科学家们已经开发出一种新技术来克服孔径均匀的膜的局限性

等孔膜具有均匀大小的孔，最近的研究表明，通过允许溶质多次尝试通过孔，可以提高工业分离过程的精度和效率。

想象一下一场势均力敌的篮球比赛，最后一场球才是最后的胜负。篮球进篮的概率可能相当低，但如果球员有机会反复投篮，这个概率就会大大增加。

类似的想法也在膜分离科学领域发挥作用，膜分离是生物技术、石化、水处理、食品和饮料等各个行业的核心过程。

美国能源部阿贡国家实验室能源水系统先进材料 (AMEWS) 中心负责人 Seth Darling 表示：“分离是我们日常生活中使用的许多产品的核心。膜是实现高效分离的关键。”

商业膜面临的挑战

许多商业工艺使用膜分离不同大小的溶质，这些溶质是溶解在水或其他液体中的物质。几乎所有商用膜都是多分散的，这意味着它们的孔径不一致。对于这些膜，几乎不可能对材料进行精确分离，因为不同大小的溶质可以通过不同的孔。“基本上所有商用膜，所有实际用于任何用途的膜，都有各种各样的孔径——小孔、中孔和大孔，”达林说。

Darling 和他在阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的同事一直对同孔膜的特性很感兴趣，同孔膜是指所有孔径都相同的膜。此前，科学家们认为，在纳米尺度上，分离的清晰度是有限的，这不仅是因为孔径的变化，还因为一种称为“受阻传输”的现象。

受阻传输是指溶质试图穿过孔隙时流体介质的内部阻力。

克服交通不畅

“孔隙中的水会对试图通过的分子或粒子产生阻力，导致其速度减慢，”达林说。“那些速度较慢的溶质似乎被膜排斥。与直觉相反的是，即使是只有孔隙一半大小的物体，也有一半的时间会被排斥。”他解释说，克服运输受阻造成的排斥将使基于尺寸的分离具有前所未有的选择性。

“我们感兴趣的领域涉及直径约为 10 纳米的孔。有了完美的膜和适当的工艺设计，我们相信我们可以分离尺寸差异仅为 5% 的溶质。目前的膜无法实现这一点，”达林说。

在一项新研究中，达林和他的同事发现了一种只有通过研究等孔膜才能揭示的动态，这为克服受阻运输限制带来了希望。达林补充道：“到目前为止，科学家们一直隐含地认为每种溶质只有一次机会通过一个孔，而受阻运输会导致许多小于孔径的溶质被排斥，导致它们留在进料流中而不是输出流中。”“虽然这对某些人来说似乎很明显，但人们从未真正考虑过溶质可以多次尝试穿过膜的情况。”

为了使溶质分子有多次机会通过孔隙，需要循环进料溶液数周。“即使经过长时间的实验，我们仍然只看到单个溶质平均尝试通过孔隙几次，但这对将分离曲线移向更尖锐的阶梯状函数有很大影响，”达林说。“如果时间更长，或者更有可能是工艺设计得到改进，我们相信我们将在孔径与溶质尺寸匹配的地方看到清晰、尖锐的分离。”