注入金属氧化物的膜可为化学分离提供低能量替代品

化学品制造商每年消耗大量的能量来分离和精炼原料，以生产各种各样的产品，包括汽油，塑料和食品。

为了减少化学分离中使用的能量，佐治亚理工学院的研究人员正在开发能够在不使用能量密集型蒸馏工艺的情况下分离化学品的膜。

“各种行业中绝大多数的分离都是热驱动系统，如蒸馏，因此我们在这些分离过程中花费了大量的能量 - 比如全球能源的10%到15%预算用于化学分离，“佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院副教授Ryan Lively说。“避免使用热量和化学相变的分离能源强度要小得多。实际上，使用它们可以使能源成本降低90%。”

塑料膜已经能够根据尺寸和其他差异分离某些分子，例如在海水淡化中。但到目前为止，大多数膜已经无法承受苛刻的富含溶剂的化学物流，同时还能执行具有挑战性的分离任务。

在7月18日发表于“材料化学”并由国防部和国家科学基金会赞助的一项研究中，研究人员概述了采用聚合物膜并将其注入金属氧化物网络的过程。得到的膜在抵抗刺激性化学品方面更有效，而不会降解。

“将预制膜放入反应器内后，我们只需将其暴露在含有金属的蒸汽中，这些蒸汽将自身注入膜材料中，”材料科学与工程学院助理教授Mark Losego说。“这个过程称为气相渗透，它在整个聚合物膜上形成一个均匀的金属氧化物网络。我们称之为'混合'膜。”

Ryan Lively，乔治亚理工学院化学与生物分子工程学院副教授和Mark Losego，材料科学与工程学院助理教授学分：Rob Felt

不仅混合膜能够更好地耐受溶剂，其化学分离能力也得到改善。

“一些需要分离的化学品在尺寸，形状和其他性质方面非常相似，这使得使用膜更难加工，”Lively说。“这些新型杂化膜具有更高的选择性。它们可以分离出彼此更相似的化学物质。”

研究小组包括研究生张凤仪，艾米莉麦吉尼斯和姚马，用四氢呋喃，二氯甲烷和氯仿等有害溶剂，在几分钟内溶解纯聚合物膜的有机溶剂，测试了新的混合膜。在测试期间，杂化膜保持稳定数月。

研究人员还测试了将两种化学物质分离得非常接近。混合膜能够将尺寸不同的芳香分子区分为0.2纳米。

“这项工作最令人兴奋的事情之一就是从制造的角度来看这个过程是多么简单，”Losego说。“我们基本上采用预制膜并对其进行处理。这可以很容易地转化为工业规模。”

关于膜的未来研究将涉及如何微调氧化物输注并制造能够分离各种其他化学品的新型混合膜。

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