洪恒飛 科技日報記者 江耘
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常溫環境下，通過壓力作用，就能對工業物料在分子級別進行分離的有機溶劑納濾技術，近年來逐漸興起，相比傳統的熱法分離，可以顯著降低能耗。然而，在其中起關鍵作用的聚合物膜材料，存在易被有機溶劑侵蝕、孔徑不穩定等問題。
針對相關問題，浙江大學高分子科學與工程學系、浙江大學紹興研究院朱利平教授研究團隊運用分子層沉積法，制備出可用于有機溶劑納濾的超薄聚酰胺納米微孔膜，令藥物提純不再依賴于加熱蒸餾過程。主要的納濾分離層，厚度可在數十納米范圍調節。相關研究論文近日在線發表于國際學術期刊《美國化學會·應用材料與界面》。
研究團隊自行研制過濾裝置，進行聚酰胺復合納米微孔膜測試。洪恒飛 攝
一張薄膜包含三層結構
“最終成品就是那么一張‘紙’，雖然看起來很薄，實際上有三層結構。”論文通訊作者之一、浙大高分子科學與工程學系副研究員方傳杰介紹，滌綸材質的無紡布作為支撐層，厚度為0.1-0.2毫米；聚酰亞胺材質的多孔超濾支撐層，厚度約為250微米；交聯聚酰胺構成的納濾分離層，對分離效果起決定性作用。
聚酰胺俗稱尼龍是一種工程塑料，由于制備簡單、分離性能佳，被廣泛應用于納濾等水處理工藝。聚酰亞胺則由于其高溫穩定性、機械性能和優異的耐化學性，常被用作塑料、薄膜、絕緣涂料和高溫結構粘合劑。
生物制藥、化學合成等過程會使用大量有機溶劑，傳統生產工藝普遍采用蒸餾、精餾等方法純化藥物、回收溶劑，依賴物料的相變過程，能耗多且成本高。
“傳統的熱法分離可理解為燒水熬制，相變過程即氣態液態之間的轉換，能耗之高不難想象。”朱利平介紹，根據業內統計，工業分離過程能耗約占全球總能耗的10%-15%，占所有工業過程能耗的45%-55%。如果用膜分離技術替代熱法分離，可以節約能耗80%至90%。
朱利平說，參照水處理，有機溶劑納濾技術用于藥物純化與精制等方面，就像篩子一樣，把有效成分過濾分離，過程溫和，可避免熱敏性成分失活，且不發生相變、能耗低，對助力“碳達峰、碳中和”戰略具有重要意義。但現有的水處理用聚酰胺納濾膜材料難適用于有機溶劑體系，目前僅少數國家實現了有機溶劑納濾技術的工業應用。
在科技部等九部門印發的《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》中，部署了低碳與零碳工業流程再造技術突破行動。此項研究中，研究團隊歷時三年，就提升納濾薄膜穩定性、過濾精度等問題開展攻關。
多輪“編織”制成精密篩網
在研究團隊實驗室內，記者看到，科研人員將維生素B12與乙醇的混合溶液倒入過濾池，啟動磁力攪拌器確保溶液濃度均勻，操作調壓閥向過濾池內穩定供壓，片刻之后，順著過濾池的導管，乙醇就從溶液中被逐漸分離出來……
“過濾池底部鋪墊的就是我們研制的超薄聚酰胺納米微孔膜，其他類似于維生素B12大小的藥物分子均可通過此技術與溶劑分離，實現濃縮和提純。”論文作者之一、浙大高分子科學與工程學系碩士生李付鵬說。
整張薄膜中，有機溶劑先后和納濾分離層、超濾支撐層、無紡布接觸。方傳杰解釋道，中間的超濾支撐層就像在無紡布上刮一層膩子，然后浸入水中凝固成膜。這層“膩子”表面還能生成凸起的化學連接點，參與生成納濾分離層。
方傳杰告訴記者，有機溶劑中要分離的溶質直徑約0.5-2納米，兼顧滲透效果和耐用性等，納濾膜分離層需要孔徑小、厚度薄、化學耐受性強等條件。
交聯的聚酰胺膜可將線型高分子改為三維網狀結構，從而提高耐用性，可被用作薄層復合膜的分離層，但常規的制備方法依賴于界面聚合，相當于把一張“紙”先后浸到不同液體，使其在“紙面”發生反應后形成一層膜。
朱利平介紹，此次研究中，團隊采用不同于常規界面聚合的分子層沉積法，利用“膩子”表面的化學連接點進行表面化學吸附并反應而形成分子尺度的沉積薄膜，還能通過控制分子層沉積周期數精確控制薄膜的厚度，一層層“編織”出精密篩網。
經過多次實驗驗證，研究團隊制備的聚酰胺膜表面光滑，厚度在10納米-35納米范圍內線性可控、結構均一完整且應用穩定，對有機溶劑中目標物的過濾效率在90%以上。
“團隊這項成果處于實驗室階段，成果轉化計劃正有序進行。”朱利平表示，全球范圍內，相關產業總體處于起步階段，未來的市場前景值得期待。
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