研究人员提炼出化学分离过程的事实并颠覆了数十年的理论

有机溶剂纳滤(OSN)化学分离工艺自几十年前开发以来，因其具有彻底改变燃料、食品和制药等重要行业的潜力而备受关注。

现在，耶鲁大学和威斯康星大学麦迪逊分校的一组研究人员颠覆了人们对这项迅速崛起的技术如何运作的普遍看法——这一见解可能会大大改进这项技术。他们的研究成果发表在《科学进展》上。

有机溶剂是含碳的液体，包括醇(例如乙醇)、苯和酮等化合物。

应用包括石油精炼中的碳氢化合物分离和药物成分的纯化。由于它成本低廉且不依赖化学添加剂，许多人认为它可能是蒸馏、蒸发和溶剂萃取等传统技术的更好替代方案。

但其具体工作原理尚不清楚。最普遍接受的理论认为 OSN 依赖于溶解扩散机制，即溶剂分子溶解并通过膜从分子高度集中的地方扩散到分子较少的地方的过程。

在之前的研究中，耶鲁大学的梅纳赫姆·埃利米莱赫和威斯康星大学麦迪逊分校的团队采用实验和计算机模拟相结合的方式，推翻了数十年来关于反渗透(一种从海水中去除盐分的方法)的物理理论。

与 OSN 一样，传统观点将反渗透归因于溶液扩散机制。但 Elimelech 的研究表明，实际上是膜内的压力变化推动水通过膜，也称为孔隙流模型。

由于两种工艺有相似之处，Elimelech 和研究团队对有机溶剂纳滤的传统思维持怀疑态度。Elimelech 和威斯康星大学麦迪逊分校的同事通过一组类似的实验和计算机模拟表明，OSN 工艺不是由溶剂分子浓度驱动的，而是像反渗透一样由压力变化驱动的。

伊利米莱赫说，一个关键证据是，有机溶剂膜的孔隙足够大，可以让大量结合在一起的溶剂分子通过。

“所以它是一个集群，”斯特林化学与环境工程教授 Elimelech 说。“一旦你有了集群溶剂，它就不能通过扩散移动。你需要一种像压力这样的驱动力。”

他们还发现，对于比水更复杂的有机溶剂，溶剂与聚合物膜之间的摩擦起着重要作用。研究人员指出，溶剂与材料的结合强度与溶剂流过膜的速度密切相关。在某些情况下，某些有机溶剂还可以通过与聚合物材料相互作用来拉伸或压缩聚合物材料。

通过更好地了解 OSN 的物理原理，科学家可以改进 OSN 技术。例如，Elimelech 说，他们可以利用这些发现来优化过滤膜的设计，从而实现多种分离和清洁能源技术。

领导计算机模拟的威斯康星大学麦迪逊分校机械工程副教授李英表示，他们的研究强调了“溶剂大小和膜孔径之间的差异在决定溶剂渗透性方面起着至关重要的作用”。

李说：“通过对各种致密聚合物膜的孔径进行微调，使其接近不需要的渗透物的分子大小，再加上使用分子尺寸较小的溶剂，有可能实现 OSN 中的高选择性分离。”

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