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Chemistry and Chemical Engineering

Efficient separation and purification of trans⁃ferulic acid in fermentation broth based on a sulfonated graphene oxide/molecularly imprinted polymer composite membrane

  • RuoYao SHEN 1 ,
  • Ge QIU 1, 2 ,
  • Wei FANG 1 ,
  • Yong YUAN 1 ,
  • Hong LIU , 1 ,
  • HuaRong HUANG 2 ,
  • ZhiYun DU 2 ,
  • QiPeng YUAN 3
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  • 1. Jihua Laboratory,Foshan 528200
  • 2. School of Biomedical Sciences,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006
  • 3. College of Life Science and Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China

Received date: 2025-05-20

  Online published: 2026-02-28

Abstract

Trans-ferulic acid (TFA) is a natural phenolic acid compound with anti-inflammatory, antioxidant and anti-tumor activities. Its efficient separation in complex biological fermentation broths is challenging. In this study, sulfonated graphene oxide (SGO)/molecularly imprinted polymers (MIP) composite membranes were prepared. Specific recognition sites were constructed using bifunctional monomers (methacrylic acid and acrylamide), and the membrane pore structure was regulated by non-solvent induced phase separation (NIPS), which enabled efficient separation of TFA. The results show that the SGO/MIP composite membrane prepared with mass ratio of SGO∶MIP∶polyvinylidene fluoride (PVDF)∶polyethylene glycol 2000 (pore-forming agent) of 0.9∶0.225∶12∶0.72 has an adsorption capacity of 2 249.31 mg/m2 for TFA in the fermentation broth at 25 ℃, and a membrane flux of 53.94 L/(m²·h), indicating that it maintains good permeation performance while efficiently retaining target molecules. After gradient elution with 10%-60% (volume fraction) ethanol and recrystallization, the purity of TFA was 96.4% and the recovery rate was 87.17%. This study shows that the selective adsorption capacity of target molecules is significantly improved by introducing SGO and bifunctional monomer strategies, which provides a new idea for the large-scale separation of natural products.

Cite this article

RuoYao SHEN , Ge QIU , Wei FANG , Yong YUAN , Hong LIU , HuaRong HUANG , ZhiYun DU , QiPeng YUAN . Efficient separation and purification of trans⁃ferulic acid in fermentation broth based on a sulfonated graphene oxide/molecularly imprinted polymer composite membrane[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology, 2026 , 53(1) : 51 -60 . DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2026.01.005

引 言

反式阿魏酸(trans⁃ferulic acid,TFA)作为一种天然酚酸类化合物,广泛存在于谷物、水果和中药材中,具有抗炎、抗氧化及抗肿瘤等多种生物活性1。研究表明,TFA通过激活Nrf2/ARE通路显著抑制氧化应激,并通过下调NF⁃κB信号通路减轻炎症反应2-3。此外,TFA在抑制肿瘤细胞迁移和诱导凋亡方面的作用使其在抗癌药物开发中备受关注4-5。目前,TFA主要通过从植物中提取和化学合成获得,但TFA在天然来源中的含量较低(通常低于0.1%),且发酵液体系中存在大量糖类、蛋白质及其他酚酸类杂质,传统的分离工艺(如溶剂萃取法、柱层析法等)在产业化应用中普遍面临分离效率低、经济性和环境相容性差等关键性技术瓶颈,因此需要开发分离效率高、选择性强的TFA分离方法。
分子印迹技术(molecular imprinting technology,MIT)通过构建与目标分子形状、尺寸及化学基团互补的识别位点,可实现对目标分子的高选择性分离。近年来,分子印迹复合膜(MICM)因结合了MIT的高选择性与膜分离的连续操作优势,成为天然产物分离的研究热点6-9。然而,现有MICM多采用单一功能单体(如α⁃甲基丙烯酸)制备,导致识别位点单一,吸附容量受限。氧化石墨烯(GO)具有高比表面积、丰富的含氧官能团以及可调控的表面化学性质,被广泛用于增强复合膜的性能。对GO进行磺酸化改性可引入负电荷基团(— S O 3 -),不仅提升了膜的亲水性,还能够通过静电作用与目标分子特异性结合10-11。本研究创新性地将磺酸化氧化石墨烯(SGO)与双功能单体(甲基丙烯酸(MAA)与丙烯酰胺(AM))相结合制备了SGO/分子印迹聚合物(MIP)复合膜,利用疏水作用与氢键协同增强对TFA的识别能力,并通过非溶剂致相分离法(NIPS)和致孔剂调控复合膜的膜孔结构,实现了反式阿魏酸的高效分离。这一策略不仅解决了传统MICM识别位点单一的问题,而且为天然产物的规模化纯化提供了新思路。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

1.1.1 实验材料

有机单体及交联体系 TFA(纯度≥98%)、MAA(纯度99%)及其共聚单体AM(分析级)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA,交联剂,纯度98%)、偶氮二异丁腈(AIBN,引发剂,纯度98%),均购自Sigma-Aldrich公司。
高分子材料 聚偏二氟乙烯(PVDF,分子量534 k)、聚乙二醇2000(PEG2000,致孔剂)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30,致孔剂),均购自国药集团化学试剂有限公司。
色谱级溶剂 N,N⁃二甲基乙酰胺(DMAc)、甲醇、乙腈、无水乙醇,均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;超纯水由Milli⁃Q系统制备,电阻率为18.2 MΩ·cm。
培养基 发酵培养基和富集培养基均为M9培养基,含有1 mol/L MgSO4 2 mL、1 mol/L CaCl2 0.1 mL、5 ×M9盐溶液(12.8 g Na2HPO4·7H2O、3.0 g KH2PO4、0.5 g NaCl、1.0 g NH4Cl,加双蒸水200 mL溶解,121 ℃灭菌15 min) 200 mL、20%葡萄糖溶液20 mL,加灭菌双蒸水至1 000 mL。

1.1.2 实验仪器

超声波细胞破碎仪(JY92-IIN型,宁波新芝生物科技股份有限公司),程控刮膜机(MSK-AFA-Ⅲ型,合肥科晶材料技术有限公司),接触角测量仪(CA200型,广东北斗精密仪器有限公司),X射线光电子能谱仪(XPS)(AXIS SUPRA型,英国Kratos公司),Zeta电位分析仪(SurPASS 3型,奥地利安东帕有限公司),扫描电子显微镜(SEM)(SU8010型,日本日立公司),超高分辨率场发射扫描电子显微镜(FESEM)(Verios 5 UC型,美国赛默飞世尔科技公司),高效液相色谱仪(HPLC)(Agilent 1260型,美国安捷伦公司),傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)(Nicolet iS50型,美国赛默飞世尔科技公司),X射线衍射仪(XRD)(D8 ADVANCE型,德国布鲁克公司),核磁共振波谱仪(NMR)(AVANCE Ⅲ 400 MHz型,德国布鲁克公司)。

1.2 MIP的制备

双功能单体分子印迹聚合物的合成方法主要包括模板分子预组装、聚合反应、模板洗脱与后处理过程,如图1所示。在模板分子预组装中,单体MAA和AM二者也可能进行反应,因此在无水乙醇中加入功能单体时,先加入MAA使模板分子与MAA发生一定的配位,再加入AM以减少不必要的聚合。其中,MAA提供了疏水性环境,AM可通过酰胺基与模板分子形成氢键。两者结合可以在聚合物中形成特定的三维结构,更好地匹配反式阿魏酸的分子形状,从而提高选择性识别能力。
图1 双功能单体分子印迹聚合物的合成方法示意图

Fig. 1 Schematic diagram of the synthesis method of bifunctional monomer molecularly imprinted polymers

1.2.1 模板分子预组装

参照文献[12]的方法进行模板分子预组装。将6.5 mmol TFA溶解于10 mL无水乙醇中,置于50 mL圆底烧瓶内,使用磁力搅拌器在室温下搅拌1 h至完全溶解。加入8 mmol MAA搅拌1 h,然后加入5 mmol AM继续搅拌3 h,使功能单体与模板分子通过氢键和疏水作用预组装。将混合液转移至4 ℃冰箱中静置12 h,促使未结合的杂质沉淀,于8 000 r/min离心10 min,取上清液备用。

1.2.2 聚合反应

参照文献[12]的方法进行聚合反应。将上述上清液转移至三口烧瓶中,加入15 mmol EGDMA和0.122 mmol AIBN。通过氮气鼓泡15 min以排除体系中的氧气,随后密封反应容器。将反应体系置于恒温水浴锅中,在60 ℃下磁力搅拌(转速300 r/min)反应24 h。反应结束后,将聚合产物倒入乙醇中沉淀,离心分离固体,得到粗制MIP。

1.2.3 模板洗脱与后处理

将粗制MIP装入纤维素套筒,使用索氏提取器以无水乙醇为溶剂,在80 ℃下连续提取36 h,每6 h更换1次溶剂,然后在无水乙醇中超声清洗10 min。通过HPLC检测洗脱终点,直至洗脱液中反式阿魏酸的浓度低于检测限。将洗脱后的MIP用超纯水洗涤至中性,随后在真空干燥箱中于50 ℃干燥12 h。将干燥后的MIP用玛瑙研钵研磨至200目(筛孔径75 µm),储存于干燥器中备用。

1.3 SGO的制备

首先采用改进的Hummers法制备GO。将3 g石墨粉与360 mL浓硫酸混合,在冰浴下缓慢加入12 g高锰酸钾,控制温度低于20 ℃,搅拌2 h后升温至35 ℃反应30 min。加入500 mL超纯水终止反应,随后用30%双氧水还原至溶液呈金黄色,离心洗涤至pH中性,冷冻干燥,得到GO粉末。
将1 g GO分散于100 mL浓硫酸中,加入5 g对氨基苯磺酸,80 ℃回流反应6 h。反应结束后离心洗涤至滤液pH≥6,真空干燥后得到SGO。将0.9 g SGO加入90 mL DMAc中,使用超声波细胞破碎仪处理1 h,形成均匀的SGO分散液。

1.4 SGO/MIP复合膜的制备

SGO/MIP复合膜的配方如表1所示。向SGO分散液中加入MIP粉末,超声处理1 h以确保MIP均匀分散,加入PVDF,使用机械搅拌器搅拌6 h至完全溶解,形成黏稠的均相溶液。加入致孔剂,搅拌2 h后静置脱泡12 h,得到铸膜液。使用自动刮膜机在玻璃基板上刮制膜液,刮刀间隙为250 μm,刮膜速度为15 mm/s。将湿膜立即浸入超纯水凝固浴中,于25 ℃静置24 h完成相转化。成膜后用去离子水冲洗表面残留溶剂,置于水和甘油(体积比1∶1)的混合液中保存,以防止膜结构塌缩。
表1 SGO/MIP复合膜的配方

Table 1 Formulation of the SGO/MIP composite membranes

复合膜

MIP

质量/g

SGO

质量/g

PVDF

质量/g

致孔剂
SGO/MIP1 0.225 0.9 12 3% PVP
SGO/MIP2 0.225 0.9 12 10% PVP
SGO/MIP3 0.225 0.9 12 4.5% PEG2000
SGO/MIP4 0.225 0.9 12 6% PEG2000
对照组 0 0.9 12 3% PVP

1.5 单功能单体和双功能单体MIP的吸附能力测定

为了比较单功能单体和双功能单体分子印迹聚合物对TFA的吸附能力,制备了仅含MAA或AM以及同时含有MAA和AM的分子印迹聚合物,测定其平衡吸附量。

1.5.1 聚合反应

参考1.2节的方法,按照表2所示的配方合成TFA的分子印迹聚合物。其中,MIP1和MIP2分别表示MAA和AM的单功能单体分子印迹聚合物,MIP3表示MAA/AM双功能单体分子印迹聚合物,NIP表示不加入TFA所制备的空白分子印迹聚合物。
表2 分子印迹聚合物的配方

Table 2 Formulation of the molecularly imprinted polymers

聚合物

n(TFA)/

mmol

n(MAA)/

mmol

n(AM)/

mmol

n(EGDMA)/

mmol

m(AIBN)/

mg

MIP1 1 8 0 20 10
MIP2 1 0 5 20 10
MIP3 1 8 5 20 10
NIP 0 8 5 20 10

1.5.2 模拟液静态吸附实验

准确称取50 mg MIP和NIP分别置于10 mL离心管中,加入10 mL TFA的乙醇溶液(100 mg/L)。恒温25 ℃静态吸附180 min后离心分离,取1 mL上清液,使用HPLC检测TFA浓度13,按照式(1)计算平衡吸附量。
Q C = (ρ 0 - ρ e)× V/m
式中:Q C为平衡吸附量,mg/g;ρ 0为TFA模拟液的初始质量浓度,mg/mL;ρ e为TFA模拟液的平衡质量浓度,mg/mL;V为溶液体积,mL;m为膜的质量,g。

1.6 GO、SGO和SGO/MIP复合膜的表征

采用XPS分析GO和SGO的表面元素组成;采用Zeta电位分析仪测试GO和SGO表面的带电性,电解质溶液为1 mmol/L KCl溶液,用HCl和NaOH调节pH值至7。
采用接触角测量仪测定SGO/MIP复合膜的水接触角,用于表征其表面亲水性。将复合膜在室内常温晾干,裁剪成合适大小,置于接触角测量仪上,取2 μL去离子水滴落于膜表面,记录接触角测量仪捕捉的图像及接触角,测试在室温(26 ℃)下进行。
采用SEM观察SGO/MIP复合膜的微观形貌,采用超高分辨率FESEM分析样品表面的元素分布(mapping图)。

1.7 膜渗透实验

膜渗透实验旨在评估SGO/MIP复合膜对TFA的渗透与吸附性能。实验装置为膜渗透瓶,实验温度为25 ℃和37 ℃,相对湿度55%。将有效半径为2 cm的复合膜片装填于装置中,在膜渗透A瓶中装入120 mL发酵液(初始质量浓度为83.3 mg/L,pH=3.27)13,在膜渗透B瓶中装入120 mL超纯水。分别在0 h、22 h、48 h、72 h、96 h、121 h通过HPLC测定A瓶和B瓶中TFA的浓度,按照式(2)计算吸附容量。
Q = (C₀ - C e1 - C e2) × V/A
式中:Q为吸附容量,mg/m²;C₀为0 h时A瓶中TFA的质量浓度,mg/mL;C e1为121 h时A瓶中TFA的质量浓度,mg/mL;C e2为121 h时B瓶中TFA的质量浓度,mg/mL;V为A瓶或B瓶中溶液的体积,均为120 mL;A为吸附剂(膜)的总有效表面积,m²。
实验结束后取出复合膜,用50 mL无水乙醇洗脱30 min,通过HPLC测定洗脱液中TFA的浓度,按照式(3)计算回收率。
R = C 1 × V 1 A × Q × 100 %  
式中:R为回收率;C 为洗脱液中TFA的质量浓度,mg/mL;V 为洗脱液的体积,mL。

1.8 发酵液中TFA的分离纯化

1.8.1 动态膜分离

将SGO/MIP复合膜装填于错流平板膜分离装置(有效膜面积12.57 cm²,膜片半径2 cm)中,控制发酵液(83.3 mg/L)的流量为70 L/(m²·h),操作压力0.1 MPa,温度25 ℃。在吸附过滤过程中,收集滤出液,按照式(4)计算膜通量。
J W = V ' A × t
式中:J W为膜通量,L/(m2·h); V '为膜过滤的液体体积,L;t为过滤时间,h。

1.8.2 梯度洗脱

将吸附饱和的复合膜依次用以下洗脱液进行梯度洗脱:1)10%乙醇-0.1%甲酸水溶液100 mL,洗脱2 min;2)20%乙醇-0.1%甲酸水溶液100 mL,洗脱2 min;3)40%乙醇-0.1%甲酸水溶液100 mL,洗脱10 min;4)60%乙醇-0.1%甲酸水溶液100 mL,洗脱10 min。
洗脱液流速为5 mL/min,温度为25 ℃。收集40%乙醇和60%乙醇的洗脱液,减压浓缩至原体积的1/10。

1.8.3 重结晶

将上述浓缩液用超纯水溶解至TFA最终质量浓度为9 g/L,加入盐酸调节pH至3左右。加入无水乙醇(水和乙醇的体积比为3∶1),于20 ℃磁力搅拌5 h后静置24 h。将析出的晶体通过真空过滤,于50 ℃真空干燥12 h,得到TFA晶体。

1.9 TFA纯度测定

使用HPLC,通过面积归一法测定TFA结晶的纯度。色谱柱为Xselect CSH C18(4.6 mm ×150 mm×3.5 µm),柱温35 ℃,进样体积10 µL,检测波长280 nm,流速1.0 mL/min,按照表3进行流动相梯度洗脱。
表3 流动相梯度

Table 3 Mobile phase gradient

时间/min 体积分数/%
甲醇 0.1%甲酸水溶液
0 15 85
15 15 85
20 50 50
25 100 0
26 100 0
30 15 85
50 15 85

1.10 TFA的鉴定

1.10.1 晶体结构

采用XRD测定阿魏酸的晶体结构。将干燥后的阿魏酸粉末样品均匀铺于玻璃样品架的凹槽中,用载玻片压实使其表面平整。测试条件:Cu Kα辐射源(λ=0.154 06 nm),管电压40 kV,管电流40 mA,扫描范围5°~80°,扫描步长0.02°,扫描速度8(°)/min。

1.10.2 官能团

采用FT⁃IR测试阿魏酸分子的官能团。取约1~2 mg干燥的阿魏酸样品与200 mg干燥的溴化钾粉末在玛瑙研钵中充分混合并研磨均匀,使用压片机在真空下压制成透明的薄片。将薄片置于样品池中,扫描范围4 000~400 cm-1,分辨率4 cm-1,累计扫描32次以获得高信噪比的红外光谱。

1.10.3 化学结构

采用NMR对阿魏酸分子的化学结构进行解析。
¹H NMR 精确称取约15 mg阿魏酸样品,加入到0.6 mL氘代甲醇中,充分溶解后转移至5 mm核磁管中。在室温下,使用标准单脉冲序列进行测定,设置弛豫延迟时间为2 s,累计扫描16次。
¹³C NMR 精确称取约40 mg阿魏酸样品,溶解于0.6 mL氘代甲醇中。在质子全去耦模式下进行测定,设置弛豫延迟时间为2 s,累计扫描1 024次以上。所有化学位移均以四甲基硅烷(TMS)为内标进行定标。

2 结果与讨论

2.1 MIP的静态平衡吸附量

图2为不同分子印迹聚合物对TFA的静态平衡吸附量。由图2可知,在静态吸附180 min后,双功能单体分子印迹聚合物MIP3的吸附量为9.4 mg/g,大于单功能单体分子印迹聚合物MIP1和MIP2。由于NIP没有特异性吸附位点,对TFA的吸附能力最差,其吸附量仅为4.1 mg/g,显著低于MIP。
图2 不同分子印迹聚合物的静态平衡吸附量比较

Fig. 2 Comparison of static equilibrium adsorption capacities of different molecularly imprinted polymers

对于MIP1(仅使用MAA单体),MAA的羧基可以通过氢键作用与TFA的酚羟基结合。对于MIP2(仅使用AM单体),AM的氨基可以与TFA的羧基形成氢键。对于MIP3(同时使用MAA和AM),双功能单体可产生协同增强效应,MAA的羧基与TFA的酚羟基形成强氢键,AM的氨基与TFA的羧基形成次级氢键,双重氢键作用使结合键能叠加,可显著提升TFA与识别位点的结合强度;此外,MAA的烷基链与TFA的芳香环形成疏水作用,可固定TFA分子空间构象,避免非特异性脱附,从而实现与TFA分子的高效、稳定结合。

2.2 GO、SGO和SGO/MIP复合膜的表征结果

2.2.1 XPS谱图和Zeta电位

图3为GO和SGO的XPS谱图。GO和SGO在结合能581 eV和285 eV附近均出现特征吸收峰,分别对应O 1s和C 1s的轨道能级跃迁峰。此外,SGO在167 eV附近出现S元素的2p轨道能级跃迁峰,而GO在此处未出现该峰,从而验证了磺酸基团的引入。
图3 GO和SGO的XPS谱图

Fig. 3 XPS spectra of GO and SGO

实验测得SGO和GO的Zeta电位分别为-28.14 mV和-22.32 mV,磺化石墨烯膜的Zeta电位绝对值大于未磺化石墨烯膜,表明磺化后的石墨烯可以增强膜极性,提升膜表面电位。SGO表面的羧基、羟基和环氧官能团等极性基团可以在相转化后暴露在膜表面,这些基团在水中脱质子化,使膜表面带负电。

2.2.2 水接触角

图4为GO/MIP和SGO/MIP复合膜的水接触角。GO/MIP和SGO/MIP复合膜的水接触角分别为95.6°和69.8°,SGO/MIP复合膜的水接触角小于GO/MIP复合膜,表明SGO/MIP复合膜的亲水性大于GO/MIP复合膜。这是因为SGO表面的磺酸基团(—SO3H)具有强亲水性,增强了SGO膜表面与水分子的氢键作用,降低了水在膜表面的接触阻力。SGO经磺化引入磺酸基团,既可增强膜的亲水性以优化传质、减少杂质的非特异性吸附,又可通过静电作用辅助磺酸基团与TFA结合,与双功能单体协同实现对TFA的高效识别。
图4 GO/MIP和SGO/MIP复合膜的水接触角

Fig. 4 Water contact angles of GO/MIP and SGO/MIP composite membranes

2.2.3 微观形貌和元素分布

图5为SGO/MIP复合膜的微观形貌。图5(a)显示,复合膜的表面均匀分布MIP颗粒,颗粒分散性良好,无明显团聚现象,表明超声分散与机械搅拌可有效实现MIP与SGO的均匀复合。图5(b)中,复合膜的截面呈现典型的非对称指状孔结构,孔径范围为1~5 μm,孔道纵向贯通且连通性良好,膜厚度约为81~84 µm。
图5 SGO/MIP复合膜的SEM图

Fig. 5 SEM images of SGO/MIP composite membranes

图6为SGO/MIP复合膜的元素分布mapping图。结果显示,复合膜表面分布C、N、O、F和S元素。分子印迹聚合物合成时引入了含氮的丙烯酰胺等物质,由于在复合膜制备中分子印迹聚合物的添加量有限,因此氮元素含量较低,但仍能观察到其在膜表面均匀分布。从各元素的分布情况来看,分子印迹聚合物在复合膜上是均匀分散的。
图6 SGO/MIP复合膜的元素分布mapping图

Fig. 6 Element distribution mapping maps of the SGO/MIP composite membrane

2.3 SGO/MIP复合膜的吸附性能

分别通过膜渗透实验和动态膜分离实验测定SGO/MIP复合膜的吸附容量和膜通量,结果如表4所示。结果显示,在25 ℃下各SGO/MIP复合膜的吸附容量大于2 000 mg/m²,膜通量大于40 L/(m²·h),其中SGO/MIP4复合膜(致孔剂为6% PEG2000)的吸附容量可达2 249.31 mg/m²,膜通量为53.94 L/(m²·h),表明其在高效截留目标分子的同时保持了良好的渗透性能。SGO的磺酸基团与TFA的羧基在酸性条件下可形成氢键,增强吸附选择性;同时,GO的高比表面积提供了更多的吸附位点。此外,致孔剂调控的指状孔(孔径1~5 μm)优化了分子扩散路径,结合非溶剂诱导相分离形成的贯通孔道,使得复合膜实现了高效传质与吸附。
表4 SGO/MIP复合膜的吸附容量和膜通量

Table 4 Adsorption capacity and membrane flux of SGO/MIP composite membranes

复合膜 吸附容量/(mg·m-²)

膜通量(25 ℃)/

(L·m-²·h-1

25 ℃ 37 ℃
SGO/MIP1 2 002.36 1 652.32 44.86
SGO/MIP2 2 118.78 1 800.56 64.43
SGO/MIP3 2 152.55 1 683.18 40.57
SGO/MIP4 2 249.31 1 939.04 53.94
对照组 1 204.76 806.99 42.48
当温度由25 ℃升高至37 ℃时,各SGO/MIP复合膜的吸附容量均有不同程度的降低,表明高温不利于TFA吸附,这可能与氢键作用的热敏感性有关(氢键强度随温度升高而减弱)。在相同温度下,SGO/MIP复合膜的吸附容量大于对照组,主要原因是对照组未添加特异性吸附TFA的分子印迹物。在25 ℃下,不同SGO/MIP复合膜的膜通量有较大差异,例如SGO/MIP2的膜通量为64.43 L/(m²·h),SGO/MIP3的膜通量为40.57 L/(m²·h),这可能与所用的致孔剂种类及含量有关。

2.4 TFA的纯度和回收率

表5为使用不同SGO/MIP复合膜得到的TFA纯度和回收率。结果显示,SGO/MIP4的纯度和回收率最大,分别为96.4%和87.17%。在梯度洗脱过程中,0.1%甲酸水溶液的加入可破坏MIP与目标分子间的氢键作用,提高洗脱效率。
表5 TFA的纯度和回收率

Table 5 Purity and recovery of TFA

复合膜 TFA纯度/% TFA回收率/%
SGO/MIP1 95.6 86.50
SGO/MIP2 96.2 86.13
SGO/MIP3 95.4 86.34
SGO/MIP4 96.4 87.17

2.5 TFA的鉴定结果

图7为TFA重结晶样品的XRD谱图。重结晶产物在2θ=12.3°、17.8°、25.6°等处出现特征峰,与TFA标准品的谱图(PDF 41⁃1606)一致,验证了产物的高纯度与结构完整性。
图7 TFA样品和标准品的XRD谱图

Fig. 7 XRD patterns of TFA sample and standard

图8为TFA重结晶样品的FT-IR谱图。结果表明,TFA特征官能团的振动模式与其理论结构高度吻合:在3 437 cm-1处出现的宽泛吸收带源于羟基(—OH)的伸缩振动;在1 691 cm-1处出现的吸收峰对应于羧酸基团中羰键(C=O)的强振动;在1 600 cm-1和1 517 cm-1处出现的吸收峰对应于芳香环共轭体系中C=C骨架的振动;在1 277 cm-1处出现的尖锐峰对应于甲氧基(—OCH₃)的C—O键伸缩振动。经与标准谱库比对,TFA各特征峰的位移偏差<2 cm-1,验证了产物的化学结构完整性。
图8 TFA样品的FT-IR谱图

Fig. 8 FT-IR spectrum of TFA sample

图9为TFA重结晶样品的NMR谱图。在¹H NMR中,化学位移δ=7.5处的峰(d, J=16 Hz)对应反式双键质子(H—C=C—COOH),δ=6.8~7.3处的峰(m)对应芳香环质子(苯环上的H),δ=3.8处的峰(s)对应甲氧基上的H(—OCH₃)。在¹³C NMR中,δ=169处的峰对应羧酸羰基(C=O),δ=148~115处的峰对应芳香环及双键碳,δ=55处的峰对应甲氧基碳(—OCH₃)。经比对,TFA样品的核磁数据与其标准谱图一致,进一步验证了分子结构的准确性。
图9 TFA样品的NMR谱图

Fig. 9 NMR spectra of TFA sample

3 结论

本研究成功构建了一种基于SGO与MIP复合的分离膜,实现了TFA的高选择性分离与纯化,得到以下主要结论。
(1)表征结果表明,SGO/MIP复合膜的水接触角为69.8°,具有一定亲水性;复合膜表面均匀分布的MIP颗粒与SGO形成稳定复合体系,截面呈现贯通性良好的指状孔(孔径1~5 μm)。
(2)致孔剂种类与含量显著调控膜性能。25 ℃下,当PVP含量由3%增至10%时,复合膜的膜通量由44.86 L/(m²·h)提升至64.43 L/(m²·h);当使用6% PEG2000作为致孔剂时,复合膜的吸附容量可达2 249.31 mg/m²,兼顾了膜的高传质效率与吸附能力。
(3)温度对复合膜的吸附性能有影响。当温度由25 ℃升高至37 ℃时,SGO/MIP复合膜的吸附容量均有不同程度的降低,表明高温不利于复合膜对TFA吸附。
(4)使用10%~60%乙醇对SGO/MIP4复合膜进行梯度洗脱,重结晶后产物TFA的纯度为96.4%,回收率为87.17%。
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Outlines

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