由先进材料驱动的新一代分子分离

在本周发表在“自然材料”杂志上的一篇论文中，佐治亚理工学院的研究人员发现了他们对基于刚性工程孔结构的可扩展膜材料的前景。他们说最有希望的材料可以扩展用于紧凑型模块，并利用分子水平的熵来调节膜的分离选择性。

佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院的教授兼Roberto C. Goizueta教授William Koros说：“这完全与能源和二氧化碳有关。”“化学品分离现在消耗的能源是整个运输部门的一半 - 陆地，海洋和空气。我们的目标是帮助工业将其减少十分之一，这也意味着减少二氧化碳排放。这不会马上发生，但我们已经证明了这种技术的基本原理。“

膜是工程化的屏障，其通过选择性地允许一定大小的分子在进入的进料流和流出的渗透物流之间通过来控制组分的分选。它们不需要大量的能量输入，这通常来自燃料的燃烧，因为使用这些膜可以大大减少能量消耗和产生的二氧化碳。该膜由先进的聚合物，混合材料和分子筛制成，具有适合预期用途的孔径。

用于生产纯净水的水性膜的成功证明了降低能耗的潜力。螺旋缠绕模块膜大大降低了生产清洁水的成本，尽管水分子和污染物之间的大尺寸差异使得这些工艺在技术上比气体和液体有机物分离更容易。

Koros的实验室专注于气体分离，但该文章还涉及液体分离过程。对于这两种应用，他和共同作者Chen Zhang指出，为了实用，新材料必须是可扩展的并且能够紧密包装以在小模块内提供大量表面积。最好使用最初开发用于制造普通纺织纤维的先进工艺生产的中空纤维膜。

“你必须拥有高性能且能够以每天英亩的规模进行加工的东西，”Koros说，他也是乔治亚研究联盟的膜技术杰出学者。“可扩展性与进行分离的能力同样重要。令人兴奋的邮票大小的材料将无法做出贡献。“

这两位作者还主张通过限制分子通过孔隙扩散的能力来实现熵分离技术，这取决于它们的分子几何形状。可以排除几何形状使其难以通过狭窄开口扩散的分子，而大小相同但几何形状不同的分子可以扩散通过。

“你可能最终能够得到第一个分子，但它会为熵付出代价，”科罗斯说。“如果一个分子有很多选择通过膜，它实际上处于较低的能量状态。当你减少选项的数量时，你就会增加自由能量。“

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