Science：有「膜」法！

研究背景

分离与纯化技术在化学、制药和石油化工等行业中具有重要作用，尤其在石油炼制过程中，传统的能量密集型热分离工艺，如蒸馏，消耗了大量能源。例如，美国蒸馏过程消耗了约2.5%的总能源，其中原油分馏不仅是全球石油处理的核心，还消耗了全球能源的近1%并产生了6%的温室气体排放。

因此，开发更高效、低能耗的分离技术，对减少碳排放、提高能源利用效率具有重要意义。近年来，基于膜的分离技术，尤其是有机溶剂反渗透（OSRO），作为一种潜在的替代方法，展示了其高能效、低占地面积和操作简便等优点。然而，现有的膜材料，如聚酰胺膜，在分离性能方面面临选择性和渗透性之间的权衡，且易受溶液处理和塑化的影响。

成果简介

为克服这一根本性问题，麻省理工学院Tae Hoon Lee，Zachary P. Smith团队在Science期刊上发表了题为“Microporous polyimine membranes for efficient separation of liquid hydrocarbon mixtures”的最新论文。

该团队设计并制备了基于亚胺键的微孔聚亚胺薄膜复合膜（TFC膜），采用了三苯烯和螺二氟烯（SBF）作为关键的单体单元。这些新型聚亚胺膜通过界面聚合合成，利用具有刚性和扭曲结构的分子单元，显著提高了膜的微孔性和疏水性，解决了传统聚酰胺膜在处理有机溶剂时的膨胀和塑化问题。

研究发现，这些聚亚胺TFC膜在分离液态烃类混合物时展现出优异的性能，尤其是在提高渗透性和选择性方面，明显优于传统的聚酰胺膜。该研究的突破性进展不仅为石油炼制过程中原油分馏等高通量分离提供了新的技术路径，也为开发高性能膜材料提供了重要的理论依据和实践指导。

研究亮点

1. 实验首次使用亚胺键构建聚合物薄膜，得到了具有超高微孔率和优异的抗膨胀和抗塑化性能的聚亚胺薄膜。该薄膜用于有机溶剂反渗透（OSRO）和有机溶剂纳滤（OSN）应用，相比传统的聚酰胺薄膜，具有更高的选择性和渗透性。

2. 实验通过界面聚合反应制备聚亚胺薄膜，成功避免了传统聚合物在溶液加工过程中出现的过度膨胀和塑化现象。利用三苯烯和螺二氟烯（SBF）作为单体，引入了刚性和三维形状持久的结构，显著提高了膜的微孔性和机械稳定性。

3. 实验通过比较不同单体的性能，发现含有亚胺键的薄膜在处理多组分烃类混合物时，表现出优于商业化和现有先进膜材料的分离效果。相比之下，传统的聚酰胺膜由于膨胀和塑化问题，选择性和渗透性较差。

4. 实验通过改变膜的化学结构，提出了亚胺键和形状持久单元（如三苯烯和SBF）协同作用的设计策略。这种设计不仅提高了膜的分离性能，还减少了传统聚酰胺膜在有机溶剂中的溶胀和塑化问题，从而拓宽了膜材料在原油分馏等领域的应用前景。

图文解读

图1. 单体设计和界面聚合。

图2. 微孔聚亚胺的表征。

图3. 微孔聚亚胺的抗溶胀和抗塑化性能。

图4. 微孔聚亚胺膜的烃分离性能。

结论展望

界面聚合TFC膜已经在水净化行业取得了数十年的革命性进展。然而，将这一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。我们的研究结果表明，引入新的亚胺键和微孔生成单元是通过界面聚合开发具有尺寸选择性、抗塑化且不含氟的有机溶剂反渗透（OSRO）膜用于原油分馏的有效策略。对多组分和实际混合物的渗透测试表明，Trip-TFS膜能够以适中的渗透率高效地按碳数分级分馏烃类分子。

文献信息

Tae Hoon Lee et al. ,Microporous polyimine membranes for efficient separation of liquid hydrocarbon mixtures.Science388,839-844(2025).DOI:10.1126/science.adv6886