南京工业大学孙世鹏教授团队《Adv. Membr.》内衬增强型中空纤维耐溶剂纳滤膜

导

读

近年来，耐有机溶剂纳滤膜分离技术在高附加值产品如营养品、药品和精细化学品等的分离纯化过程取得了应用并引起了广泛关注。目前商业品化的耐溶剂纳滤膜大多是组装成螺旋卷式膜组件的平板纳滤膜。与平板膜相比，中空纤维耐溶剂纳滤膜组件具有高填充密度、更开放的流道以及允许灵活的清洁策略等优势，更适用于复杂物料体系的高精度分离需求。然而中空纤维耐溶剂纳滤膜在苛刻溶剂中会出现溶胀现象，溶胀导致膜丝伸长和机械性能损失，降低了中空纤维膜在溶剂环境中的耐久性和稳定性。因此，开发具有精密的筛分孔径、在苛刻的溶剂中具有可靠的稳定性和耐久性的中空纤维耐溶剂纳滤膜是市场的迫切需求。南京工业大学孙世鹏教授团队在Advanced Membranes期刊发表了题为“Robust Braid Reinforced Hollow Fiber Membranes for Organic Solvent Nanofiltration”的文章，首次制备了具有精准的筛分孔径、超高的机械强度和优良的溶剂稳定性的内衬增强型中空纤维耐溶剂纳滤膜，并用于溶剂中小分子药物的回收。该技术在小分子药物、精细化学品的精制过程展现了广阔的应用空间和市场价值。

图

文

详

解

1. 背景介绍

高附加值化合物如营养品、药品和精细化学品等产品的纯度是产品质量的关键指标之一。这些产品在有机溶剂中的分离和提纯过程决定了最终的产品质量，同时占据了30%—70%产品生产成本。中空纤维耐溶剂纳滤膜分离过程被认为是传统分离工艺（如结晶、蒸馏等）的优选替代分离过程。但是，自支撑结构的中空纤维膜在接触苛刻的溶剂时，会发生一定程度的溶胀，溶胀导致膜丝的伸长和机械性能损失，降低了中空纤维膜在溶剂环境中的耐久性和稳定性。开发在苛刻溶剂中具有高效的分离效率和持久的结构稳定性的中空纤维膜是迫切需要的。

2. 内衬增强中空纤维纳滤膜的制备及其耐溶胀性分析

通过非溶剂诱导相转化法将P84纺丝溶液涂覆在内衬管上制备了内衬增强中空纤维膜。内衬增强中空纤维膜具有致密的外皮层和疏松的界面结构（图1）。并且，铸膜液渗入到内衬管的腔内，对内衬管进行了有效的包裹，并在内腔形成了疏松多孔结构。

图 1. 内衬增强中空纤维膜形貌图。

中空纤维膜的机械强度及其在有机溶剂中的溶胀性能对于耐溶剂纳滤膜组件的放大和应用至关重要。通过结合 PET 内衬管，内衬增强中空纤维膜的机械强度大幅提升（图2）。拉伸强度在20 MPa以内，内衬增强中空纤维的应力-应变关系几乎呈线性相关，表明膜没有达到屈服应力。内衬增强膜强大的抗拉伸性能消除了中空纤维膜在苛刻的有机溶剂中运行时断裂的风险。

图2. (a) 膜的机械性能图；(b) 操作压力与膜的纯溶剂通量的关系。

内衬增强中空纤维可以在极性非质子型溶剂中承受 15 bar 的操作压力，DMF 通量高于 37 LMH。高结晶度的 PET 内衬管具有高度有序的链结构，可防止溶剂分子侵入链间，因此可在苛刻的有机溶剂中保持机械强度。单层中空纤维膜在DMF中的溶胀伸长率为9.9%，在NMP中为16.9%以上，而内衬增强中空纤维膜的溶胀伸长率可以忽略不计（图3（b））。内衬增强中空纤维膜的稳定性扩大了其在各种苛刻溶剂系统和操作条件下的应用范围。

图3. (a) 膜在溶剂中的溶胀伸长率；(b) 膜在溶剂中的溶胀伸长率。

3.内衬增强中空纤维耐溶剂纳滤膜的分离性能

内衬增强中空纤维耐溶剂纳滤膜对分子量范围在 444.45 Da 至 1355.37 Da 的三种药物表现出超过 98.8% 的截留率（图4（a）（b）（c））。内衬增强中空纤维纳滤膜在 DMF 中浸泡超过 360 小时后，对盐酸金霉素的截留率保持在 98% 以上（图5（b））。

图4. 膜的截留性能：(a) 四环素溶液的紫外-可见吸收光谱；(b) 盐酸金霉素溶液的紫外-可见吸收光谱；(c) 维生素 B12 溶液的紫外-可见吸收光谱。(d) 纯溶剂渗透率与物理化学性质的相关性。

图5. (a) 内衬增强中空纤维耐溶剂纳滤膜的 2 英寸组件；(b) 膜分离性能的长期稳定性。

4.总结与展望

内衬增强中空纤维纳滤膜在非质子溶剂中可承受比交联型聚酰亚胺中空纤维耐溶剂纳滤膜大 3 倍的操作压力。在 15 bar的操作压力下， DMF 通量为 37.9 LMH，甲醇通量为 70.3 LMH。内衬膜对四环素、盐酸金霉素和维生素 B12 的截留率超过 98.8%。在 DMF 中浸泡360小时后，膜对盐酸金霉素的截留率保持在 98% 以上。

内衬增强中空纤维纳滤膜克服了中空纤维耐溶剂纳滤膜的溶胀趋势，扩大了其在各种苛刻溶剂体系和操作条件下的应用范围，使得高性能中空纤维耐溶剂纳滤膜组件的规模化放大得以实现。由于具有分子级的筛分能力和可靠的稳定性及耐久性，内衬增强中空纤维耐溶剂纳滤膜在涉及溶剂体系的物料分离过程中展现出广阔的应用空间和市场价值。

5. 文章信息

本文以“Robust Braid Reinforced Hollow Fiber Membranes for Organic Solvent Nanofiltration”为题发表在Advanced Membranes期刊，共同一作为南京工业大学王振远讲师和硕士生冯儒，通讯作者为南京工业大学孙世鹏教授，合作者为邢卫红教授。该工作得到国家重点研发计划（2020YFA0211002）、国家自然科学创新研究群体基金（21921006）、霍英东教育基金（171062）、江苏省自然科学基金优秀青年项目资助 (BK20190037)项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.advmem.2021.100007(点击阅读原文获取全文）

引用格式：Z. Y. Wang, Ru Feng, W. J. Wang, Y. X. Sun, S. N. Tao, Y. M. Wang, Y. F. Chen, Z. J. Fu, X. L. Cao, S. P. Sun, W. Xing, Robust braidreinforced hollow fiber membranes for organic solvent nanofiltration (OSN). Advanced Membranes 1 (2021)100007.

作

者

简

介

第一作者

王振远（助理教授）

王振远，南京工业大学国家特种分离膜工程技术研究中心助理教授。本科毕业于海南大学化学工程与技术专业（与天津大学联合培养），硕士毕业于中国海洋大学化学工程专业，博士毕业于南京工业大学膜科学与技术研究所材料化学工程专业，并于2021年加入南京工业大学。研究方向是中空纤维纳滤膜，包括中空纤维纳滤膜的纳微结构调控、功能化设计、高效放大制备与应用过程。已在膜研究领域的顶级期刊上发表了10多篇论文。已申请3项专利，1项已授权。

共同第一作者
冯儒，南京工业大学化工学院硕士研究生。研究方向是中空纤维纳滤膜。

通讯作者

孙世鹏（教授）

孙世鹏，南京工业大学教授，博士生导师，国家特种分离膜工程技术研究中心副主任。专注于有机纳滤膜材料设计、制备与应用研究。入选国家级人才计划（2015）、江苏省杰出青年基金（2019）、霍英东青年教师基金（2020）。入选国际先进材料协会会士（2021）。

本科毕业于天津大学化工学院，博士毕业于新加坡-麻省理工学术联盟，新加坡国立大学博士后。在AIChE J., Nano Lett.等刊物发表论文60余篇。申请30余项专利，已授权10余项中国、新加坡专利。荣获中国化工学会基础研究成果一等奖（1/6，2021）、侯德榜化工科技青年奖（2020）、中国膜行业杰出青年科技工作者（2020）、新加坡青年化学工程师奖（2012）等荣誉。担任中国海洋学会海水资源利用专业委员会副主任委员、Advanced Membranes、Separationand Purification Technology青年编委等学术职务。

Adv Membr期刊是开放获取（Open Access, OA）刊物，所有刊载论文可被同行免费下载、参阅和引用，传播范围广，影响力大。期刊采用Elsevier的编辑系统Editorial Manager，投稿、同行评审过程高效。所有文章将经过严格的同行评审，文章一经收录，将在Science Direct数据库开放获取。Elsevier、KeAi及编辑部将通过多方渠道宣传推广论文。编辑部将在每年刊载的论文中评选出优秀论文奖，以表彰为膜领域创新发展做出积极贡献的作者。诚挚邀请广大科研人员在Adv Membr期刊发表高水平论文。‍有关投稿、合作等相关事宜可咨询期刊编辑部邮箱（[e-mail]）。

期刊主页

http://www.keaipublishing.com/en/journals/advanced-membranes/

投稿系统

https://www.editorialmanager.com/advmem/default.aspx

Advanced

Membranes

更多期刊介绍

请关注本公众号