Science：利用碳分子筛薄膜对有机液体分子进行反渗透分离

【引言】

分离提纯在生产和生活中十分的重要。生产过程中大约40-60%的能量是用于分离和提纯；物理性质相近的物质分离也十分困难，如同分异构体之间的分离。以薄膜为基础的分离方法，如果分离效率能够得到提高，就可以很大程度上减少能源消耗。例如有机溶液纳米过滤薄膜被用于高价值的产品的提纯，但是由于没有足够的分子特异性，无法有效地分离分子尺寸相近的分子。为了得到更好的分离提纯的方法，有效的减小能耗，提高分离效率，还需要科研工作者继续研究。

【成果介绍】

8月19日，美国佐治亚理工学院，化学与生物分子工程学院Ryan P.Lively在Science上报道了一种不对称的碳分子筛（CMS）中空纤维薄膜，作为有机溶剂反渗透技术（OSRO）的潜在材料。利用碳分子筛的有机溶剂反渗透技术，不仅不需要改变有机物的相，减少分离过程中能量的损耗，还能有效地分离分子尺寸相近的有机物。作者利用对二甲苯和邻二甲苯在CMS薄膜中的渗透率的变化，来反应CMS的渗透性能。

【图文导读】

图1：A为CMS的制备流程图；B,C,D,E,F,为电子显微镜图；G为氦离子显微镜图；H为扩散选择性与相对蒸汽压力的函数图；I为CMS的结构图。

A为碳分子筛薄膜的加工流程图，碳分子筛薄膜是由聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜交联之后，再经过高温分解即碳化得到；

B,C,D为电子显微镜图，表示未经过交联的PVDF薄膜，高温分解之后之前的多孔结构坍陷；

E,F为经过交联的PVDF薄膜，高温分解后保持了原来的多孔结构；

G为氦离子显微镜，表明了PVDF在交联后，保持了它不对称的渗透结构，即在外层有多孔的中空纤维层。

H图为在500℃下碳化后得到的碳分子筛薄膜中，二甲苯同分异构体扩散选择性和蒸汽的相对压力的函数图，扩撒选择性随着相对压力的增加而轻微下降，在饱和蒸汽压附近选择分散性相对值在10至15之间。制备薄膜分解温度为550℃时，扩散选择性相对值增加到25-30。在每一个相对压力下，对二甲苯（p-X），邻二甲苯（o-X）在CMS膜中完全等温吸收的吸收量差别很小，得出分子运动是薄膜选择性的主要来源。

I为CMS的结构图，其中碳原子的杂化方式为sp²杂化。

图2： CMS透过性能

A,B图表明在室温下，CMS有相对较高的p-X渗透率；

C图中，随着苯的衍生物尺寸的增大，渗透率下降，并且制备CMS时分解温度越高，渗透率越大，表明制备CMS时更高的热分解温度，有利于形成更狭窄，更有选择性的分子传输通道；

D图，室温下CMS中空纤维薄膜，随着压力的升高选择透过p-X；

E图由于非理想的扩散的影响，薄膜的选择渗透性要高于单一组分的渗透结果。图F表明了CMS于不同渗透膜之间的优越性。

利用碳分子筛薄膜，对有机液体分子进行反渗透分离，实现了降低实验温度，不改变相形态，降低能耗的情况下，高效的完成分离。

【展望】

利用分离薄膜低温高压下的渗析分离技术，可以很大程度上减少能耗，但是在分离效率和分离选择性仍然是很大的挑战，仍需要广大的研究工作者继续努力。

文献链接：Reverse osmosis molecular differentiation of organic liquids using carbon molecular sieve membranes（Science, 2016, DOI : 10.1126/science.aaf1343）

感谢材料人编辑部高分子组Andy_chen提供素材，材料牛编辑整理。

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