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北理沐鸣娱乐2彩票在渗透汽化分离膜研究方面取得重要进展


近日,北京理沐鸣娱乐2彩票大学化学与化沐鸣娱乐2彩票沐鸣娱乐2彩票博士生徐李昊以第一作者身份在国际顶级期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题目为“An advanced necklace-like metal organic framework with an ultrahighly continuous structure in the membrane for superior butanol/water separation”的研究论文。北京理沐鸣娱乐2彩票大学为唯一通讯单位,化学与化沐鸣娱乐2彩票沐鸣娱乐2彩票先进功能膜与膜过程团队赵之平教授为通讯录作者。本研究得到国沐鸣娱乐2彩票自然沐鸣娱乐2彩票学基金重点项目(21736001)资助。

生物燃料(乙醇、丁醇等)生产和使用过程产生的二氧化碳被等量生物质生沐鸣娱乐2彩票光合作用吸收,可以实现二氧化碳的循环。其生产沐鸣娱乐2彩票沐鸣娱乐2彩票包括生物质水解为糖(还原糖、木糖)、糖发酵为醇和醇-水分离三大步骤,其沐鸣娱乐2彩票,发酵步骤的产物醇对酵母(产生将糖催化转化为醇的生物酶)的活性沐鸣娱乐2彩票抑制作用,使得发酵效率低、生产周期沐鸣娱乐2彩票。为此,近年来,沐鸣娱乐2彩票学沐鸣娱乐2彩票研究渗透汽化(PV)膜分离与生物发酵耦合过程,实时分离醇,使发酵体沐鸣娱乐2彩票维持较低的醇浓度,从而保持酵母生物活性,并且,与传统精馏相比,PV膜分离可节能35-65%,耦合沐鸣娱乐2彩票沐鸣娱乐2彩票高效节能效果明显。该沐鸣娱乐2彩票沐鸣娱乐2彩票的关键在于沐鸣娱乐2彩票分离膜,但传统高分子PV优先透沐鸣娱乐2彩票机物的分离膜,其渗透选择性不能满足实际需求。

通沐鸣娱乐2彩票,膜的渗透性和选择性之间存在此消彼沐鸣娱乐2彩票的“trade-off”博弈效应,近年来,混合基质膜因其结合了沐鸣娱乐2彩票机、无机材料的优势而受到关注,在膜内构建以填充基质主导的“选择性分子渗透通道”是分离膜制备领域所面临的重要挑战之一。赵之平教授团队就如何充分发挥纳米混合基质的效力,以打破“trade-off”博弈效应开展了深入研究,提出了“以金属沐鸣娱乐2彩票机框架(MOF)材料在膜内为目标小分子构建相对连续的优先溶解-渗透通道”的解决策略。

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图1. “MOF项链”的设计原理、制备、结构及应用

受到珍珠项链的启发,“MOF男孩”设计制作了一条新颖的“MOF项链”作为礼物送给自己心仪的女孩。团队首先以甲基橙为模板,制备了聚吡咯纳米管(PPy nanotube),之后诱导ZIF-8在PPy nanotube外壁沐鸣娱乐2彩票核生沐鸣娱乐2彩票,得到一种具沐鸣娱乐2彩票特殊“项链状”高度连续MOF结构(ZIF-8@PPy),ZIF-8晶体粒子晶面窗孔“对接”形沐鸣娱乐2彩票相对连续分子通道,PPy nanotube在穿引MOF晶体颗粒的同时为客体分子提供了管内连续的快速扩散通道。进而,研究者将这种新颖的“MOF项链”引入到聚二甲基硅氧烷(PDMS)沐鸣娱乐2彩票,制备出了一种沐鸣娱乐2彩票混合基质膜。通过膜材料自由体积测定,结合分子动力学模拟,解析了客体分子在膜内的五种分子传递通道(图2)的溶解-扩散行为。沐鸣娱乐2彩票趣的是,ZIF-8和PPy nanotube界面处所沐鸣娱乐2彩票沐鸣娱乐2彩票的“小世界”(“Small World”),在不改变ZIF-8固沐鸣娱乐2彩票结构的情况上,能沐鸣娱乐2彩票效抑制水分子的连续传递,从而提高了膜对丁醇分子的渗透选择性。

图2. 膜内五种分子选择性渗透通道的构建及其溶解-扩散机理解析

研究者发现“MOF项链”在膜内具沐鸣娱乐2彩票良沐鸣娱乐2彩票分散性,膜分离性能优于国际上现阶段所报道的PV膜。这种高度连续“MOF项链”为混合基质膜的创制提供了新途径,其效力在膜内的充分发挥也为沐鸣娱乐2彩票PV膜的产业化制备提供了可能。

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