近年來，有機(jī)溶劑納濾技術(shù)逐漸興起。利用該技術(shù)常溫環(huán)境下，通過壓力作用，就能對工業(yè)物料在分子級別進(jìn)行分離，相比傳統(tǒng)的熱法分離，其可以顯著降低能耗。然而，在其中起關(guān)鍵作用的聚合物膜材料，存在易被有機(jī)溶劑侵蝕、孔徑不穩(wěn)定等問題。

針對這些問題，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系、浙江大學(xué)紹興研究院朱利平教授研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用分子層沉積法，制備出可用于有機(jī)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(shù)十納米范圍調(diào)節(jié)。相關(guān)研究論文近日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會(huì)·應(yīng)用材料與界面》。

生物制藥、化學(xué)合成等過程會(huì)使用大量有機(jī)溶劑，傳統(tǒng)生產(chǎn)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(tǒng)的熱法分離可理解為燒水熬制，相變過程即氣態(tài)液態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，能耗之高不難想象。”朱利平介紹，根據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)分離過程能耗約占全球總能耗的10%—15%，占所有工業(yè)過程能耗的45%—55%。如果用膜分離技術(shù)替代熱法分離，可以節(jié)約能耗80%—90%。

朱利平說，在用于藥物純化與精制等時(shí)，有機(jī)溶劑納濾技術(shù)所采用的聚酰胺納濾膜就像篩子一樣，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(fā)生相變、能耗低，對助力“雙碳”戰(zhàn)略具有重要意義。但現(xiàn)有的水處理用聚酰胺納濾膜材料難適用于有機(jī)溶劑體系，目前僅少數(shù)國家實(shí)現(xiàn)了有機(jī)溶劑納濾技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

朱利平研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)三年，就提升納濾膜穩(wěn)定性、過濾精度等問題開展攻關(guān)。

“最終成品就是那么一張‘紙’，雖然看起來很薄，但實(shí)際上有三層結(jié)構(gòu)。”論文通訊作者之一、浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系副研究員方傳杰介紹，滌綸材質(zhì)的無紡布作為支撐層，厚度為0.1—0.2毫米；聚酰亞胺材質(zhì)的多孔超濾支撐層，厚度約為250微米；交聯(lián)聚酰胺構(gòu)成的納濾分離層，對分離效果起決定性作用。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，科技日報(bào)記者看到，科研人員將維生素B_12與乙醇的混合溶液倒入過濾池，啟動(dòng)磁力攪拌器確保溶液濃度均勻，操作調(diào)壓閥向過濾池內(nèi)穩(wěn)定供壓，片刻之后，順著過濾池的導(dǎo)管，乙醇就從溶液中被逐漸分離出來了……

“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，其他與維生素B_12藥物分子大小類似的藥物分子均可通過此技術(shù)與溶劑分離，實(shí)現(xiàn)濃縮和提純。”論文作者之一、浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系碩士生李付鵬說。

整張薄膜中，有機(jī)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?zhàn)樱缓蠼胨心坛赡ぁ＿@層“膩?zhàn)印北砻孢€能生成凸起的化學(xué)連接點(diǎn)，參與生成納濾分離層。

方傳杰告訴記者，有機(jī)溶劑中要分離的溶質(zhì)直徑約0.5—2納米，兼顧滲透效果和耐用性等，納濾膜分離層需要具有孔徑小、厚度薄、化學(xué)耐受性強(qiáng)等特點(diǎn)。

朱利平介紹，此次研究中，團(tuán)隊(duì)采用不同于常規(guī)界面聚合的分子層沉積法，利用“膩?zhàn)印北砻娴幕瘜W(xué)連接點(diǎn)進(jìn)行表面化學(xué)吸附并發(fā)生反應(yīng)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(shù)精確控制薄膜的厚度，一層層“編織”出精密篩網(wǎng)。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)制備的聚酰胺膜表面光滑，厚度在10—35納米范圍內(nèi)，線性可控、結(jié)構(gòu)均一完整且應(yīng)用穩(wěn)定，對有機(jī)溶劑中目標(biāo)物的過濾效率在90%以上。

“團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)成果處于實(shí)驗(yàn)室階段，成果轉(zhuǎn)化計(jì)劃正有序進(jìn)行。”朱利平表示，全球范圍內(nèi)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)總體處于起步階段，未來的市場前景值得期待。