【正文】 膜為原型、以仿生設計為出發(fā)點，從智能膜材料分子水平設計著手，構建仿生智能膜材料設計與制備的新原理與新方法。結合各種現(xiàn)代表征手段，了解膜材料微結構及宏觀性能與材料制備方法關系，實現(xiàn)膜材料的形貌可控，揭示制備控制參數(shù)對膜的微結構和性能的影響規(guī) 19 律 , 提高膜的滲透性能和穩(wěn)定性。 考察可滲界面條件下在膜組件內(nèi)流體力學特性以及 CO2 滲透膜 Joule Thomson 效應，開發(fā)復雜組成氣體膜分離過程數(shù)學模擬軟件，結合化工計算軟 18 件（ HYSYS、 PROⅡ 、 ASPEN 等），建立 關鍵單元數(shù)學模型和多層次復雜的理論計算平臺，探索單元和系統(tǒng)的參數(shù)間相互影響和作用規(guī)律， 尋找出關鍵工藝參數(shù)的最佳匹配， 實現(xiàn)工藝 流程優(yōu)化設計， 形成成熟的 CO2 膜分離集 成技術研究設計開發(fā)平臺。 承擔單位： 清華大學 課題負責人：王曉琳 經(jīng)費比例： ％ 課題 0抗 CO2塑化功能高分 子膜設計及分離過程研究 主要研究內(nèi)容 ： 通過引入含醚氧或堿性基團等 功能團 化學交聯(lián)改性手段，研究聚合物鏈段堆砌規(guī)整性與高分子鏈的鏈段局部運動能力規(guī)律、聚合物鏈間作用力和交聯(lián)度與自由體積的影響關系，揭示聚合物功能官能團與滲透組分的相互作用規(guī)律及對膜的分離和透過性能的影響，通過研究 CO2 在不同結構和形態(tài)的高分子鏈中的滲透行為，揭示功能團交聯(lián)提高膜材料抗 CO2 塑化作用機理，從分子水平上的結構改性和物理改性調(diào)控氣體分離膜性能。 利用有機 無機雜化并結合酸 堿聚合物膜的思路，通過多層次設計得到滲透汽化荷電雜化膜。 采用 原子力顯微鏡等確定聚合物膜表面、界面、本體在不同條件下的結構變化及其對分離性能的影響，研究高分子膜材料空間結構、界面結構、鏈結構、取向和聚集態(tài)等微觀性質與其選擇性、滲透性和穩(wěn)定性等宏觀分離性能間的內(nèi)在聯(lián)系。研究有機 無機復合膜的成膜熱力學和動力學規(guī)律，結合分子模擬探討分子的界面擴散行為、受限溶脹皮層的自由體積特征、無機物表面官能團效應等相界面?zhèn)髻|規(guī)律，揭示有機 無機材料之間的匹配關系；研究有 機皮層包埋納米無機材料的膜改性方法，建立納米無機材料的微結構參數(shù)、摻雜方式與膜功能的關系，實現(xiàn)有機皮層的孔道 變形性、親疏水性和微結構的調(diào)變；研究有機皮層官能團嫁接 對膜表面的親水、親有機物和膜穩(wěn)定性的調(diào)控規(guī)律；在微結構參數(shù)優(yōu)化的基礎上，通過無機支撐體和有機皮層的表面微結構協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn) 高 性能有機 無機復合膜的制備。各類膜的技術指標達到國際同類膜的先 進水平。結合水通道和水滲透機理的研究，對反滲透膜改性的基礎上，探索適于正滲透的新型 CTA 改性材料和膜，界面聚合納米體（含碳納米管，沸石納米分子篩等）復合膜，新型聚電解質改性材料和膜等，以提高 FO 膜的綜合性能。 承擔單位： 中國科學 院長春應用化學研究所 課題負責人： 張所波 經(jīng)費比例： ％ 課題 0節(jié)能型高分子復合膜的微結構調(diào)控與制備方法 主要研究內(nèi)容 ： 開展 RO、 NF、 正滲透（ FO） 、 有機物高截留率復 合膜 和高性能超濾（ UF）膜 這 5 種膜的研究，并建立 RO 和 NF 膜及材料的數(shù)據(jù) 庫。提高納濾膜的耐氯氧化及抗污染性能。根據(jù)現(xiàn)今對膜分離理論的認識， 設計合成多組分、多層次、多功能的新型芳雜環(huán)功能高分子材料，定量研究分子結構與分離性能的關系，全面掌握膜材料的微觀結構（分子鏈的化學結構、基團分布）、介觀聚集（分子鏈間距、自由體積）和宏觀形貌以及它們的動態(tài)形成 過程與膜綜合性能的關系，按照一定的分離要求， “設計、組裝 ”膜材料。此外，還有一大批博士和碩士研究生參與了各課題組的研究工作。這些實驗室的大型儀器設備在國內(nèi)處于領先水平，相當部分達到國際水平，可為本項目的研究提供 先進的實驗手段?！笆?”以來主要承擔了 1 項 973 項目、 8 項國家自然科學基金重點項目和 3 項國家杰出青年基金項目的研究工作， 初步 構建了 面向 應用過程的膜材料設計與制備的理論框架，取得了一些具有特色與 創(chuàng)新 的研究成果，在多孔膜傳遞機理、多孔膜材料設計與制備、反應－膜分離耦合技術、新型高性能結構不對稱聚酰亞胺納濾膜材料 、 TiAl 合金新型膜材料研究等方面 取得了重要突破。在 CO2 分解膜方面，采用 原位表征技術，研究 混合導體 膜在反應過程中的失效機理；從相組成的調(diào)配出發(fā)，通過離子取代和非主相的引入，開發(fā)具有協(xié)同效應的多相混合導體氧化物；采用多層共燒結技術 控制 膜的微結構，制備具有組成梯度或結構梯度的混合導體膜，提高膜的滲透性能和穩(wěn)定性。在高分子滲透汽化膜方面，依據(jù)相似相溶原理和基團貢獻方法，結合分子模擬和密度泛函理論，設計和開發(fā)脫硫膜材料；在分子篩膜方面， 基于分子動力學和 Maxwell Stefan 滲透模型，建立膜分離性能與膜表面微結構之間的關系，進行膜材料的優(yōu)化設計，采用化學氣相沉積技術和自組裝等方法，實現(xiàn)分子篩膜微結構調(diào)控；在有機 /無機復合膜方面，采用有機皮層包埋和表面改性技術，實現(xiàn)分離層親疏水性和微結構的調(diào)變?？傮w思路如圖 1 所示。 3) 在滲透汽化膜方面：建立 面向 滲透汽化分離體系的分子篩膜、有機 無機復合膜微結構設計方法，制備出高性能 透水分子篩膜材料 (通量 3kg/m2h)和 透醇分離膜材料（通量 3kg/m2h，乙醇 /水分離系數(shù) 15）； 設計和制備 的 汽油、液化氣脫硫滲透汽化分離膜，滲透通量（汽油） ≥、分離系數(shù) ≥12；滲透通量（液化氣） ≥ 100L(STP)/，分離系數(shù) ≥12. 8 4) 在 CO2處理 膜方面： 開發(fā)出 1~2 種新的混合導體透氧膜材料， 膜的透氧滲透性大于 (STP)/cm2min(850℃ )，在二氧化碳分解膜反應過程穩(wěn)定操作時間大于 1000 小時； 制備 3～ 5 種抗塑化 高性能分離膜材料 ： CO2滲透系數(shù) ≥4 109cm3(STP)/，氣體選擇性 αCO2/N2≥50， αCO2/H2≥5； 建立 CO2膜分離現(xiàn)場中試平臺，裝置處理量 ≥5000NM3/d， 裝置設計壓力 ≥。在材料創(chuàng)制中，通過膜的形成機理和膜材料微結構控制方法的研究，奠定膜材料開發(fā)的技術基礎，研制出具有自主知識產(chǎn)權和市場競爭力的水 處理 膜、滲透汽化膜、氣體分離膜 和智能膜，提升我國膜材料的整體技術水平。 ? 智能化仿生離子通道膜的設計原理與制備方法研究：以生物細胞膜為原型、以仿生設計為出發(fā)點，從智能膜材料分子水平設計著手，構建仿生智能膜材料設計與制備的新原理與新方法； 模仿泌氯細胞膜的工作機制，選擇對鈉離子有選擇性的苯并冠醚類化合物，采用合適的聚合物基體微孔膜，構建仿生離子通道膜，用含有特殊官能團的有機物對聚合物基體膜的膜孔進行接枝修飾提高對鈉離子的選擇性與通透性。 3） CO2 捕集與利用膜材料的設 計與制備研究 ? 抗 CO2塑化功能高分子膜設計與制備：通過引入含醚氧或堿性基團等功能團化學交聯(lián)改性手段，研究聚合物鏈段堆砌規(guī)整性與高分子鏈的鏈段局部運動能力規(guī)律、聚合物鏈間作用力和交聯(lián)度與自由體積的影響關系，揭示聚合物功能官能團與滲透組分的相互作用規(guī)律及對膜的分離和透過性能的影響，通過研究CO2在不同結構和形態(tài)的高分子鏈中的滲透行為，揭示功能團交聯(lián)提高膜材料抗CO2塑化作用機理，從分子水平上的結構改性和物理改性調(diào)控氣體分離膜性能。確定聚合物膜表面、界面、本體在不同 條件下的結構變化及其對分離性能的影響，研究高分子膜材料空間結構、界面結構、鏈結構、取向和聚集態(tài)等微觀性質與其選擇性、滲透性和穩(wěn)定性等宏觀分離性能間的內(nèi)在聯(lián)系，結合分子模擬和密度泛函理論，獲得聚合物膜傳質機理和膜材料設計模型。 ? 研究兩親性共聚物對成膜體系熱力學性質和成膜動力學行為的影響，通過成膜參數(shù)的優(yōu)化，調(diào)控兩親性共聚物的表面遷移過程，實現(xiàn)共混膜的多層次結構控制，制備具有高親水性和優(yōu)異抗污染能力的 UF 共混膜；并研究共混膜特殊的分離行為（高通量，高截留率）與膜結構，特別是表層結構的關系，用直接或間接的手段驗證共混膜表層水凝膠薄層的存在，闡明共混膜結構和性能的相互關系，揭示凝膠層形成機理和演變規(guī)律。通過研究 膜材料的微觀結構、介觀聚集和宏觀形貌以及它們的動態(tài)形成過程與膜綜合性能的關系，掌握針對膜分離過程及分離對象的膜材料分子設計及合成方法，實現(xiàn)對高分子膜材料結構的準確設計與控制。 本項目將進一步擴大和深入已有的工作，研究過程集成條件下的膜及膜材料微結構與環(huán)境作用規(guī)律，通過膜表面性質與應用體系的關系研究，揭示膜污染的形成機理，解決 相關 重大工程中的膜失效問題，發(fā)展膜污染控制的新方法，實現(xiàn)膜的穩(wěn)定運行；通過環(huán)境因素（如溫度、 pH、離子種類等）與膜材料微結構變化 關系 的 研究，利用膜微結構演變產(chǎn)生的新功能開發(fā)環(huán)境響應型智能膜材料，實現(xiàn)環(huán)境對膜性能的主動調(diào)控，以滿足特定分離體系對膜功能的特殊要求。 建立多組分、多層次結構及多功能化的特種高分子分離膜材料和 智能膜材料的合成方法，實現(xiàn)對高分子或智能膜材料微結構的準確控制。對高分子膜材料而言，膜材料的微觀結構（分子鏈的化學結構、基團分布）、介觀聚集 （分子鏈間距、自由體積）和宏觀形貌以及它們的動態(tài)形成過程與膜綜合性能的關系是要解決的關鍵科學問題，也是膜材料的精確設計與化學合成的理論基礎；對微孔膜而言，如何通過材料設計、制備方法改進而提高其性能也是需要研究的科學問題，特別是要建立極端環(huán)境（高溫、高壓、強腐蝕）下高強度膜材料的設計方法；對智能膜而言，膜材料的化學結構與微觀物理結構與其刺激響應性功能之間的內(nèi)在關系，是智能膜設計與制備的關鍵。 項目名稱： 面向應用過程的膜材料設計與制備基礎研究 首席科學家： 徐南平 南京工業(yè)大學 起止年限： 至 依托部門： 江蘇省科技廳 1 一、研究內(nèi)容 擬解決的關鍵科學問題及其內(nèi)涵 擬解決的關鍵科學問題 ：膜的功能與膜及膜材料微結構的關系；膜及膜材料的微結構形成機理與控制方法；應用過程中的膜及膜材料微結構的演變規(guī)律。 本項目將在此基礎上進一步拓展 膜的功能與膜及膜材料微結構 關系 的科學內(nèi)涵，將研究對象從多孔陶瓷膜（微濾 /超濾）拓展至反滲透 /納濾膜、滲透汽化膜、氣體分離膜、特種分離膜，特別關注微孔道、水通道、離子通道以及無機膜材料的傳遞理論研究。 本項目將在已有成果的基礎上，針對 水 處理 膜 、 滲透汽化膜、二氧化碳 處 2 理 膜和智能膜，開展 膜及膜材料微結構形成機理與控制方法的研究。在上期 973 項目中，針對陶瓷膜固液分離過程中 膜 通量隨時間下降的問題，通過膜孔徑分布與分離體系的粒徑分布的匹配關系研究，解決了膜孔阻塞導致通量衰減的問題，初步實現(xiàn)了陶瓷膜的應用從工藝設計向膜 材料 微結構設計的轉變。 3 ? 合成具有新型芳雜環(huán)功能高分子膜材料： 設計制備具有多組分、多層次結構及多功能化的新型芳雜環(huán)特種高分子膜材料。通過采用界面聚合、自組裝方法 ， 研究制備條件對膜性能的影響 ,實現(xiàn)對膜的厚度及表面形貌的有效調(diào)控。 ? 脫 SO2滲透汽化膜的設計與制備研究： 依據(jù)分離膜材料中關鍵基團對膜分離性能所起作用分析，借助于基團組裝分子理念，進行脫硫等體系聚酰亞胺和硅橡膠類膜材料設計。 ? 有機無機復合膜的成膜規(guī)律及調(diào)控方法：研究高分子和無機組分的相互作用規(guī)律、膜與待分離組分之間的相互作用，對界面結構形態(tài)、膜自由體積特性、膜孔徑等膜微觀結構形態(tài)以及親疏水性、溶脹特性等膜物理化學特 性進行表征，揭示復合膜中的多尺度效應；研究有機皮層的官能團嫁接 對膜表面的親水、親有機物和膜穩(wěn)定性的調(diào)控規(guī)律，結合微孔膜的微結構優(yōu)化設計，制備出高性能的有機 無機復合膜。 4）新型特種膜材料及膜的設計與