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为提升纳滤膜分子分离能力，研究人员制备不同侧链的 COFs 复合膜，其性能优异，有望用于精准筛分。
在当今科技飞速发展的时代，分子分离在众多领域都扮演着举足轻重的角色，从关乎日常生活的水净化，到化工产业的生产流程，再到电池技术的研发，都离不开高效的分子分离技术。在化工行业，化学分离过程的能耗不容小觑，约占全球年总能耗的 10 - 15%，而其中 80% 的能耗又集中在诸如蒸馏、蒸发这类涉及化学相变的加热程序上。这不仅消耗大量能源，还与绿色、可持续发展的理念背道而驰。
膜分离技术作为一种高效、环保的分子分离方法，备受关注。其中，绿色高效的纳米过滤（NF）技术凭借其独特的优势，成为膜分离技术发展的关键趋势。然而，传统的聚合物纳米过滤膜存在诸多问题。其由无孔无定形聚合物构成，理论孔径小于 2nm，链堆积的随机性和交联反应的快速动力学使得精确调控孔结构困难重重，导致孔径分布范围广，严重影响了膜的分子分离能力。
为了突破这些困境，提升纳米过滤膜的分子分离能力，来自国内研究机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们成功制备出三种不同侧链的三苯胺 COFs 复合膜，通过巧妙地调控 COFs 的孔径，实现了对分子的精准筛分。相关研究成果发表在《Advanced Membranes》上。
研究人员在这项研究中主要运用了以下几种关键技术方法：一是界面聚合（IP）反应，通过精心调配有机相和水相的成分，在定制的膜支撑上成功制备出 COFs 复合膜；二是多种材料表征技术，如傅里叶变换红外光谱（FT - IR）、粉末 X 射线衍射（PXRD）、X 射线光电子能谱（XPS）、场发射扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等，用于分析膜的化学结构、晶体结构、表面形态和粗糙度等；三是采用实验室规模的错流过滤装置，结合 UV - Vis 分光光度法，对膜的渗透性能和分离性能进行测试评估；四是进行筛分实验和吸附实验，以探究膜对不同分子的筛分能力和吸附特性。
3.1 独立 COFs 膜的合成与表征
研究人员详细研究了三种 COFs 的结构，通过 Materials Studio 模拟得到其孔径尺寸。实验合成的 TFP 单体经1H NMR 确认纯度后用于制备 COFs 膜。独立 COFs 膜通过液 - 液界面反应合成，FT - IR 和 PXRD 结果证实了膜的成功合成和其晶体结构，且 XRD 结果与模拟孔径相符，同时还发现不同 COFs 膜晶体结构存在差异。
3.2 复合 COFs 膜的合成与表征
研究人员在聚丙烯腈（PAN）载体上通过液 - 液空间限制聚合制备了超薄 COFs 膜。SEM 和 AFM 图像显示，膜表面变得更致密，形成了 COFs 层，且不同复合膜的分离层厚度和表面粗糙度存在差异。FT - IR 和 XPS 分析进一步确认了 COFs 层在 PAN 基质上的成功合成。
3.3 复合 COFs 膜的渗透性能和分离性能
研究人员对比了 PAN 膜和三种 COFs 复合膜的纯水渗透系数，发现 COFs 复合膜保留了 PAN 膜的部分渗透性，且膜表面疏水性增强。通过对多种小分子有机物的分离测试，发现膜对分子量超过 500g/mol 的有机物具有较高的截留率，而对分子量小于 500g/mol 的有机物截留率较低。TFB - OMe - TAPA/PAN 复合膜对 EBT 的截留率较高，这得益于其较小的孔径和特殊结构。此外，复合膜对盐的截留率较低，在分离有机物和盐的混合物方面具有潜在应用价值，且在长时间稳定性测试中表现出色。
3.4 高精度近分子分离
研究人员针对混合体系中相似分子量或结构分子的分离难题，利用 COFs 膜的有序孔结构进行研究。以 TFB - OMe - TAPA/PAN 复合膜为例，对 EBT/RhB 和 MO/EBT 二元混合体系进行了三阶段级联筛分实验。结果表明，该膜对 EBT/RhB 体系具有出色的分离能力，分离系数随着筛分阶段增加而显著提高。通过吸附实验和分子动力学（MD）模拟，深入探究了其分离机制，发现 EBT 和 RhB 在膜上的吸附差异、分子结构与膜孔径的关系以及静电作用等因素共同影响了分离效果。同时，研究还对比了不同体系的筛分效果，并与其他膜进行了性能比较，结果显示 TFB - OMe - TAPA/PAN 膜在分离相似分子量有机物方面具有明显优势。
在这项研究中，研究人员成功制备了具有独特性能的 COFs 复合膜。这些膜不仅具有出色的水渗透性，还在分子截留方面表现优异，尤其是 TFB - OMe - TAPA/PAN 复合膜，能够高效地分离具有相似分子量但电荷相反的分子，如 EBT/RhB 体系。这一研究成果为精准分子筛分技术提供了新的解决方案，在废水处理、有机物质分离和纯化等环保相关领域展现出巨大的应用潜力，有望推动相关产业向更加绿色、高效的方向发展。
