MIT最新Science，有機膜實現烴類化合物分離！

一、【科學背景】

在化學、制藥和石化行業中，基于熱過程的分離純化技術因能耗過高面臨嚴峻挑戰。以原油分餾這一典型熱分離工藝為例，其日均處理量高達1億桶原油，能耗占全球總量近1%，并貢獻了6%的溫室氣體排放。要實現煉油行業的脫碳目標同時保障燃料及原料供應，開發新型高效分離技術已成為當務之急。除了有機溶劑納濾（OSN；溶質尺寸：200至1000 g mol^-1）外，近期基于膜的有機溶劑反滲透（OSRO；溶質尺寸；<200 g mol^-1）因其潛在的高能效、低占地面積和操作簡單性而成為原油熱蒸餾的有前景的替代品。然而這些線性聚合物在有機溶劑中易發生溶脹塑化，導致篩分性能急劇下降，這一缺陷嚴重制約了其實際應用。

二、【創新成果】

受用于分離水和鹽分離的RO膜材料啟發，美國麻省理工學院Zachary P. Smith教授團隊在Science上發表了題為“Microporous polyimine membranes for efficient separation of liquid hydrocarbon mixtures”的論文，報告了一種基于酸催化界面聚合的分子工程方法，用于高效分離烴類化合物。設計策略包括（i）以亞胺鍵替代酰胺鍵來降低親水性及傳統聚酰胺膨脹和抗塑性不足；（ii）引入三庚烯和螺二芴等形狀持久性單元。具體地，研究人員為了制備聚亞胺TFC膜，使用MPD和三胺三聯苯（Trip）作為胺單體，同時將酰氯單體（TMC和SBF）更改為醛單體，分別為均苯三甲醛（TFB）和四甲醛螺二芴（TFS）。與常規聚酰胺相比，制備的聚酰亞胺膜具有超高的微孔性和增強的抗溶脹性和抗塑化性。此外，該聚亞胺膜展現出超高微孔性，其中Trip-TFS聚亞胺的分數自由體積（FFV）達到0.219，比目前報道的最微孔聚酰胺TBD-SBF（0.204）還高，甚至與線性PIM-1（0.230）相當。在純烴溶劑的滲透測試中，Trip-TFS對甲苯的滲透率達到0.41 LMH bar^-1，比對照的聚酰胺MPD-TMC（0.093 LMH bar^-1）高出340%，對正己烷和正庚烷等烴類溶劑的滲透率也顯著高于水，表現出極高的滲透性能。這些膜具有快速和選擇性傳輸烴類化合物的特點，包括多組分和工業相關的混合物，其性能優于商業和最先進的基準膜。

三、【圖文解析】

圖1? 單體設計和界面聚合示意圖 ? 2025 AAAS

圖2? 微孔聚酰亞胺的表征 ? 2025 AAAS

圖3? 微孔聚酰亞胺的抗膨脹性和抗塑化性 ? 2025 AAAS

圖4? 微孔聚酰亞胺膜的烴類化合物分離性能 ? 2025 AAAS

四、【科學啟迪】

幾十年來，界面聚合TFC膜徹底改變了水凈化行業。然而，將同樣的概念擴展到復雜有機混合物的分離仍然是一個巨大的挑戰。本研究通過界面聚合作用，引入新的亞胺鍵和微孔發生裝置是一種有用的策略，可用于開發具有良好尺寸選擇性、抗塑化和無氟的OSRO膜，用于原油分餾。多組分和真實混合物的滲透試驗表明，Trip TFS膜能夠以中等滲透性高效地按碳原子數對烴分子進行分餾。

原文詳情：Microporous polyimine membranes for efficient separation of liquid hydrocarbon mixtures (Science 2025, 388, 839-844, DOI: 10.1126/science.adv6886)

本文由賽恩斯供稿。