更窄分布的均勻孔徑。所獲得的膜對Li+ 和Ba2+的截留率分別為30%和93%，展現出明顯的篩分分離性能，其分離精度達到埃級。
 

　　SARIP被證明是一種調控單體擴單行為進而調控界面聚合反應、獲得具有超窄孔徑分布和超高精度分離性能的薄膜復合納濾膜的有效策略，其基于現有工業化納濾膜的制備過程工藝使其大規模制備成為可能，具有潛在的實際應用價值和前景。
 

　　納濾膜的優點：
 

　　1. 濃縮純化過程在常溫下進行，無相變，無化學反應，不帶入其他雜質及造成產品的分解變性，特別適合于熱敏性物質。
 

　　2. 可脫除產品的鹽分，減少產品灰分，提高產品純度，相對于溶劑脫鹽，不僅產品品質更好，且收率還能有所提高。
 

　　3. 工藝過程收率高，損失少4. 可回收溶液中的酸，堿，醇等有效物質，實現資源的循環利用
 

　　5. 設備結構簡介緊湊，占地面積小，能耗低
 

　　6. 操作簡便，可實現自動化作業，穩定性好，維護方便。