Science：利用碳分子篩薄膜對有機液體分子進行反滲透分離

【引言】

分離提純在生產和生活中十分的重要。生產過程中大約40-60%的能量是用于分離和提純；物理性質相近的物質分離也十分困難，如同分異構體之間的分離。以薄膜為基礎的分離方法，如果分離效率能夠得到提高，就可以很大程度上減少能源消耗。例如有機溶液納米過濾薄膜被用于高價值的產品的提純，但是由于沒有足夠的分子特異性，無法有效地分離分子尺寸相近的分子。為了得到更好的分離提純的方法，有效的減小能耗，提高分離效率，還需要科研工作者繼續研究。

【成果介紹】

8月19日，美國佐治亞理工學院，化學與生物分子工程學院Ryan P.Lively在Science上報道了一種不對稱的碳分子篩（CMS）中空纖維薄膜，作為有機溶劑反滲透技術（OSRO）的潛在材料。利用碳分子篩的有機溶劑反滲透技術，不僅不需要改變有機物的相，減少分離過程中能量的損耗，還能有效地分離分子尺寸相近的有機物。作者利用對二甲苯和鄰二甲苯在CMS薄膜中的滲透率的變化，來反應CMS的滲透性能。

【圖文導讀】

圖1：A為CMS的制備流程圖；B,C,D,E,F,為電子顯微鏡圖；G為氦離子顯微鏡圖；H為擴散選擇性與相對蒸汽壓力的函數圖；I為CMS的結構圖。

A為碳分子篩薄膜的加工流程圖，碳分子篩薄膜是由聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜交聯之后，再經過高溫分解即碳化得到；

B,C,D為電子顯微鏡圖，表示未經過交聯的PVDF薄膜，高溫分解之后之前的多孔結構坍陷；

E,F為經過交聯的PVDF薄膜，高溫分解后保持了原來的多孔結構；

G為氦離子顯微鏡，表明了PVDF在交聯后，保持了它不對稱的滲透結構，即在外層有多孔的中空纖維層。

H圖為在500℃下碳化后得到的碳分子篩薄膜中，二甲苯同分異構體擴散選擇性和蒸汽的相對壓力的函數圖，擴撒選擇性隨著相對壓力的增加而輕微下降，在飽和蒸汽壓附近選擇分散性相對值在10至15之間。制備薄膜分解溫度為550℃時，擴散選擇性相對值增加到25-30。在每一個相對壓力下，對二甲苯（p-X），鄰二甲苯（o-X）在CMS膜中完全等溫吸收的吸收量差別很小，得出分子運動是薄膜選擇性的主要來源。

I為CMS的結構圖，其中碳原子的雜化方式為sp²雜化。

圖2： CMS透過性能

A,B圖表明在室溫下，CMS有相對較高的p-X滲透率；

C圖中，隨著苯的衍生物尺寸的增大，滲透率下降，并且制備CMS時分解溫度越高，滲透率越大，表明制備CMS時更高的熱分解溫度，有利于形成更狹窄，更有選擇性的分子傳輸通道；

D圖，室溫下CMS中空纖維薄膜，隨著壓力的升高選擇透過p-X；

E圖由于非理想的擴散的影響，薄膜的選擇滲透性要高于單一組分的滲透結果。圖F表明了CMS于不同滲透膜之間的優越性。

利用碳分子篩薄膜，對有機液體分子進行反滲透分離，實現了降低實驗溫度，不改變相形態，降低能耗的情況下，高效的完成分離。

【展望】

利用分離薄膜低溫高壓下的滲析分離技術，可以很大程度上減少能耗，但是在分離效率和分離選擇性仍然是很大的挑戰，仍需要廣大的研究工作者繼續努力。

文獻鏈接：Reverse osmosis molecular differentiation of organic liquids using carbon molecular sieve membranes（Science, 2016, DOI : 10.1126/science.aaf1343）

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