由于石油資源逐漸枯竭和大氣污染日益嚴(yán)重，乙醇和丁醇作為代表性的生物燃料受到強烈關(guān)注。目前生物法生產(chǎn)生物醇面臨的主要問題是微生物對產(chǎn)物的脅迫耐受性差，導(dǎo)致產(chǎn)物濃度低，下游產(chǎn)品分離能耗高等突出問題。由于滲透汽化具有分離效率高、能耗低、無污染等優(yōu)點，被認(rèn)為是最有前途的分離技術(shù)，但是當(dāng)前滲透汽化膜存在滲透性和選擇性之間不可兼得的問題。目前研究最多的滲透汽化膜材料為聚二甲基硅氧烷（PDMS），模擬結(jié)果表明小分子在PDMS中的擴散屬于“空穴跳躍擴散理論”，即擴散并非是連續(xù)的，而是原地的小幅震動與大幅的跳躍相結(jié)合，使其擴散速率較低。碳納米管（CNT）內(nèi)外壁非常光滑，摩擦力小，有利于分子的快速傳輸，可作為理想的膜填充材料。但是傳統(tǒng)的共混制備法，使得CNT在膜中無規(guī)聚集，無法有效控制和進一步提高CNT膜的結(jié)構(gòu)和性能。通過計算機模擬，研究者們發(fā)現(xiàn)垂直排列的CNT具有許多獨特的優(yōu)勢，如單分散的納米孔道、水分子可快速通過等，使其在膜分離領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。
針對以上難題，該研究團隊利用垂直取向的CNT陣列作為原料，
采用低溫等離子體對CNT刻蝕開口，通過滲透填充的方法首次制備了類似“漢堡”結(jié)構(gòu)的垂直定向兩端開口CNT/PDMS復(fù)合膜，實現(xiàn)了碳納米管在高分子介質(zhì)中的均勻分布，并保持了碳納米管的高度取向。該復(fù)合膜打破了傳統(tǒng)CNT共混膜的填充極限，達到37.4 wt%，同時還兼具優(yōu)異的機械性能。同時，膜內(nèi)兩端開口的CNT陣列提供了納米級（~10 nm）的運輸通道遠大于PDMS埃級別（~5 Å）的跳躍空穴，極大的提高了滲透分子的擴散速率，具有滲透汽化-超濾機制的復(fù)合膜對生物醇的分離性能顯著提升（最大提高9倍）。此外，研究人員通過DFT理論計算表明，丁醇、乙醇和水分子與CNT管內(nèi)側(cè)的吸附能大于管外和PDMS，使?jié)B透分子在膜內(nèi)擴散首選CNT管內(nèi)，從而提高了復(fù)合膜對生物醇分子的滲透性和選擇性。這種“漢堡”結(jié)構(gòu)的垂直定向兩端開口CNT/PDMS復(fù)合膜，打破傳統(tǒng)膜存在的滲透性-選擇性之間難以權(quán)衡的問題，為分離膜的制備提供了一種全新的思路，并可以顯著提升生物能源醇類分離的經(jīng)濟性，使醇類生物能源生產(chǎn)過程更有市場競爭力。
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新人才支持計劃，大連市青年科技之星，大連市科技創(chuàng)新基金，大連理工大學(xué)優(yōu)秀青年人才科研專題，大連理工大學(xué)“星海學(xué)者”人才培育計劃等的聯(lián)合資助。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01831
來源：大連理工大學(xué)
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