針對相關(guān)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隊運用分子層沉積法，制備出可用于有機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·應(yīng)用材料與界面》。
研究團隊自行研制過濾裝置，進行聚酰胺復(fù)合納米微孔膜測試。洪恒飛 攝
一張薄膜包含三層結(jié)構(gòu)
(資料圖片)
“最終成品就是那么一張‘紙’，雖然看起來很薄，實際上有三層結(jié)構(gòu)。”論文通訊作者之一、浙大高分子科學(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。
聚酰胺俗稱尼龍是一種工程塑料，由于制備簡單、分離性能佳，被廣泛應(yīng)用于納濾等水處理工藝。聚酰亞胺則由于其高溫穩(wěn)定性、機械性能和優(yōu)異的耐化學(xué)性，常被用作塑料、薄膜、絕緣涂料和高溫結(jié)構(gòu)粘合劑。
生物制藥、化學(xué)合成等過程會使用大量有機溶劑，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，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%至90%。
朱利平說，參照水處理，有機溶劑納濾技術(shù)用于藥物純化與精制等方面，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“碳達峰、碳中和”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溶劑體系，目前僅少數(shù)國家實現(xiàn)了有機溶劑納濾技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。
在科技部等九部門印發(fā)的《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》中，部署了低碳與零碳工業(yè)流程再造技術(shù)突破行動。此項研究中，研究團隊歷時三年，就提升納濾薄膜穩(wěn)定性、過濾精度等問題開展攻關(guān)。
多輪“編織”制成精密篩網(wǎng)
在研究團隊實驗室內(nèi)，記者看到，科研人員將維生素B12與乙醇的混合溶液倒入過濾池，啟動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……
“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，其他類似于維生素B12大小的藥物分子均可通過此技術(shù)與溶劑分離，實現(xiàn)濃縮和提純。”論文作者之一、浙大高分子科學(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子，然后浸入水中凝固成膜。這層“膩子”表面還能生成凸起的化學(xué)連接點，參與生成納濾分離層。
方傳杰告訴記者，有機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，納濾膜分離層需要孔徑小、厚度薄、化學(xué)耐受性強等條件。
交聯(lián)的聚酰胺膜可將線型高分子改為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高耐用性，可被用作薄層復(fù)合膜的分離層，但常規(guī)的制備方法依賴于界面聚合，相當(dāng)于把一張“紙”先后浸到不同液體，使其在“紙面”發(fā)生反應(yīng)后形成一層膜。
朱利平介紹，此次研究中，團隊采用不同于常規(guī)界面聚合的分子層沉積法，利用“膩子”表面的化學(xué)連接點進行表面化學(xué)吸附并反應(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)過多次實驗驗證，研究團隊制備的聚酰胺膜表面光滑，厚度在10納米-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，對有機溶劑中目標(biāo)物的過濾效率在90%以上。
“團隊這項成果處于實驗室階段，成果轉(zhuǎn)化計劃正有序進行。”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。
(責(zé)任編輯：范曉婷)
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