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为解决生物乙醇提纯能耗大、传统蒸馏分离效率低等问题，研究人员开展 PAH/SA/PAN 复合渗透汽化膜用于乙醇脱水的研究。结果显示该膜性能优异，在不同条件下有高的通量和分离因子，为乙醇脱水提供新方案。
在能源领域，乙醇作为可再生能源，有望成为关键的替代交通燃料。然而，在高纯度生物乙醇的生产过程中，传统的蒸馏法用于乙醇提纯时，存在能耗大且分离效率有限的问题。特别是在乙醇 - 水混合物的共沸点处，不使用致癌的苯，常规蒸馏很难实现混合物的分离。为了突破这些困境，来自国内的研究人员开展了一项关于制备高性能渗透汽化膜用于乙醇脱水的研究，相关成果发表在《Advanced Membranes》上。
研究人员主要运用了分子动力学模拟和层层自组装等关键技术方法。通过 Materials Studio 2020 软件进行分子动力学模拟，分析乙醇和水分子在 PAH/SA 聚合物和聚乙烯醇 (PVA) 聚合物中的传输行为。利用层层自组装法，在聚丙烯腈 (PAN) 微滤膜表面交替浸涂 PAH 和 SA 溶液，制备 PAH/SA/PAN 复合渗透汽化膜。
复合膜的制备与表征
研究人员以 PAN 微滤膜为基底，通过在其表面交替浸涂 PAH 和 SA 溶液，制备了 PAH/SA/PAN 复合渗透汽化膜。改变 PAH 和 SA 溶液的浓度，可以调控复合膜中 PAH/SA 层的厚度。通过扫描电子显微镜 (SEM)、原子力显微镜 (AFM)、傅里叶变换红外光谱 (FT - IR) 和接触角测试仪等对复合膜的表面和截面形貌、表面粗糙度、化学组成和亲水性进行了表征。结果表明，随着 PAH 和 SA 溶液浓度的增加，PAH/SA 层的厚度逐渐增加，当浓度达到 1 wt% 时，能形成光滑无缺陷的表面；浓度继续增加，PAH/SA 层出现分层现象。FT - IR 光谱证明了复合膜中 PAN、SA 和 PAH 的存在。随着 PAH 和 SA 溶液浓度的增加，水接触角逐渐增大，表面粗糙度也单调增加。
复合膜的渗透汽化性能
研究了不同 PAH 和 SA 溶液浓度制备的复合膜的渗透汽化性能。当 PAH 和 SA 溶液浓度从 0.2 wt% 增加到 1 wt% 时，膜通量逐渐降低，而分离因子逐渐增大；浓度达到 1 wt% 时，复合膜的分离性能最佳，通量为 2.02 kg?m?2?h?1，水对乙醇的分离因子为 10993，渗透液中水的浓度达到 99.9182 wt%。浓度继续增加到 2 wt% 或 3 wt% 时，由于 SA 和 PAH 分子间静电相互作用不完全，导致 PAH/SA 层溶胀，分离因子下降。
对 1 wt% PAH 和 SA 溶液制备的复合膜，研究不同进料温度对其渗透汽化性能的影响。结果显示，随着进料温度从 40°C 升高到 75°C，膜通量增加，渗透液中水的浓度和分离因子降低。这是因为温度升高促进了聚合物链的热运动，增加了链间距，提高了水的渗透驱动力，但也降低了膜的分子筛分能力。不过，在 75°C 时，渗透液中水的浓度仍高于 99.9000 wt%，表明复合膜具有较高的分离性能和热稳定性。
研究不同进料水浓度对 1 wt% PAH 和 SA 溶液制备的复合膜渗透汽化性能的影响。随着进料水浓度从 5 wt% 增加到 50 wt%，膜通量增加，渗透液中水的浓度先增加后降低。当进料水浓度过高时，膜过度溶胀，形成非选择性通道，导致分离因子下降。但对于 50 wt% 水的进料溶液，渗透液中水的浓度仍高于 99.7500 wt%，说明膜在水中具有高稳定性。
对 1 wt% PAH 和 SA 溶液制备的复合膜进行了长期渗透汽化测试，在 70°C 下对 90 wt% 乙醇水溶液进行 48 h 测试。结果显示，复合膜的通量在前 18 h 下降 3.96%，之后保持稳定，渗透液中水的浓度保持在 99.9105 ± 0.05 wt%，分离因子保持在 10046.86 ± 1000，表明复合膜具有稳定的乙醇脱水性能。
与其他膜的性能比较及分子模拟
将 PAH/SA/PAN 复合膜的乙醇脱水性能与文献中基于 PVA 的渗透汽化膜进行比较，PAH/SA/PAN 复合膜表现出更高的分离因子和膜通量，说明 PAH/SA 交联层具有更优异的乙醇脱水性能，层层自组装法是制备高性能渗透汽化乙醇脱水膜的有效方法。
通过分子动力学模拟，比较了水和乙醇分子在 PAH/SA 聚合物体系和 PVA 聚合物体系中的扩散系数。结果表明，PAH/SA 体系中水的扩散系数约为乙醇的 4 倍，解释了复合膜中水的渗透率高于乙醇。同时，PAH/SA 单元对水和乙醇的吸附量、等量吸附热均高于 PVA 单元，且乙醇 / PAH/SA 体系能量最低，最稳定。PAH/SA 聚合物对水分子的高亲和力通过促进传输机制实现，其离子基团作为载体增强了溶质通量，解释了复合膜的高膜通量和优异的水对乙醇分离因子。
综上所述，研究人员成功制备了一系列 PAH/SA/PAN 复合渗透汽化膜，该膜在乙醇脱水方面表现出优异的性能。在不同的进料条件下，如不同的乙醇浓度、进料温度等，都能保持较高的通量和分离因子，且具有良好的稳定性。这一研究成果为乙醇脱水提供了新的解决方案，有望推动生物乙醇在能源领域的广泛应用，具有重要的实际意义和应用价值。
