Adv. Sci.:用于有機液體分離的形狀選擇性超微孔碳膜

【引言】

無論從復雜的烴類分子混合物，還是到單一組分的液相化學分離，都是一個規模大且耗能的過程。目前，化學分離過程占全球能源消耗的10-15%，且該過程中的分子選擇性過程是通過熱性能（如沸點）實現的，而不是依據分子的大小和形狀來選擇。與熱驅動的分離工藝相比，具有分子特異性、能夠有效分離相似大小和形狀的分子膜可以避免相變，降低該過程的能量強度，從而使能效提高了10倍。通過對過去幾十年分子膜在海水淡化和氣體分離領域的成功應用，基于膜的分離工藝已經為有機液體分離提供了一種低能耗解決方案。通過設計不同的微孔材料，可以“篩分”分子同時無需大量相變，這為顯著降低能量提供了一個重要的機會。在這其中，微孔碳膜由于其分子選擇性和孔可調性，以及優異的耐溶劑性，可能成為有機溶劑分離的潛在候選者。

近日，?韓國科學技術研究院Dong-Yeun Koh（通訊作者）基于分子的大小和形狀，證明了己烷異構體的正向滲透分子分離。由6FDA聚酰亞胺生產的超微多孔碳膜實現了不同形狀分子異構體的分離。研究表明，驅動溶劑在室溫沒有液相加壓的情況下，提供了一種驅使己烷異構體分餾的動力。這種膜可以對有機液液進行大量的化學分離，從而顯著降低了分離過程的能量強度。相關研究成果以“Shape-Selective Ultramicroporous Carbon Membranes for Sub-0.1 nm Organic Liquid Separation”為題發表在Adv. Sci.上。

【圖文導讀】

圖一、利用CMS中空纖維膜選擇性OSFO分離

（A）代表每個分支狀態的己烷異構體；

（B）將6個基于FDA的聚酰亞胺轉化為具有剛性超微孔結構的CMS，以實現形狀識別；

（C）CMS膜的TEM圖像；

（D）評估了由87?K?Ar物理吸收計算出的三種不同CMS膜的孔徑分布。

圖二、剛孔結構的形狀選擇性

（A）適用于6FDA?DAM CMS膜的Fickian模型；

（B）尺寸選擇性和形狀選擇性對每個CMS膜中2-MP/2,3-DMB的擴散選擇性的貢獻；

（C）來自三種不同的6FDA聚酰亞胺，顯示出鏈的不同自由度和相應的超微孔；

（D）熱力學校正擴散系數與三種不同CMS膜的活性，以及每種CMS膜中異構體的平均擴散系數。

圖三、形貌分析及性能測試

（A）前驅體和CMS中空纖維膜橫截面的SEM圖像；

（B）單組分滲透數據；

（C，D）二元混合物滲透數據與實驗時間的關系。

圖四、6FDA-DAM CMS中空纖維膜在室溫下的OSFO實驗結果

（A）三元混合物滲透數據與實驗時間的關系；

（B）2,3-DMB對n-hex或2-MP的選擇性

（C）實驗期間進料和滲透液的摩爾分數變化，以及計算的RON。

【小結】

綜上所述，本文報道了基于6FDA-聚酰亞胺合成的超微孔碳中空纖維膜，可以通過有機溶劑正向滲透 (OSFO) 以0.1 nm的尺寸分辨率根據分子的大小和形狀直接分離液相己烷異構體。在這項工作中證明的OSFO顯示了能夠進行“溶劑”-“溶劑”分離的分子特異性，這只有在具有0.1 nm分辨率的OSRO過程中才能實現。還應該注意的是，使用大分子量的“驅動溶劑”會產生足夠的滲透壓梯度，以成功促進滲透，而沒有反擴散。值得注意的是，CMS膜顯示的超微孔尺寸與己烷異構體的動力學直徑相似。由于形狀差異導致的兩種異構體的分子遷移率的分子動力學分離，即表示為形狀選擇性，在單支化/雙支化對中得到證明。受這些結果的啟發，本文基于6FDA-DAM前驅體的中空纖維膜對己烷異構體的直接液相分離進行了放大。具有二元和三元混合物的OSFO顯示出最大的跨膜滲透壓梯度，這使得在室溫下分離己烷異構體得以實現。

文獻鏈接：“Shape-Selective Ultramicroporous Carbon Membranes for Sub-0.1 nm Organic Liquid Separation”(Adv. Sci.，2021，10.1002/advs.202004999)

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