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华东理工大学徐至/李思瑶团队GEE | 非极性体系有机溶剂纳滤

已有 1004 次阅读 2024-3-13 15:03 |系统分类:论文交流

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摘要

在节能减排,绿色发展的大背景下,膜技术的兴起可以优化或部分替代传统的分离技术(如热驱动蒸馏)从而减少能源消耗,展现出了巨大的应用潜力。有机溶剂纳滤作为一种先进的膜分离技术,能够在有机溶剂中分离分子量约在100到1000道尔顿之间的小分子,具有低能耗和低碳足迹的特点。非极性溶剂体系(例如甲苯、正己烷和正庚烷)的分离在制药、食品、石化等领域中应用广泛,使得有机纳滤技术变得尤为重要。在本综述中,我们介绍了膜材料和膜制备技术的最新进展,以及它们在非极性溶剂体系中的分离应用,包括烃类分离、生物活性分子纯化和有机溶剂回收。此外,本综述还强调了膜规模化制备的策略以及如何直接转化为工业应用所面临的挑战和机遇。

图文详解

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图1. 非极性有机纳滤体系膜的制备与应用。

本综述全面总结了各种类型的有机溶剂纳滤膜以及适用于非极性系统的制备策略。此外,它提供了详细的大规模膜制备技术,并介绍了有机溶剂纳滤膜在化工、石化和制药行业中的应用(图1)。

非极性溶剂体系中膜性能的优化策略:

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图2. 通过提升孔隙率优化非极性纳滤性能的研究。

为了拓展在非极性溶剂系统中的应用,研究人员已经尝试了各种方法来提高非极性溶剂渗透性的同时不牺牲膜的选择性。由于传统的聚合物膜通常由于聚合物链的紧密堆积而具有较低的孔隙率,使用扭曲单体、多孔材料、具有本征微孔的聚合物等策略能有效提升孔隙率的同时降低液体的传输阻力(图2)。

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图3. 引入官能团增强膜疏水性的研究。

膜的化学性质在决定分离性能方面起着关键作用。聚酰胺或聚酯网络以及陶瓷表面的固有亲水性导致膜对甲苯等非极性溶剂的渗透性受限,因此增强膜疏水性已成为提高非极性溶剂渗透性的最有效手段之一。其中包括在界面反应过程中引入具有疏水嵌段的功能胺或酰氯官能团,优化选择性层的疏水性,有助于非极性溶剂的吸附和扩散(图3)。

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图4. 增强膜内交联度优化纳滤性能的研究。

此外,有机溶剂纳滤膜的形貌结构,包括膜厚、表面粗糙度、交联度,在确定其在非极性溶剂系统中的分离性能方面起着至关重要的作用。提升膜内交联度可以使聚合物膜对有机溶剂具有更好的抗溶胀能力,增强长期稳定性能(图4)。

有机纳滤膜的规模化制备:

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图5. 原位界面聚合规模化制备纳滤膜的策略。

膜技术工业化面临的重要挑战之一在于扩大生产规模的能力。较为成功的案例是通过原位界面聚合大规模制备薄膜复合膜应用于海水淡化(图5)。然而,大规模制造针对非极性系统高性能的有机溶剂纳滤膜仍是一个挑战。此外,为了实现在工业规模上的应用,需要对大面积膜进行高效经济的封装,还须考虑各个模块的配置以实现良好的分离性能。

非极性溶剂系统的膜应用技术:

针对甲苯、正庚烷等非极性溶剂系统开发的分离膜,在烃类分离、药物纯化和有机溶剂回收等方面有着巨大的应用潜力。特别是在原油分离领域,膜技术可以集成到混合膜分离技术,大幅降低原油分馏过程的能源消耗,实现高效节能的烃类分离(图6)。但到目前为止,仅有少数研究报告了在烃类分离中使用膜的可行性。未来的研究应考虑对新型膜材料的合理设计、原油系统中的膜老化和抗污染性以及膜的规模化制备等问题。

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图6. 有机纳滤膜应用于原油分离的研究。

总结与展望

总的来说,在本综述中,总结了针对非极性有机溶剂系统开发的膜及其在化工、制药和石化行业中的具体应用。选择具有特定官能团的反应性单体/聚合物、不同支撑材料和制备方法都会显著影响这些膜的性质和性能。特别是随着单体/聚合物化学和材料科学的快速发展,期望开发具有疏水嵌段、低极性以及高孔隙度的材料,用以满足非极性溶剂环境中膜分离日益增长的需求。尽管针对非极性溶剂系统设计的膜仍面临长期稳定性等挑战,但在这一研究领域的持续努力将极大地推动开发可应用于非极性溶剂系统的先进膜以及新颖应用的发展。

原文信息

本综述以“Organic solvent nanofiltration membranes for separation in non-polar solvent system”为题,发表在Green Energy & Environment期刊,该论文第一作者为华东理工大学博士研究生顾书允,通讯作者为华东理工大学徐至教授和李思瑶教授。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2024.02.007

撰稿:原文作者

编辑:GEE编辑部

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