顆粒在線訊：有機溶劑是能溶解一些不溶于水的（如油脂、蠟、樹脂、橡膠、染料等）的有機化合物。在制藥領(lǐng)域，有機溶劑的使用量能占到 80% ~ 90%。溶解后需要蒸餾程序?qū)⑷軇┡c液體分離，這一工序則需要消耗大量能量。采用溶劑納濾技術(shù)（OSN），則可以幫助藥廠節(jié)省高達 90% 的能量消耗。

與藥廠合作以及與工業(yè)從業(yè)者交流的經(jīng)歷，讓新加坡國立大學的張歲發(fā)現(xiàn)了制藥行業(yè)低耗能納濾技術(shù)的缺口。結(jié)合過去石墨烯的研究，她想到，如果能將現(xiàn)有材料中最薄的單層石墨烯應(yīng)用于溶劑納濾技術(shù)中，或可提高納濾膜的滲透性和選擇性。此外，二維材料與高分子材料相比的一大優(yōu)勢便是耐溶劑性較好。在與工業(yè)界合作期間，張歲發(fā)現(xiàn)，藥廠對高分子膜應(yīng)用于有機溶劑的分離過程中的長期穩(wěn)定性持有較多懷疑。這激發(fā)起張歲探索石墨烯-無機材料在納濾領(lǐng)域的可能。

近期，新加坡國立大學張歲團隊以銅箔上生長的單層石墨烯為接收器，通過簡便的 PAN 和 PVDF 靜電紡絲技術(shù)，將單層石墨烯與納米纖維薄膜牢固結(jié)合在一起，制備出了單層石墨烯溶劑納濾膜。該薄膜具有優(yōu)異的有機溶劑納濾性能，乙醇滲透率達到了創(chuàng)紀錄的156.8 L·m-2·hour-1·bar-1，對玫瑰紅染料的截留率超過 94.5 %，表現(xiàn)出了更優(yōu)的滲透率和選擇性。

創(chuàng)紀錄的乙醇滲透率

目前，制藥行業(yè)的溶劑納濾技術(shù)多采用聚合物薄膜，其耐溶劑性有限。且目前行業(yè)對于高分子材料的穩(wěn)定性仍持有懷疑。單層石墨烯作為目前最薄的材料，具有極高的穩(wěn)定性，并且滲透性和選擇性良好。但是大規(guī)模制造石墨烯納濾膜對于現(xiàn)有工藝水平來說仍是一大挑戰(zhàn)，因為將化學氣相沉積（CVD）在銅上的單層石墨烯完好無損地轉(zhuǎn)移到多孔載體上是非常困難的。

此次，張歲團隊運用靜電紡絲技術(shù)制備出了石墨烯納米纖維薄膜。他們以銅箔/單層石墨烯為接收器，并選擇了最常用的 PAN 和 PVDF 溶液進行靜電紡絲，在對紡絲得到的薄膜進行熱壓處理后，用 10 wt% 過硫酸銨（APS）溶液蝕刻掉銅箔；再以間苯二胺和均苯三甲酰氯為原料，通過界面聚合將石墨烯缺陷密封；最后，他們利用氧等離子體制備出納米孔，最終得到了單層石墨烯納米纖維薄膜。

團隊研究了該款薄膜對 KCl、l-色氨酸（LT）、Allura Red AC（AR）、維生素B12（VB）和溶菌酶（LYS）的選擇和滲透性。他們發(fā)現(xiàn)在等離子體處理 100 秒后，各種溶質(zhì)的滲透性和選擇性都很高：KCl 滲透率達到 6.59×10 -6 m·s -1，而 KCl/LYS 的選擇性和歸一化選擇性分別為 93.06 和 9.54。石墨烯納米纖維膜的高孔隙率和低缺陷的特點，使他們的薄膜均遠高于當前研究文獻和商業(yè)薄膜的水平。

張歲團隊還以乙醇為溶劑，研究了石墨烯納米纖維膜用于溶劑納濾技術(shù)的潛力。他們發(fā)現(xiàn)等離子體處理 40 秒后，薄膜的乙醇滲透率達到了 61.0 L·m -2·hour -1·bar -1，當處理時間提高到 50 和 60 秒后，這一數(shù)值增加到了 156.8 和 487.7 L·m -2·hour -1·bar -1，這一結(jié)果是當前文獻結(jié)果的 3-10 倍，創(chuàng)造了乙醇滲透率率的最高紀錄；處理 40 秒后，薄膜對玫瑰紅RB 的截留率為 98.3%，隨著處理時間進一步增加到 50 秒和 60秒，截留率下降到了 94.5% 和 80% 以下。

張歲自 2017 年 10 月回到新加坡國立大學獨立建組，其團隊圍繞膜分離及其應(yīng)用開展研究，主要包括三個方面：1）水處理和海水淡化的高分子膜；2）以石墨烯為基礎(chǔ)的溶劑納濾膜；3）用于在氫氣、甲烷 二氧化碳等氣體分離的膜分離技術(shù)。

此前，張歲團隊研發(fā)出了一種具有高通量、抗污染性能的中空纖維反滲透膜，將其用于廢水處理。目前，其團隊的多項技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給公司，正在進行商業(yè)化發(fā)展。張歲團隊的下一步計劃將繼續(xù)將其膜分離技術(shù)與工業(yè)緊密聯(lián)合，不斷加深工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)過程的特點，挖掘工業(yè)需要，使其技術(shù)能夠真正投入到應(yīng)用當中。