开丰娱乐-首选测速“这是分子层面上很精妙的设计，我相信这个工作将为膜界和石化行业带来改变，使用超薄疏水膜有望实现更环保和可持续的原油分离 [1]。”天津大学化学工程与技术学院姜忠义教授在接受

　　他谈及的是最近伦敦玛丽皇后大学/帝国理工学院团队的一项研究，研究人员设计了一款疏水的聚酰胺超薄膜，通过疏水嵌段提高了膜的疏水性。于此同时，他们将膜的厚度被降低至 10 纳米左右，大大地提高了膜的原油通量。

　　通过超薄疏水膜同时实现原油分馏中的高通量和高选择性，为更节能、更环保地实现原油分馏提供新的选择。

　　该论文第一作者为帝国理工学院化学工程系李思瑶博士，共同通讯作者为伦敦玛丽皇后大学博士后研究员江志伟（现 Exctmer 公司膜研发负责人）与安德鲁·利文斯顿（Andrew Livingston）教授。

　　目前，膜在原油分馏中的应用处于起步阶段，该方向的“开篇之作”是 2020 年该团队与佐治亚理工学院的 M·G·芬恩（M. G. Finn）教授及瑞安·利弗利（Ryan Lively）教授合作，并发表在Science的论文 [3]。

　　根据相关论文内容，新型螺环聚合物膜在分子尺寸与类别上都对原油实现了良好的分馏效果，然而其不足之处在于膜分离层的厚度过厚，这会导致通量过低，不利于工业化发展。

　　因此，要打通膜在原油分馏的工业化路径，必须攻克膜在原油领域应用中面临的巨大挑战——同时实现原油分馏中的高通量和高选择性。

　　具体来说，想达到高通量就要降低膜的厚度，并需要维持膜的疏水、亲油特性。与此同时，为了达到高选择性，膜孔必须控制在亚纳米级别。并且膜材料必须足够耐受溶剂，能在原油液体中保持稳定，不溶解、低溶胀、膜孔不坍塌变形。

　　该团队的新研究为上述难题提供了解决方案。相较于 2020 年的研究，即使在室温下，原油通量比高温环境下的新型螺环聚合物膜提高了 5 倍（一般而言，液体通量会随着环境温度提升而增高）。

　　而聚酰胺膜的高交联度又保持了膜在原油中的稳定性，使其达到了与新型螺环聚合物膜相同的分离效果。

　　从具体应用的角度来看，原油分馏出来的产物（如汽油、柴油等）依然是现代社会能源的主体，但在全球为实现碳达峰、碳中和的大背景下，需要更节能、更环保、更高效地实现原油分馏。“这个研究为该目标提供可能的新选择。”江志伟说。

　　该团队在本次研究中坚持“由终及始”的科研理念，这为膜领域带来新的思路。他们以应用终端的需求为“靶”，在分子层面对单体、聚合物、乃至于膜进行有针对性的设计，以此为“利箭”，力求“命中靶心”。

　　具体到以聚酰胺为代表的复合膜，其已然在海水淡化领域大放异彩。其表示：“经此研究之后，该方向必然受到更多的关注，我们希望会激发更多的科研者一同探索该领域，使疏水聚酰胺膜能够复制海水淡化膜的奇迹，成为原油分馏行业的主力军。”

　　据悉，该研究共历时 4 年。在过去的几年里，该团队在超薄聚酰胺膜领域做了一些相关的研究，但都应用于极性溶液的分离中，在类似原油的非极性溶液中的通量很低。

　　其原因在于酰胺官能团的亲水性，于是他们思考，如何从单体上“做文章”呢？随后他们加入疏水集团，使原本亲水的聚酰胺膜变得疏水，对单体进行了改性，加入含氟或含烷烃的疏水嵌段，形成疏水聚酰胺薄膜。

　　该研究的创新性体现在分子设计以及囊泡与膜的结合。具体来说，该团队在分子设计上将膜的超薄特质与疏水性的结合，“双管齐下”提高通量。通过引入疏水嵌段，大大地提高了膜的疏水性，将原本不适用于原油液体的聚酰胺膜变“废”为宝。

　　此外，他们还充分地发挥了聚酰胺膜的超薄特质，使其通量呈数量级的增长。即使和商用膜以及文献中报道的膜相比，该膜的性能也有显著优势。研究人员指出：“作为对比，疏水聚酰胺膜的非极性溶剂（比如庚烷）通量比亲水聚酰胺膜提高了两个数量级，且维持了对溶质的高选择性。”

　　该团队还创造了原油分离通量与选择性的“双高”。这得益于疏水嵌段在囊泡中形成的疏水通道，既加快了原油的传输，又因为疏水链与原油相似相溶的特质实现了选择性。

　　值得注意的是，通过将疏水嵌段的化学结构、嵌段长短改变，不仅能够有效地控制膜厚，还能调控膜的分离性能。比如研究人员将含氟和含烷烃的膜进行了对比，发现它们之间的通量和选择性都有所差异，而在同一序列内又保持一致。

　　江志伟表示，这样的疏水嵌段不局限于这两种，而可以根据所需的应用拓展出很多不同化学、长短、结构的嵌段。

　　从囊泡与膜的结合方面看，由于疏水嵌段胺的两亲性，使其在四氢呋喃与水的混合溶液中形成了中空囊泡的结构。有别于传统的混合基质膜将一种或多种非均质的填充物杂化进聚合物膜中，该研究的囊泡在化学上和其他部分是同质的，都有胺基可进行界面聚合反应。

　　“因此，囊泡不是被杂化进聚合物膜，而其本身就交联成为了聚酰胺膜的一部分，与其他部分形成了连续的整体。”他说。

　　实际上，囊泡的存在不仅大大地增加了膜的表面积。同时，囊泡上聚集的疏水链经过激活后会形成疏水通道，提高原油的传输。此外，虽然囊泡的外观直径在 200-500 纳米，但分离层的厚度只有 10-30 纳米，其底下皆为中空腔体，能进一步提高通量。

　　江志伟对该领域的发展充满信心，他表示，这个领域的发展与“原油价格是全球经济的风向标”如出一辙，对原油分馏过程的改进，也必将会是一场牵动全球、普惠民生的变革。他希望，膜在这个过程中能够占有“一席之地”。

　　正是看到了该技术未来发展前景，该团队在十年前就开始对聚酰胺膜进行研究，而这些长期积累的经验，为此次研究打下了夯实的基础。2015 年他们发表在 Science 的论文中，提出了超薄聚酰胺膜的概念，并实现了对极性溶剂数量级的通量增长 [4]。

　　随后在 2018 年，该团队又在Advanced Materials上报道了利用自由界面合成聚酰胺超薄膜的方法，实现了对超薄膜厚度的精准调控，这也是本次研究中用到的合成方法 [5]。

　　而就在该论文发表的一个月前，江志伟还在Nature上以第一作者身份发表论文，把多孔材料合成为聚酰胺膜，并使其在多孔材料在膜内有序地排列进而形成传输通道，实现了亚纳米尺度的精准筛分 [6]。

　　接下来，他和所在团队将继续探索聚合物膜、无机物膜、多孔材料、功能性材料等在原油分馏领域的应用。同时，他们也在研究如何将该成果放大。据悉，该团队计划先实现中试，进而做成膜组件，最终推向产业化。