方望熹团队合作Nature Communications：微孔聚合物吸附分离膜实现有机小分子高效分离

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分子分离在日常生活、工业生产以及环境治理等过程中，例如水质净化、油气精炼、能源生产和储存、药物成分提取和纯化等领域有着广泛的应用。膜技术具有绿色可持续性、可规模化和分离过程高效等优势，日益成为分离纯化的研究热点。然而，膜材料存在渗透性和选择性之间的trade-off关系，制约了膜技术在分子分离应用领域的进一步发展。膜吸附是一种压力驱动的动态吸附过程，结合了吸附分离和膜分离的各自优势。与传统压力驱动分离膜相比，吸附分离膜利用膜内功能基团与溶质之间的相互作用，如静电相互作用、π-π相互作用、范德华力和氢键等，实现目标分子的高选择性吸附和快速分离。特别是对小分子有机物的分离而言，吸附分离膜有望兼具纳滤膜级别的高选择性与多孔膜的高渗透性，从而突破渗透-选择性的trade-off关系的制约。但由于传统吸附分离膜比表面积小、所包含的吸附位点有限，整体吸附容量较低，只能处理浓度非常低的料液；而且单次料液处理量较低，需要频繁的膜清洗与脱附再生，极大地影响了膜吸附技术的发展和实际应用范围的拓宽。
　　近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所方望熹研究员团队与苏州大学靳健教授团队合作，报道了一种具有固有微孔的酰胺肟基改性聚合物（AOPIM-1）膜吸附材料。酰胺肟基改性赋予微孔聚合物良好的溶液加工性能，并为选择性吸附带电分子提供了丰富的吸附位点（图1），赋予膜材料超高的选择性吸附能力。由于其独特的化学和物理结构，该膜材料的静态吸附能力大大超过了传统聚合物吸附材料，与MOF吸附材料相当。通过相转化成膜法制备的AOPIM-1不对称膜，在动态吸附过程中实现了对有机小分子（>99.9%）的高效去除，渗透通量比具有类似分离精度的传统纳滤膜高出两个数量级，并且该分离性能在多次吸附-洗脱循环中保持稳定，通量保持率（FRR）大于98%。AOPIM-1膜对有机分子的动态处理容量达到26.1g m-2，远高于迄今为止报道的所有吸附膜材料，单次循环的处理能力为已报道膜材料的10-1000倍。研究中还尝试了该AOPIM-1膜对药物活性分子(APIs)的吸附分离，实现了对三元混合料液体系中APIs的高效吸附、多糖分子的高度截留和无机盐的快速透过，证实了高处理容量的吸附膜材料可极大拓展膜吸附过程在实际分离场景中的应用潜力。

　　图1. AOPIM-1不对称膜的制备 (a) AOPIM-1化学结构式及膜光学照片; (b) AOPIM-1 在不同pH下带电性变化；(c) 有机分子在微孔材料膜内吸附原理图； (d) AOPIM-1链间自由空间理论模拟；不同凝固浴条件下AOPIM-1不对称膜SEM图 (e)H2O:EtOH = 100:0 / (f) H2O:EtOH = 0:100
　　以上工作发表在Nature communications杂志上，论文第一作者为苏州大学王正宫副教授，苏州纳米所方望熹研究员和苏州大学靳健教授为论文的共同通讯作者。该工作得到科技部重点研发计划（2019YFA0705800）、国家自然科学基金（21988102, 51803145, 51873230）等项目支持。  
　　文章链接 ：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31575-y


      文章来源：苏州纳米所
      方望熹，2010 年获新加坡南洋理工大学环境工程学士学位，2014年毕业于新加坡南洋理工大学土木与环境工程学院（硕博连读），获哲学博士学位，并于南洋理工大学的新加坡膜技术中心（Singapore Membrane Technology Centre）任研究员（ResearchFellow）。2017年11月加入中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。多年来一直致力于纳米仿生材料与分离膜材料的研究，以及新一代节能环保的膜分离技术的开发及应用。先后研发了中空纤维正渗透膜、超低压纳滤膜、水通道蛋白反渗透膜等多种新型分离膜，显著降低了膜分离过程的运行压力和能耗，改善了膜分离在应用中的结垢、污染等实际问题。研究工作荣获2016年苏丹·本·阿卜杜勒·阿齐兹王子水资源国际奖（PSIPW），申请及授权多项国际专利，中空纤维复合膜、仿生脱盐膜等相关研究成果已实现制备工艺的规模化放大，并成功转让给新加坡水处理、海水淡化及膜技术相关公司进行产业化。