Tegen de achtergrond van de mondiale transitie naar een groene, -koolstofarme ontwikkeling en de steeds diepere acceptatie van duurzame principes stellen industrieën zoals de chemische, farmaceutische en voedselverwerking hogere eisen aan efficiënte en milieuvriendelijke scheidingstechnologieën. De technologie van organische oplosmiddelnanofiltratie (OSN), als sleutelproces voor het bereiken van precisiescheiding op moleculair-niveau, breidt zich geleidelijk uit van traditionele fossiele-gebaseerde materialen naar bio-gebaseerde materiaalsystemen. De introductie van biomassagrondstoffen zoals chitosan biedt niet alleen een nieuw materiaalselectieperspectief voor OSN-membraantechnologie, maar opent ook innovatieve wegen op het gebied van constructief ontwerp, prestatieregulering en toepassingsscenario's. Dit artikel heeft tot doel de onderzoeksvoortgang en toekomstige richtingen van bio-gebaseerde OSN-membranen te verkennen vanuit nieuwe perspectieven op technologische ontwikkeling.
In termen van structureel ontwerp demonstreert de ontwikkeling van bio-gebaseerde OSN-membranen een paradigmaverschuiving van 'passieve compositie' naar 'actieve constructie'. Bij de traditionele vervaardiging van composietmembraan leidt het fenomeen van poriepenetratie vaak tot een inherent conflict tussen massaoverdrachtsweerstand en hechting tussen de lagen. Onlangs hebben onderzoekers een constructiestrategie voor een 'wortel{3}}achtige structuur' voorgesteld, gebaseerd op het principe van grensvlakinstabiliteit, geïnspireerd door het vormingsmechanisme van plantenwortelsystemen. Deze technologie maakt gebruik van het synergetische effect van reactie en diffusie tussen alkalische voorbevochtiging en zure gietoplossingen om een slank, continu chitosanvezelnetwerk in het substraat te vormen. Deze biomimetische structuur verbetert niet alleen de hechtsterkte tussen de lagen aanzienlijk, maar behoudt ook effectief de massaoverdrachtskanalen van het substraat, waardoor de doorlaatbaarheid voor zuiver water bijna verdrievoudigt. Deze aanpak biedt een nieuw perspectief voor het oplossen van structurele ontwerp- en prestatiebalansproblemen bij composietmembranen.
Bij de regulatie van de scheidingslaag evolueert het onderzoek naar bio-gebaseerde OSN-membranen van 'enkelvoudige modificatie' naar 'systematische reconstructie'. Vroege studies waren voornamelijk gericht op het verbeteren van de membraanstabiliteit door middel van verknoping of vermenging, terwijl de huidige technologische vooruitgang de systematische reconstructie van intermoleculaire interactienetwerken benadrukt. Het introduceren van PVA om een zwak waterstofbrugsysteem te construeren kan bijvoorbeeld het vrije volume matig vergroten terwijl de afstotingsprestaties behouden blijven. Verdere modificatie met -PGA bewerkstelligt een overgang van door waterstofbruggen-gedomineerde naar door elektrostatische kracht-gedomineerde moleculaire interactiemechanismen. Deze reconstructie van interactietypen verhoogt niet alleen de vrije-volumefractie aanzienlijk tot 5,37%, maar veroorzaakt ook fundamentele veranderingen in de conformatie van de moleculaire keten, wat uiteindelijk leidt tot een orde van grootte van een verbetering van de oplosmiddelflux, terwijl de efficiënte afstoting van macromoleculaire opgeloste stoffen behouden blijft. Deze systematische regulatiestrategie op moleculair niveau biedt een nieuwe technische route om het traditionele 'trade-off'-effect in membraanmaterialen te doorbreken.
Samenvattend gaat de op bio-gebaseerde nanofiltratiemembraantechnologie met organische oplosmiddelen vooruit van materiaalvervanging naar diepere niveaus van structurele innovatie en reconstructie van mechanismen. De constructie van wortel{2}}achtige structuren biedt nieuwe oplossingen voor de structurele tegenstrijdigheden van composietmembranen, terwijl de systematische reconstructie van intermoleculaire interacties nieuwe wegen opent voor het overwinnen van prestatieknelpunten. Met de steeds diepere implementatie van groene chemische principes en de voortdurende optimalisatie van productieprocessen wordt verwacht dat bio-gebaseerde OSN-membranen een steeds belangrijkere rol zullen spelen in de farmaceutische industrie, voedselraffinage en de terugwinning van groene oplosmiddelen. In de toekomst zal de bio-gebaseerde OSN-membraantechnologie, door middel van interdisciplinaire integratie en industriële-academische-onderzoekssamenwerking, meer concurrerende oplossingen bieden voor de vergroening en efficiëntieverbetering van chemische scheidingsprocessen, waardoor de industrie in de richting van duurzame ontwikkelingsdoelen wordt gedreven.
