近年来，有机溶剂纳滤技术逐渐兴起。利用该技术常温环境下，通过压力作用，就能对工业物料在分子级别进行分离，相比传统的热法分离，其可以显著降低能耗。然而，在其中起关键作用的聚合物膜材料，存在易被有机溶剂侵蚀、孔径不稳定等问题。
针对这些问题，浙江大学高分子科学与工程学系、浙江大学绍兴研究院朱利平教授研究团队运用分子层沉积法，制备出可用于有机溶剂纳滤的超薄聚酰胺纳米微孔膜，令药物提纯不再依赖于加热蒸馏过程。主要的纳滤分离层，厚度可在数十纳米范围调节。相关研究论文近日在线发表于国际学术期刊《美国化学会·应用材料与界面》。
生物制药、化学合成等过程会使用大量有机溶剂，传统生产工艺普遍采用蒸馏、精馏等方法纯化药物、回收溶剂，依赖物料的相变过程，能耗多且成本高。
“传统的热法分离可理解为烧水熬制，相变过程即气态液态之间的转换，能耗之高不难想象。”朱利平介绍，根据业内统计，工业分离过程能耗约占全球总能耗的10%—15%，占所有工业过程能耗的45%—55%。如果用膜分离技术替代热法分离，可以节约能耗80%—90%。
朱利平说，在用于药物纯化与精制等时，有机溶剂纳滤技术所采用的聚酰胺纳滤膜就像筛子一样，把有效成分过滤分离，过程温和，可避免热敏性成分失活，且不发生相变、能耗低，对助力“双碳”战略具有重要意义。但现有的水处理用聚酰胺纳滤膜材料难适用于有机溶剂体系，目前仅少数国家实现了有机溶剂纳滤技术的工业应用。
朱利平研究团队历时三年，就提升纳滤膜稳定性、过滤精度等问题开展攻关。
“最终成品就是那么一张‘纸’，虽然看起来很薄，但实际上有三层结构。”论文通讯作者之一、浙江大学高分子科学与工程学系副研究员方传杰介绍，涤纶材质的无纺布作为支撑层，厚度为0.1—0.2毫米；聚酰亚胺材质的多孔超滤支撑层，厚度约为250微米；交联聚酰胺构成的纳滤分离层，对分离效果起决定性作用。
在实验室内，科技日报记者看到，科研人员将维生素B_12与乙醇的混合溶液倒入过滤池，启动磁力搅拌器确保溶液浓度均匀，操作调压阀向过滤池内稳定供压，片刻之后，顺着过滤池的导管，乙醇就从溶液中被逐渐分离出来了……
“过滤池底部铺垫的就是我们研制的超薄聚酰胺纳米微孔膜，其他与维生素B_12药物分子大小类似的药物分子均可通过此技术与溶剂分离，实现浓缩和提纯。”论文作者之一、浙江大学高分子科学与工程学系硕士生李付鹏说。
整张薄膜中，有机溶剂先后和纳滤分离层、超滤支撑层、无纺布接触。方传杰解释道，中间的超滤支撑层就像在无纺布上刮一层腻子，然后浸入水中凝固成膜。这层“腻子”表面还能生成凸起的化学连接点，参与生成纳滤分离层。
方传杰告诉记者，有机溶剂中要分离的溶质直径约0.5—2纳米，兼顾渗透效果和耐用性等，纳滤膜分离层需要具有孔径小、厚度薄、化学耐受性强等特点。
朱利平介绍，此次研究中，团队采用不同于常规界面聚合的分子层沉积法，利用“腻子”表面的化学连接点进行表面化学吸附并发生反应而形成分子尺度的沉积薄膜，还能通过控制分子层沉积周期数精确控制薄膜的厚度，一层层“编织”出精密筛网。
经过多次实验验证，研究团队制备的聚酰胺膜表面光滑，厚度在10—35纳米范围内，线性可控、结构均一完整且应用稳定，对有机溶剂中目标物的过滤效率在90%以上。
“团队这项成果处于实验室阶段，成果转化计划正有序进行。”朱利平表示，全球范围内，相关产业总体处于起步阶段，未来的市场前景值得期待。
