《ACS Nano》：怎样简单的得到高效仿生分离膜？

来源：高分子科学前沿

生活中，膜分离技术的应用十分广泛，诸如污水处理、海水淡化、食品加工、气体分离等。而在膜分离技术中，牵绊其进一步发展的因素，往往是“选择性-渗透性”的不平衡。通常情况下，膜渗透性大会导致选择性下降，因此如何平衡两者，获得性能优良的分离膜不单是研究者们的焦点，更是生产者们的焦点。人们注意到，细胞膜拥有着高效选择透过作用，从这一角度出发，研究者们开始制备仿生传质分离膜。细胞膜由磷脂双分子层构成基本支架，膜蛋白贯穿磷脂双分子层作为“信息沟通渠道”，使得膜内外进行物质、能量和信息交换。许多人工仿细胞膜制备的高效分离膜得以制备出来，然而此类分离膜，大部分仅在脂类环境下测试和应用，难以在其他溶剂下使用，这给仿生分离膜的实际应用带来了困难。为了解决这一难题，美国宾夕法尼亚州立大学Manish Kumar团队使用嵌段共聚物形成层状框架，其间嵌入不同功能的“通道”物质，得到具有不同传输功能的，可以在不同环境下使用的分离膜。相关工作发表于《ACS NANO》中，题为“Biomimetic Separation of Transport and Matrix Functions in Lamellar Block Copolymer Channel-Based Membranes”。该研究中的嵌段共聚物层状框架选取了疏水-亲水-疏水三嵌段方式，避免因使用两嵌段共聚物在自组装过程中产生的层分离状态，使得自组装薄膜达不到良好的机械性能。该研究中的材料制备中心思想如图1所示。图1 此研究中仿生分离膜示意图该仿生分离膜的制备工艺十分简单，主要过程是将含有嵌段共聚物单体、光引发剂、“通道”物质、交联剂的四氢呋喃溶液旋涂于含有PEDOT:PSS的硅片上，在紫外灯下进行聚合反应并自组装形成分离膜。最后浸没于水中，溶解去除PEDOT:PSS，得到分离膜并随后将其转移至多孔铝片上得到复合薄膜。随后，测试了复合薄膜的透过性和选择性，其结果如图2。从图中可知，本研究中的方法制备得到的仿生分离膜即具有高透过性，同时拥有高选择性，很好地解决了两者权衡问题。图2 左图为水透过性能，其中IOI（n-m-n）表示嵌段共聚物为聚异戊二烯-氧化乙烯-异戊二烯，n、m分别对应其相对分子量。3PAP5、4PAP5为两种不同的“通道”物质。右图为含有/不含有4PAP5“通道”的薄膜的截留分子量图。本论文工作采用嵌段共聚物作为层状框架，嵌入人工或天然的“通道”物质，成功得到了拥有一定机械强度、宏观无缺陷的高效分离膜。应用这种方法，可以选择不同功能的“通道”物质，从而对特定物种进行截留分离，大大拓宽了分离膜的应用范围，可见其应用前景十分广阔。