MIT最新Science，有机膜实现烃类化合物分离！

一、【科学背景】

在化学、制药和石化行业中，基于热过程的分离纯化技术因能耗过高面临严峻挑战。以原油分馏这一典型热分离工艺为例，其日均处理量高达1亿桶原油，能耗占全球总量近1%，并贡献了6%的温室气体排放。要实现炼油行业的脱碳目标同时保障燃料及原料供应，开发新型高效分离技术已成为当务之急。除了有机溶剂纳滤（OSN；溶质尺寸：200至1000 g mol^-1）外，近期基于膜的有机溶剂反渗透（OSRO；溶质尺寸；<200 g mol^-1）因其潜在的高能效、低占地面积和操作简单性而成为原油热蒸馏的有前景的替代品。然而这些线性聚合物在有机溶剂中易发生溶胀塑化，导致筛分性能急剧下降，这一缺陷严重制约了其实际应用。

二、【创新成果】

受用于分离水和盐分离的RO膜材料启发，美国麻省理工学院Zachary P. Smith教授团队在Science上发表了题为“Microporous polyimine membranes for efficient separation of liquid hydrocarbon mixtures”的论文，报告了一种基于酸催化界面聚合的分子工程方法，用于高效分离烃类化合物。设计策略包括（i）以亚胺键替代酰胺键来降低亲水性及传统聚酰胺膨胀和抗塑性不足；（ii）引入三庚烯和螺二芴等形状持久性单元。具体地，研究人员为了制备聚亚胺TFC膜，使用MPD和三胺三联苯（Trip）作为胺单体，同时将酰氯单体（TMC和SBF）更改为醛单体，分别为均苯三甲醛（TFB）和四甲醛螺二芴（TFS）。与常规聚酰胺相比，制备的聚酰亚胺膜具有超高的微孔性和增强的抗溶胀性和抗塑化性。此外，该聚亚胺膜展现出超高微孔性，其中Trip-TFS聚亚胺的分数自由体积（FFV）达到0.219，比目前报道的最微孔聚酰胺TBD-SBF（0.204）还高，甚至与线性PIM-1（0.230）相当。在纯烃溶剂的渗透测试中，Trip-TFS对甲苯的渗透率达到0.41 LMH bar^-1，比对照的聚酰胺MPD-TMC（0.093 LMH bar^-1）高出340%，对正己烷和正庚烷等烃类溶剂的渗透率也显著高于水，表现出极高的渗透性能。这些膜具有快速和选择性传输烃类化合物的特点，包括多组分和工业相关的混合物，其性能优于商业和最先进的基准膜。

三、【图文解析】

图1  单体设计和界面聚合示意图 © 2025 AAAS

图2  微孔聚酰亚胺的表征 © 2025 AAAS

图3  微孔聚酰亚胺的抗膨胀性和抗塑化性 © 2025 AAAS

图4  微孔聚酰亚胺膜的烃类化合物分离性能 © 2025 AAAS

四、【科学启迪】

几十年来，界面聚合TFC膜彻底改变了水净化行业。然而，将同样的概念扩展到复杂有机混合物的分离仍然是一个巨大的挑战。本研究通过界面聚合作用，引入新的亚胺键和微孔发生装置是一种有用的策略，可用于开发具有良好尺寸选择性、抗塑化和无氟的OSRO膜，用于原油分馏。多组分和真实混合物的渗透试验表明，Trip TFS膜能够以中等渗透性高效地按碳原子数对烃分子进行分馏。

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

本文由赛恩斯供稿。