基于胺调变氢键有机框架HOF-21-a@SA/M-PAN复合膜的高效乙醇脱水分离技术研究

针对生物乙醇脱水过程中传统方法能耗高、膜材料稳定性差的问题，研究人员创新性地将胺调变氢键有机框架（HOF-21-a）嵌入海藻酸钠（SA）分离层，结合聚乙烯亚胺/儿茶酚（PEI/CT）界面增强技术，开发出HOF-21-a@SA/M-PAN复合膜。该膜在75°C下渗透通量达2389 g·m?2·h?1，分离因子提升至2267，兼具优异长期稳定性，为有机溶剂脱水提供了新策略。

　　

在能源转型的全球背景下，生物乙醇作为清洁可再生能源备受关注。然而，传统蒸馏法制备燃料级乙醇（≥99.5%）面临能耗高、共沸瓶颈等挑战。渗透汽化（Pervaporation, PV）膜技术虽具节能优势，但现有材料普遍存在渗透通量与选择性间的"权衡效应"，且长期稳定性不足。尤其当膜材料接触复杂组分液体时，界面分层问题会导致性能急剧下降。如何设计兼具高分离效率、强界面结合力和长效稳定性的膜材料，成为突破生物乙醇产业技术壁垒的关键。

针对这一难题，南京某研究团队创新性地将氢键有机框架（Hydrogen-bonded Organic Framework, HOF）材料引入膜分离领域，在《Separation and Purification Technology》发表研究成果。研究人员通过胺调变HOF-21晶体（HOF-21-a）优化其与海藻酸钠（Sodium Alginate, SA）基质的相容性，同时在聚丙烯腈（PAN）基底上构建聚乙烯亚胺/儿茶酚（PEI/CT）交联网络增强界面结合力，最终开发出HOF-21-a@SA/M-PAN复合膜。该研究通过分子模拟验证膜孔道选择性，采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征材料结构，并通过渗透汽化实验评估分离性能。

材料表征与界面设计
胺调变使HOF-21晶体尺寸从400 nm缩减至100 nm，有效防止团聚（图1）。XRD显示HOF-21-a保持3.6 ?孔径（图2a），红外光谱证实PEI/CT在PAN表面形成致密交联层（图2b），原子力显微镜显示界面粗糙度降低56%（图2c），显著增强SA层与基底的氢键/静电作用。

分离性能突破
当PEI/CT质量比为1:1时，SA/M-PAN膜通量达921 g·m^?2·h^?1，分离因子531，分别是SA/PAN膜的1.5倍和3.5倍。引入1.0 wt% HOF-21-a后，膜性能实现飞跃：75°C下通量飙升至2389 g·m^?2·h^?1（较SA/PAN提升3.9倍），分离因子达2267（提升14.8倍）。分子动力学模拟揭示，HOF-21-a的3.6 ?孔径可精准截留乙醇分子（4.3 ?）而允许水分子（2.9 ?）快速通过（图3）。

长效稳定性验证
在240小时连续测试中，复合膜通量衰减率<5%，分离因子波动<3%，显著优于同类研究（通常72小时内性能下降>20%）。这种稳定性源于PEI/CT网络对界面应力的缓冲作用，以及HOF-21-a在含水环境中的特殊稳定性（图4）。

该研究通过"框架调变-界面工程-结构设计"三位一体的策略，成功突破传统膜材料的性能瓶颈。HOF-21-a的精确筛分效应与PEI/CT的界面增强协同作用，不仅为生物乙醇脱水提供工业化解决方案，更拓展了氢键有机框架在分离领域的应用范式。研究团队特别指出，该技术可适配现有膜设备，无需改造生产线即可实现产业转化。未来通过调控HOFs的氨基配比，有望进一步优化膜材料对多元醇类的分离选择性，为生物燃料精制提供更广阔的技术路径。