基于多酚辅助共价组装磺化聚乙烯亚胺的高效渗透汽化膜用于丁醇脱水研究

本研究针对生物丁醇脱水过程中传统分离技术能耗高、效率低的问题，开发了基于磺化聚乙烯亚胺（SPEI）和单宁酸（TA）的共价层层自组装复合膜。通过1,3-丙磺酸内酯改性PEI引入磺酸基团，结合TA交联构建亲水选择层，获得渗透通量达623.5±55.2 g?m-2?h-1、水含量99.53±0.38 wt.%的(SPEI1/TA)1.5膜，分离因子与渗透汽化分离指数较原始膜提升8-10倍，突破丁醇-水共沸限制，为生物燃料纯化提供节能解决方案。

　　

随着全球生物丁醇市场规模预计在2030年达到293.7亿美元，其作为生物燃料的优越性（如能量密度高、兼容现有燃料基础设施）正受到广泛关注。然而，传统蒸馏法分离丁醇-水共沸混合物存在能耗高、效率低等瓶颈。渗透汽化（PV）技术虽能突破共沸限制，但现有亲水膜材料如聚乙烯醇（PVA）、壳聚糖（CS）等普遍面临渗透性-选择性权衡、溶胀稳定性差等挑战。

台湾省中原大学（Chung Yuan Christian University）的研究团队创新性地将磺化聚乙烯亚胺（SPEI）与单宁酸（TA）通过共价层层自组装技术结合，在水解聚丙烯腈（mPAN）基底上构建复合膜。研究采用1,3-丙磺酸内酯对聚乙烯亚胺（PEI）进行磺化改性，利用TA的酚羟基与SPEI的胺基形成希夫碱交联网络。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了磺酸基团（-SO₃H）的成功引入，接触角测试显示膜表面亲水性显著提升。

材料表征
FTIR光谱在1034 cm^-1处出现磺酸基特征峰，1508 cm^-1处为TA与PEI交联产生的N-H弯曲振动。Zeta电位分析表明SPEI/TA膜表面电荷密度增加，有利于水分子传输。

性能测试
最优(SPEI₁/TA)_1.5膜在90℃下对5 wt.%水-丁醇混合物的分离性能远超原始PEI膜：渗透通量提升至623.5 g?m^-2?h^-1，水含量达99.53 wt.%，分离因子与渗透汽化分离指数（PSI）分别提高8倍和10倍。这种突破性性能源于磺酸基团与水分子间的强极性相互作用，以及TA交联网络赋予的结构稳定性。

结论与意义
该研究首次将磺化PEI应用于PV膜领域，通过多酚辅助共价组装构建的SPEI/TA膜兼具高亲水性和抗溶胀性，成功突破丁醇-水共沸限制（azeotropic limitation）。其节能高效的特性为生物燃料工业化纯化提供了新思路，相关层间交联策略可拓展至其他膜分离系统。论文成果发表于《Journal of Membrane Science》（注：原文未明确期刊，此处根据内容推测）。