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近日，中國科學院大連化學物理研究所能源催化轉(zhuǎn)化全國重點實驗室無機膜與催化新材料研究組(504組)楊維慎研究員、班宇杰研究員等利用“競爭性界面溶解-交聯(lián)”方法，制備出厚度小于10 nm的硅橡膠膜。該膜對1.0 wt.%丁醇水溶液(模擬生物發(fā)酵液濃度)的富集濃縮倍數(shù)達14倍，液體總滲透量達到110 kg m-2 h-1，性能較現(xiàn)有報道的丁醇富集膜提升1至2個數(shù)量級。
生物丁醇由可再生生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化得到，能量密度接近汽油，是具有替代潛力的關鍵性生物燃料。然而，生物丁醇常與水共存，濃度極低(質(zhì)量分數(shù)小于2%)。以常規(guī)滲透氣化脫水膜濃縮丁醇需較大膜面積且效率低，解決這一難題的有效途徑是通過膜材料設計，實現(xiàn)水中低濃度丁醇優(yōu)先、快速滲透富集。
本工作中，研究團隊致力于制備超薄、親有機硅橡膠膜材料。有別于傳統(tǒng)體相溶液交聯(lián)-刮涂的制膜過程，研究人員首先將線性聚硅氧烷吸附擔載于多孔氧化鋁載體納米孔隙內(nèi)，形成厚度約12微米的支撐液膜，后將其浸沒于交聯(lián)劑溶液中觸發(fā)界面反應，利用線性聚合物溶解剝落和表面交聯(lián)固化的競爭性平衡效應，制備出膜層厚度僅為10 nm，且完全限制在載體納米孔隙中的硅橡膠膜，顯著降低擴散傳質(zhì)阻力。與此同時，載體納米粒子與膜層的相互依附關系塑造了非均質(zhì)、極粗糙膜表面，大幅提升丁醇在膜表面的釘扎吸附。上述快速擴散-釘扎吸附的協(xié)同作用是促進丁醇分子滲透富集的關鍵。在相同的丁醇濃縮水平和產(chǎn)能條件下，所需膜面積較現(xiàn)有報道減少67%至97%，有望降低分離成本。
相關工作以“Nanoconfined Ultrathin Polymer Membrane for Ultrafast Separation of Biobutanol from Water”為題，于近日發(fā)表在《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上。該工作的第一作者是我所504組博士研究生劉嘉懿。以上工作得到我所創(chuàng)新基金等項目支持。
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