两性离子接枝介孔氧化镍增强混合基质膜渗透汽化脱水效率的研究

为解决有机溶剂脱水过程中传统聚合物膜存在的渗透性-选择性平衡难题，台湾研究人员创新性地将两性离子磺基甜菜碱硅烷(SBSi)接枝到介孔NiO颗粒表面，构建了海藻酸钠(Alg)/NiO-SBSi混合基质膜(MMMs)。该膜通过增强亲水性和介孔协同效应，在四氢呋喃(THF)脱水实验中实现99.97 wt%水纯度和34 kg m-2h-1通量，并展现168小时长效稳定性，为极性溶剂脱水提供了新策略。

　　

在化工和制药领域，有机溶剂的脱水纯化一直是行业痛点。传统蒸馏法能耗高，而聚合物膜又面临"渗透性-选择性"的跷跷板效应——提高水通量往往导致分离效率下降。更棘手的是，像四氢呋喃(THF)、乙酸(AA)这类强极性溶剂还会引起膜材料过度溶胀。面对这些挑战，台湾的研究团队独辟蹊径，将目光投向了两性离子修饰的金属氧化物复合材料。

这项发表在《Journal of Membrane Science》的研究，由Ching-Peng Yeh领衔的团队完成。他们创造性地将具有超强水合能力的磺基甜菜碱两性离子(SBSi)嫁接到介孔氧化镍(NiO)表面，再将其嵌入海藻酸钠(Alg)基质，构建出新型混合基质膜(MMMs)。这种设计巧妙地融合了三种优势：NiO的介孔结构提供分子快速通道，两性离子通过静电作用强力捕获水分子，而Alg基质则保障了膜的机械强度。

研究团队运用了多项关键技术：通过溶胶-凝胶法合成介孔NiO颗粒，采用硅烷偶联剂实现SBSi的表面接枝，结合SEM/TEM观察微观形貌，借助BET测试比表面积，并采用动态光散射(DLS)和Zeta电位分析颗粒分散性。渗透汽化测试系统则用于评估膜性能，同时通过AFM、TGA、DSC等手段全面表征材料特性。

【Characterization of NiO and NiO-SBSi particles】
研究发现，SBSi成功接枝使NiO-SBSi的Zeta电位从+28.6 mV降至-15.3 mV，BET比表面积从78.3降至65.1 m²/g，但平均孔径保持在8.7 nm。FTIR在1048 cm^-1处出现S=O特征峰，XPS检测到S 2p峰，证实了两性离子修饰。这种改性使水接触角从46°降至28°，显著提升亲水性。

【Membrane characterization】
当NiO-SBSi负载量达3 wt%时，膜表现出最佳性能：THF脱水实验中，分离因子达1990，归一化通量34 kg m^-2h^-1，远超未改性NiO膜。AFM显示表面粗糙度(Ra)从3.2 nm增至8.5 nm，WAXD证实填料均匀分散。特别值得注意的是，在168小时连续测试中性能衰减<5%，展现出卓越稳定性。

【Pervaporation performance】
温度升高至50°C时，通量提升至51 kg m^-2h^-1，但分离因子略有下降。对于不同溶剂体系，脱水效率排序为：ACA>AA>THF>EA，这与溶剂极性顺序一致。研究还发现，当进料水浓度从5%增至20%时，总通量提高2.3倍，但分离因子降低62%，说明存在竞争吸附效应。

【Conclusions】
这项研究通过"介孔限域+两性离子捕获"的协同策略，成功突破了渗透汽化膜的性能瓶颈。其创新点在于：首次将介孔NiO应用于脱水膜；开发出新型SBSi接枝技术；实现多组分协同增效。该膜材料在乙酸、丙烯酸等强腐蚀性溶剂中仍保持稳定，为化工分离领域提供了普适性解决方案。未来通过调控两性离子类型和孔道结构，还可拓展至生物分子分离等领域。