Adv. Sci.:用于有机液体分离的形状选择性超微孔碳膜

【引言】

无论从复杂的烃类分子混合物，还是到单一组分的液相化学分离，都是一个规模大且耗能的过程。目前，化学分离过程占全球能源消耗的10-15%，且该过程中的分子选择性过程是通过热性能（如沸点）实现的，而不是依据分子的大小和形状来选择。与热驱动的分离工艺相比，具有分子特异性、能够有效分离相似大小和形状的分子膜可以避免相变，降低该过程的能量强度，从而使能效提高了10倍。通过对过去几十年分子膜在海水淡化和气体分离领域的成功应用，基于膜的分离工艺已经为有机液体分离提供了一种低能耗解决方案。通过设计不同的微孔材料，可以“筛分”分子同时无需大量相变，这为显著降低能量提供了一个重要的机会。在这其中，微孔碳膜由于其分子选择性和孔可调性，以及优异的耐溶剂性，可能成为有机溶剂分离的潜在候选者。

近日， 韩国科学技术研究院Dong-Yeun Koh（通讯作者）基于分子的大小和形状，证明了己烷异构体的正向渗透分子分离。由6FDA聚酰亚胺生产的超微多孔碳膜实现了不同形状分子异构体的分离。研究表明，驱动溶剂在室温没有液相加压的情况下，提供了一种驱使己烷异构体分馏的动力。这种膜可以对有机液液进行大量的化学分离，从而显著降低了分离过程的能量强度。相关研究成果以“Shape-Selective Ultramicroporous Carbon Membranes for Sub-0.1 nm Organic Liquid Separation”为题发表在Adv. Sci.上。

【图文导读】

图一、利用CMS中空纤维膜选择性OSFO分离

（A）代表每个分支状态的己烷异构体；

（B）将6个基于FDA的聚酰亚胺转化为具有刚性超微孔结构的CMS，以实现形状识别；

（C）CMS膜的TEM图像；

（D）评估了由87 K Ar物理吸收计算出的三种不同CMS膜的孔径分布。

图二、刚孔结构的形状选择性

（A）适用于6FDA−DAM CMS膜的Fickian模型；

（B）尺寸选择性和形状选择性对每个CMS膜中2-MP/2,3-DMB的扩散选择性的贡献；

（C）来自三种不同的6FDA聚酰亚胺，显示出链的不同自由度和相应的超微孔；

（D）热力学校正扩散系数与三种不同CMS膜的活性，以及每种CMS膜中异构体的平均扩散系数。

图三、形貌分析及性能测试

（A）前驱体和CMS中空纤维膜横截面的SEM图像；

（B）单组分渗透数据；

（C，D）二元混合物渗透数据与实验时间的关系。

图四、6FDA-DAM CMS中空纤维膜在室温下的OSFO实验结果

（A）三元混合物渗透数据与实验时间的关系；

（B）2,3-DMB对n-hex或2-MP的选择性

（C）实验期间进料和渗透液的摩尔分数变化，以及计算的RON。

【小结】

综上所述，本文报道了基于6FDA-聚酰亚胺合成的超微孔碳中空纤维膜，可以通过有机溶剂正向渗透 (OSFO) 以0.1 nm的尺寸分辨率根据分子的大小和形状直接分离液相己烷异构体。在这项工作中证明的OSFO显示了能够进行“溶剂”-“溶剂”分离的分子特异性，这只有在具有0.1 nm分辨率的OSRO过程中才能实现。还应该注意的是，使用大分子量的“驱动溶剂”会产生足够的渗透压梯度，以成功促进渗透，而没有反扩散。值得注意的是，CMS膜显示的超微孔尺寸与己烷异构体的动力学直径相似。由于形状差异导致的两种异构体的分子迁移率的分子动力学分离，即表示为形状选择性，在单支化/双支化对中得到证明。受这些结果的启发，本文基于6FDA-DAM前驱体的中空纤维膜对己烷异构体的直接液相分离进行了放大。具有二元和三元混合物的OSFO显示出最大的跨膜渗透压梯度，这使得在室温下分离己烷异构体得以实现。

文献链接：“Shape-Selective Ultramicroporous Carbon Membranes for Sub-0.1 nm Organic Liquid Separation”(Adv. Sci.，2021，10.1002/advs.202004999)

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