利用纳米技术使化学分离更加环保

化学分离过程对于从汽油到威士忌的许多产品的制造至关重要。此类过程的能源成本很高，约占全球能源消耗的10-15%。特别是，所谓的“热分离过程”的使用，例如用于分离石油基碳氢化合物的蒸馏，在化学工业中根深蒂固，并且具有非常大的相关能源足迹。基于膜的分离过程有可能显着降低这种能源消耗。

将污染物从我们呼吸的空气和我们饮用的水中分离出来的膜过滤过程已经变得司空见惯。然而，用于分离碳氢化合物和其他有机材料的膜技术还远远不够发达。

PennEngineers正在通过重新思考纳米级的物理结构来开发用于节能有机分离的新型膜。

使用自组装膜的纳滤一直是化学和生物分子工程系EduardoD.Glandt教授ChinedumOsuji及其实验室的主要研究领域。这些膜的性能在之前的一项研究中得到了强调，该研究描述了膜本身的结构如何帮助最大限度地减少传统纳滤膜中遇到的选择性和渗透性之间的限制权衡。这项技术也包括在去年的Y-Prize竞赛中，获胜者提出了一个案例，用于在一家名为LiberTech的初创公司中生产不含酒精的啤酒和葡萄酒。

现在，Osuji的最新研究使该膜适用于乙醇和异丙醇等有机溶液的过滤，其自组装分子使其比传统的有机溶剂纳滤(OSN)更有效。

这项发表在《科学进展》上的研究描述了如何通过改变最终形成材料的自组装分子的大小或浓度来微调这种膜的均匀孔隙。这种可调性现在为使用这种膜技术解决更多样化的现实世界有机过滤问题打开了大门。Osuji实验室的研究人员，包括第一作者和前博士后研究员张益洲，博士后研究员DahinKim和研究生RuiqiDong以及东华大学的XundaFeng为这项工作做出了贡献。

学分：宾夕法尼亚大学

该团队面临的一个挑战是难以在不同极性的有机溶剂中保持膜稳定性。他们选择了在有机流体中表现出低溶解度的分子种类，即表面活性剂，它们可以通过化学方式有效地连接在一起以提供所需的稳定性。表面活性剂在一定浓度以上时在水中自组装，形成软凝胶。这种自组装——有序状态的形成——作为浓度的函数被称为易溶行为：“lyo-”是指溶液，“-tropic”是指有序。如此形成的凝胶称为易溶中间相。

本研究中开发的膜是通过首先在水中形成表面活性剂的易溶中间相，将软凝胶作为薄膜展开，然后使用化学反应将表面活性剂连接在一起形成纳米多孔聚合物而制成的。聚合物中孔的大小由溶致中间相的自组装结构决定。

“在一定浓度的水溶液中，表面活性剂分子聚集并形成圆柱形棒，然后这些棒将自组装成六边形结构，产生凝胶状材料，”Osuji说。“我们可以控制膜中孔隙的渗透性或大小的一种方法是通过改变用于制造膜本身的表面活性剂分子的浓度和大小。在这项研究中，我们操纵了这两个变量来调整我们的孔径从1.2纳米到0.6纳米。”

这些膜与有机溶剂兼容，可以定制以应对不同的分离挑战。有机溶剂纳滤可以减少传统热分离工艺的占地面积。这里开发的膜的均匀孔径在膜选择性方面提供了引人注目的优势，并最终在能源效率方面提供了优势。

“这项技术的一个具体应用是生物燃料生产，”Osuji说。“从生物反应器中分离出与水混溶的醇类是生产乙醇和丁醇生物燃料的关键步骤。膜分离可以减少用于从反应器中的水性介质中分离产物醇类或燃料的能量。使用膜在诸如这种蒸馏不具有成本效益的小规模操作中特别有利。”

“此外，许多药品的制造通常涉及在不同溶剂环境中的多个合成步骤。这些步骤需要将化学中间体从一种溶剂转移到另一种可混溶的溶剂中，这使得这种新膜成为满足药物开发过滤需求的完美解决方案。"

他们研究的下一步涉及理论和实践。该团队计划开发新的膜排斥和渗透模型，以解决溶液通过其膜的独特流动模式，并确定其可调技术的其他未来应用。

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