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2026

JMS｜原位界面聚合法制备高性能COF膜用于有效药物分离

作者：

英文题目

High-performance COF membranes prepared by an in-situ interfacial polymerization for effective pharmaceutical fractionation

原位界面聚合法制备高性能COF膜用于有效药物分离

期刊名称：Journal of Membrane Science

发表日期：2026年2月13日

DOI：10.1016/j.memsci.2026.125285

摘要内容

有机溶剂纳滤（OSN）为药物分离提供了一种节能的方法，但其更广泛的实施受到固有的渗透性-选择性权衡的限制。本研究报告了一种通过原位界面聚合（IP）策略制备的COF膜。与传统的IP不同，这种原位方法能够在多孔支撑层上或通过COF中间层直接生长COF，消除了转移步骤并确保了牢固的粘附。通过调节聚合温度，可以**控制膜厚度，实现对维生素B12、利福平和铬黑T的高截留率（95.4-99.0%），同时保持其各自前体物5,6-二甲基苯并咪唑、1-氨基-4-甲基哌嗪和4-硝基苯酚的透过率（8.8-15.3%）。中间层结构在保持截留性能的同时，使溶剂渗透通量翻倍（例如甲醇：21.7→42.8 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹），并提高了药物混合物处理速率。总的来说，这项工作建立了一种通用的序贯原位IP路线用于COF膜制备，并证明COF中间层设计可以有效缓解长期存在的OSN渗透性-选择性权衡问题，实现高通量高效率的药物分离。

研究背景与意义

膜分离技术因其**率、节能和操作简便的特点，在气体分离、水净化和有机溶剂分离等众多分离领域得到了广泛应用。有机溶剂纳滤（OSN）是一种用于从有机溶剂中分离溶质的纳米级膜技术，在制药和化工生产中显示出巨大潜力。在制药制造中，**分离和纯化至关重要，因为活性药物成分（API）通常在含有残留前体、中间体和工艺相关副产物的有机介质中合成和加工，这些杂质去除不充分可能对药物质量、疗效和安全性产生不利影响，从而带来潜在健康风险。与传统分离技术（如蒸馏、结晶和色谱法）相比，OSN在温和条件下运行，可降低能耗、保持API生物活性，并允许溶剂回收而非依赖大量新鲜溶剂。尽管具有这些优势，OSN的更广泛采用仍面临两大挑战：首先，无定形聚合物膜固有的渗透性-选择性权衡限制其性能；其次，在激进有机溶剂（如极性非质子溶剂或芳香烃）中的化学不稳定性和溶胀会扭曲孔结构并降低性能。共价有机框架（COF）因其晶体结构、明确的纳米通道和在恶劣溶剂中的优异化学稳定性，成为OSN膜的理想候选材料，其周期性结构提供均匀的孔径用于**分子筛分，高孔隙率和垂直排列的通道实现快速溶剂传输。然而，制备具有有序一维纳米通道的高结晶度COF膜仍具挑战性。界面聚合（IP）已成为制备COF膜的**可靠方法，但传统IP先合成自支撑膜再转移到多孔支撑层上，转移过程可能引入缺陷或裂纹。本研究采用原位IP策略直接在支撑层上生长COF层，避免转移损伤，并通过系统研究聚合温度等关键参数对膜形成的影响，以及开发COF中间层设计来进一步平衡渗透性和选择性，解决了现有技术中膜厚度控制困难、转移过程易损、以及渗透性-选择性权衡等关键问题。

实验步骤

TpPa-SO₃H/尼龙膜的制备：采用自制H型电池进行原位界面聚合，将直径41mm的多孔尼龙支撑层固定在H型电池中间。首先，将含有42mg Tp溶解于0.1mL正辛酸和20mL均三甲苯混合溶液的有机相加入H型电池一侧，使支撑层先被有机相润湿；随后，在另一侧加入30mL含有56mg Pa-SO₃H和16mg甲酸钠的水溶液。将H型电池垂直放置，确保有机相在上、水相在下，在特定温度（15、20或30°C）的恒温箱中反应4天，使COF层在支撑层的水相侧生长。反应完成后，小心取出膜，用水和甲醇各冲洗两次，储存于甲醇中备用。该过程采用双活化策略：甲酸钠通过将NH₃⁺基团去质子化为亲核性更强的NH₂基团来活化二胺单体，正辛酸则通过促进-CHO基团的氧捕获形成-C⁺HOH基团来活化醛基单体，显著增强两种单体的反应活性。

TpPa-SO₃H/TpBd-(SO₃H)₂/尼龙膜的制备：通过序贯原位界面聚合工艺制备。首先，在尼龙支撑层上制备TpBd-(SO₃H)₂中间层：将20mL含有63mg Tp溶解于15mL正辛酸和5mL乙酸乙酯混合溶液的有机相加入H型电池一侧，另一侧加入30mL含有155mg Bd-(SO₃H)₂和32mg甲酸钠的水溶液，在15°C下反应4天。随后，在上述制备的TpBd-(SO₃H)₂层上，采用前述相同方法在20°C下生长TpPa-SO₃H层，反应4天。最后，用水和甲醇各冲洗两次，储存于甲醇中。两种COF层使用相同的醛基单体（Tp），确保结构相似性和层间兼容性。

主要结果与结论

通过系统研究不同聚合温度（15、20、30°C）对TpPa-SO₃H/尼龙膜的影响，发现膜皮层厚度随温度升高从约100nm增至230nm和390nm，这归因于高温下均三甲苯表面张力和粘度降低，增强了二胺单体溶解度并促进其扩散，同时高温使初始形成的COF膜溶胀，削弱自限生长行为。15°C制备的膜虽具有**甲醇渗透通量（76.3 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹），但稳定性较差，36小时测试后截留率从98.93%降至88.78%；20°C制备的膜表现出良好稳定性，VB12截留率维持在98%以上。为提升渗透性能而不牺牲选择性，构建的TpPa-SO₃H/TpBd-(SO₃H)₂/尼龙膜中，TpBd-(SO₃H)₂中间层（孔径2.5nm，厚度约120nm）作为 gutter 层提供额外横向传输通道，使上层TpPa-SO₃H选择性层更薄（约134nm），甲醇渗透通量从21.7提升至42.8 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，同时保持相当的染料截留性能。在药物分离应用中，该膜对维生素B12/5,6-二甲基苯并咪唑、利福平/1-氨基-4-甲基哌嗪、铬黑T/4-硝基苯酚三对药物-前体体系均表现出优异分离效果：药物截留率高达95.4-99.0%，前体透过率达8.8-15.3%，且4天长期稳定性测试显示VB12截留率保持>97%，DBI截留率保持<10%。与商业化膜、已报道COF膜及其他先进膜相比，本研究制备的膜在甲醇渗透通量和327-408 g/mol分子量染料截留方面超越了上限平衡线，展现出**性能。

详细机理

本研究的核心机理在于原位界面聚合过程中支撑层对单体扩散的调控作用以及双活化策略对反应动力学的增强机制。在H型电池构型中，尼龙支撑层首先被有机相润湿，随后固定在有机相和水相界面处，这种配置使界面聚合发生在支撑层的孔口处，显著降低界面湍流直至小域连接形成连续膜。支撑层的存在不仅稳定了界面，还通过减缓单体扩散速率来降低反应速率，从而促进形成更薄、结晶度更高的COF层——对比实验表明，相同条件下自支撑膜厚度达780nm，而有支撑层时仅为230nm。双活化机制中，甲酸钠将二胺单体的铵盐形式去质子化为游离胺，增强其亲核性；正辛酸则质子化醛基形成氧鎓离子，增加其亲电性，两者协同显著加速界面处的缩合反应。温度调控厚度的机理在于：高温降低有机相粘度和表面张力，增加二胺单体在有机相中的溶解度和扩散系数，同时削弱已形成COF膜的自限生长效应，导致更多二胺单体进入反应区，加速聚合形成更厚皮层。在双层膜结构中，TpBd-(SO₃H)₂中间层作为介孔 gutter 层（孔径2.5nm），其孔径大于尼龙支撑层但小于TpPa-SO₃H选择性层（孔径1.5nm），这种梯度孔结构既限制了第二次界面聚合时单体的扩散速率（使上层更致密），又提供了额外的横向传输通道降低传质阻力，从而在保持选择性层分子筛分能力的同时显著提升溶剂渗透通量，有效突破了传统OSN膜的渗透性-选择性权衡限制。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/YHc3HL2Ns4Yh5AB-vYi20w