有機(jī)溶劑納濾膜在化學(xué)品純化方面的應(yīng)用進(jìn)展

背景介紹目前，數(shù)百萬(wàn)t的有機(jī)溶劑用于化工、制藥、食品等行業(yè)，其中50%以上的工藝流程涉及分離，例如油水分離、抗生素純化、牛奶磷脂純化等。在過(guò)去的十幾年中，制造業(yè)越來(lái)越關(guān)注產(chǎn)生的能耗和污染排放。通過(guò)溶劑回收和再循環(huán)可以提高工藝的整體效率、降低原料、倉(cāng)儲(chǔ)和污染物排放等成本。傳統(tǒng)分離回收過(guò)程是通過(guò)蒸餾、蒸發(fā)和干燥將溶質(zhì)與溶劑分離。文章亮點(diǎn)1.

以有機(jī)材料膜為主，從整體非對(duì)稱(chēng)膜和薄層復(fù)合膜兩個(gè)方向展開(kāi)，基于傳質(zhì)模型和工程應(yīng)用對(duì)近期研究進(jìn)展進(jìn)行了討論；2.OSN膜的發(fā)展與工業(yè)應(yīng)用提供新的思路，未來(lái)的研究應(yīng)注重膜材料與結(jié)構(gòu)的耐溶脹和其在不同溶劑中的分離性能不一致性等關(guān)鍵問(wèn)題。

內(nèi)容介紹1

膜結(jié)構(gòu)和改性O(shè)SN技術(shù)對(duì)膜材料的要求主要有可加工性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能以及材料成本。聚合物膜材料具有價(jià)格低廉和易于加工的特點(diǎn)，已成為主流膜材料，包括聚丙烯腈(PAN)、PI、聚苯并咪唑(PBI)、聚醚醚酮(PEEK)等。1.1

整體非對(duì)稱(chēng)膜ISA膜制作的原理是相轉(zhuǎn)化。相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的鑄膜液通過(guò)溶劑的揮發(fā)、向溶液中加入非溶劑或者加熱等，使液相轉(zhuǎn)化為固相的過(guò)程。Yao等[11]用一系列四(4-羧基苯基)卟啉MOFs(Zn，Cu，Co，Ni)(M-TCPP)制備OSN膜，過(guò)程如圖1所示。與不含MOF的膜相比，含有MOF的膜都顯示出較高的乙醇通量，對(duì)亮藍(lán)R(BBR)的截留率略低。圖1

MMMs的制造過(guò)程示意圖，包括M-TCPP納米片的制備、鑄膜液的制備和通過(guò)刮刀進(jìn)行制膜[11]1.2

薄層復(fù)合膜TFC膜的分離層通過(guò)界面聚合制備，利用兩種高反應(yīng)活性單體或者預(yù)聚物在兩個(gè)不相溶的溶劑界面處發(fā)生聚合反應(yīng)，從而形成一層超薄分離層。常見(jiàn)的TFC膜主要由無(wú)紡布、多孔基膜以及分離層3部分組成，如圖2所示。圖2

TFC膜結(jié)構(gòu)示意圖2

OSN傳質(zhì)機(jī)理和模型在膜科學(xué)研究領(lǐng)域，和膜性能預(yù)測(cè)相關(guān)的膜分離機(jī)理的研究一直是主流方向，相應(yīng)的也提出了很多納濾膜分離機(jī)理的模型。現(xiàn)在主流的OSN傳質(zhì)模型為不可逆熱力學(xué)模型、孔流模型和溶解-擴(kuò)散模型。3

OSN應(yīng)用3.1

化工領(lǐng)域在化工領(lǐng)域，OSN膜在溶劑回收、溶質(zhì)純化等工藝中被廣泛應(yīng)用。Tim等[34]使用PMS600用于分離樺木分餾出的木質(zhì)素油，分離甲醇和乙酸乙酯混合溶劑時(shí)，分離系數(shù)達(dá)到7.4，且透過(guò)液組分中的酚類(lèi)純度為88%，示意圖如圖3所示。圖3

木質(zhì)素油分離示意圖3.2

醫(yī)藥領(lǐng)域在醫(yī)藥領(lǐng)域中，OSN膜主要應(yīng)用在藥物活性成分(API)的純化和溶劑回收兩方面。傳統(tǒng)API純化例如吸附、萃取等，工藝復(fù)雜、能耗高且耗時(shí)長(zhǎng)，在長(zhǎng)時(shí)間的純化過(guò)程中API容易失活導(dǎo)致良品率降低。3.3

食品領(lǐng)域在食品領(lǐng)域，OSN膜可用于食品天然成分提純、糧油食品加工等方面，由于條件溫和，對(duì)天然活性組分的損失更小。3.4

回收利用副產(chǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中是必定會(huì)出現(xiàn)的成分，例如生產(chǎn)中的附屬產(chǎn)物、廢液、廢渣等等。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提高，企業(yè)隨意處理副產(chǎn)的情況慢慢被禁止。4

總結(jié)與展望目前，OSN膜作為一種新興的膜分離技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題需要解決。首先，由于膜的耐溶脹性較差，隨著處理時(shí)間的增加，膜會(huì)發(fā)生溶脹現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致分離性能下降。更長(zhǎng)時(shí)間的處理可能會(huì)導(dǎo)致分離性能的完全消失，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不可接受的。其次，OSN膜的分離性能不一致現(xiàn)象也是一個(gè)亟需突破的問(wèn)題。由于膜對(duì)不同溶劑中的同一種溶質(zhì)表現(xiàn)出不同的分離性能，導(dǎo)致分離性能和結(jié)果難以預(yù)測(cè)，限制了其進(jìn)一步在化學(xué)試劑純化中的應(yīng)用。為了解決這些問(wèn)題，在開(kāi)發(fā)新型的OSN膜時(shí)應(yīng)對(duì)其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能等因素進(jìn)行更全面的