新型N-甲基吗啉-N-氧化物/低共熔溶剂体系可持续制备纤维素超滤膜及其性能优化研究

针对传统石油基超滤膜环境不友好的问题，研究人员创新性地采用NMMO/DES绿色溶剂体系，通过非溶剂诱导相分离(NIPS)技术制备再生纤维素(RC)膜。优化后的膜表现出46 LMH/bar的通量和93% BSA截留率，Hansen溶解度参数分析揭示了溶剂-非溶剂相互作用机制，为可持续膜技术发展提供了新思路。

　　

随着全球对可持续技术的需求日益增长，传统石油基聚合物膜的环境问题日益凸显。这类膜材料不仅依赖不可再生资源，其难降解性还带来严重的生态负担。在这一背景下，纤维素——地球上最丰富的天然高分子，因其可再生、可降解和生物相容性等优势成为研究热点。然而，纤维素高度结晶的结构使其难以溶解，制约了其在膜领域的应用。目前工业上主要采用N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)单水合物溶解纤维素，但存在操作温度高(≥90°C)、膜通量低(<9.8 LMH/bar)等问题。如何通过绿色溶剂体系实现纤维素膜的高效制备，同时兼顾优异的分离性能，成为膜科学领域亟待突破的难题。

针对这一挑战，中国科学院过程工程研究所的研究人员创新性地将NMMO与胆碱氯化物(ChCl)/乳酸(LA)组成的低共熔溶剂(DES)结合，开发出新型溶剂体系。通过系统优化纺丝液组成、制备条件和后处理工艺，成功制备出高性能再生纤维素(RC)超滤膜，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》上。

研究采用非溶剂诱导相分离(NIPS)技术，通过调节MCC浓度(4-10 wt%)、NMMO/DES质量比(90:10至80:20)、ChCl:LA摩尔比(1:2至1:5)等参数制备膜样品。关键表征包括粘度测定、纯水通量(PWP)和BSA截留率测试、场发射扫描电镜(FE-SEM)形貌分析、X射线衍射(XRD)结晶结构表征、傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)以及Hansen溶解度参数(HSP)理论分析。

3.1 制备条件优化
研究发现，当采用6 wt% MCC、NMMO/DES(80:20)、ChCl:LA=1:2的纺丝液，在60°C、300 μm刮刀间隙下成膜时，可获得30 LMH/bar通量和96% BSA截留的优异性能。将水凝固浴替换为40%(v/v)乙醇水溶液后，通量提升至46 LMH/bar且截留率保持在93%。通过HSP分析揭示，DES的加入增大了溶剂-非溶剂间的Ra值(26.16→29.85-30.45)，延缓了相分离过程，形成更致密的膜结构。

3.2 膜表征
FT-IR和XRD证实再生过程使纤维素I型结晶转变为非典型结晶结构。SEM显示所有膜表面光滑平整，但干燥过程导致孔结构塌陷无法直接观察。zeta电位测试表明膜表面在pH>4.7时带负电，与BSA产生静电排斥，结合13.0°-17.4°的超低水接触角，赋予膜优异的抗污染性能。

3.5 可持续性分析
与传统NMMO/H₂O体系相比，NMMO/DES操作温度降低20-30°C，溶剂回收率>95%。DES的引入不仅解决了高温降解风险，还通过调节相分离动力学实现对膜结构的精确控制。与离子液体等绿色溶剂相比，该体系在成本、毒性和可回收性方面更具优势。

这项研究通过创新性地组合NMMO与DES溶剂，建立了可持续制备高性能RC膜的新方法。所获膜材料在生物制药分离和水处理领域展现出良好应用前景，其通量(46 LMH/bar)和截留率(93%)与商业聚醚砜(PES)膜相当，但具有显著的环境优势。研究还通过HSP理论解析了溶剂-聚合物-非溶剂相互作用机制，为绿色膜材料的理性设计提供了重要指导。未来通过优化DES配方和放大制备工艺，这一技术有望推动膜分离行业向更加可持续的方向发展。