【正文】 膜為原型、以仿生設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，從智能膜材料分子水平設(shè)計(jì)著手，構(gòu)建仿生智能膜材料設(shè)計(jì)與制備的新原理與新方法。結(jié)合各種現(xiàn)代表征手段，了解膜材料微結(jié)構(gòu)及宏觀性能與材料制備方法關(guān)系，實(shí)現(xiàn)膜材料的形貌可控，揭示制備控制參數(shù)對(duì)膜的微結(jié)構(gòu)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(xué)特性以及 CO2 滲透膜 Joule Thomson 效應(yīng)，開(kāi)發(fā)復(fù)雜組成氣體膜分離過(guò)程數(shù)學(xué)模擬軟件，結(jié)合化工計(jì)算軟 18 件（ HYSYS、 PROⅡ 、 ASPEN 等），建立 關(guān)鍵單元數(shù)學(xué)模型和多層次復(fù)雜的理論計(jì)算平臺(tái)，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(guān)鍵工藝參數(shù)的最佳匹配， 實(shí)現(xiàn)工藝 流程優(yōu)化設(shè)計(jì)， 形成成熟的 CO2 膜分離集 成技術(shù)研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 承擔(dān)單位： 清華大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人：王曉琳 經(jīng)費(fèi)比例： ％ 課題 0抗 CO2塑化功能高分 子膜設(shè)計(jì)及分離過(guò)程研究 主要研究?jī)?nèi)容 ： 通過(guò)引入含醚氧或堿性基團(tuán)等 功能團(tuán) 化學(xué)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(yùn)動(dòng)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(guān)系，揭示聚合物功能官能團(tuán)與滲透組分的相互作用規(guī)律及對(duì)膜的分離和透過(guò)性能的影響，通過(guò)研究 CO2 在不同結(jié)構(gòu)和形態(tài)的高分子鏈中的滲透行為，揭示功能團(tuán)交聯(lián)提高膜材料抗 CO2 塑化作用機(jī)理，從分子水平上的結(jié)構(gòu)改性和物理改性調(diào)控氣體分離膜性能。 利用有機(jī) 無(wú)機(jī)雜化并結(jié)合酸 堿聚合物膜的思路，通過(guò)多層次設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)變化及其對(duì)分離性能的影響，研究高分子膜材料空間結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、鏈結(jié)構(gòu)、取向和聚集態(tài)等微觀性質(zhì)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(jī) 無(wú)機(jī)復(fù)合膜的成膜熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，結(jié)合分子模擬探討分子的界面擴(kuò)散行為、受限溶脹皮層的自由體積特征、無(wú)機(jī)物表面官能團(tuán)效應(yīng)等相界面?zhèn)髻|(zhì)規(guī)律，揭示有機(jī) 無(wú)機(jī)材料之間的匹配關(guān)系；研究有 機(jī)皮層包埋納米無(wú)機(jī)材料的膜改性方法，建立納米無(wú)機(jī)材料的微結(jié)構(gòu)參數(shù)、摻雜方式與膜功能的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)有機(jī)皮層的孔道 變形性、親疏水性和微結(jié)構(gòu)的調(diào)變；研究有機(jī)皮層官能團(tuán)嫁接 對(duì)膜表面的親水、親有機(jī)物和膜穩(wěn)定性的調(diào)控規(guī)律；在微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)無(wú)機(jī)支撐體和有機(jī)皮層的表面微結(jié)構(gòu)協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn) 高 性能有機(jī) 無(wú)機(jī)復(fù)合膜的制備。各類(lèi)膜的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類(lèi)膜的先 進(jìn)水平。結(jié)合水通道和水滲透機(jī)理的研究，對(duì)反滲透膜改性的基礎(chǔ)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(fù)合膜，新型聚電解質(zhì)改性材料和膜等，以提高 FO 膜的綜合性能。 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué) 院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所 課題負(fù)責(zé)人： 張所波 經(jīng)費(fèi)比例： ％ 課題 0節(jié)能型高分子復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)調(diào)控與制備方法 主要研究?jī)?nèi)容 ： 開(kāi)展 RO、 NF、 正滲透（ FO） 、 有機(jī)物高截留率復(fù) 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(kù)。提高納濾膜的耐氯氧化及抗污染性能。根據(jù)現(xiàn)今對(duì)膜分離理論的認(rèn)識(shí)， 設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)與分離性能的關(guān)系，全面掌握膜材料的微觀結(jié)構(gòu)（分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)、基團(tuán)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(dòng)態(tài)形成 過(guò)程與膜綜合性能的關(guān)系，按照一定的分離要求， “設(shè)計(jì)、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(shí)驗(yàn)室的大型儀器設(shè)備在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，相當(dāng)部分達(dá)到國(guó)際水平，可為本項(xiàng)目的研究提供 先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段。“十五 ”以來(lái)主要承擔(dān)了 1 項(xiàng) 973 項(xiàng)目、 8 項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和 3 項(xiàng)國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目的研究工作， 初步 構(gòu)建了 面向 應(yīng)用過(guò)程的膜材料設(shè)計(jì)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(jī)理、多孔膜材料設(shè)計(jì)與制備、反應(yīng)－膜分離耦合技術(shù)、新型高性能結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)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(shù)，研究 混合導(dǎo)體 膜在反應(yīng)過(guò)程中的失效機(jī)理；從相組成的調(diào)配出發(fā)，通過(guò)離子取代和非主相的引入，開(kāi)發(fā)具有協(xié)同效應(yīng)的多相混合導(dǎo)體氧化物；采用多層共燒結(jié)技術(shù) 控制 膜的微結(jié)構(gòu)，制備具有組成梯度或結(jié)構(gòu)梯度的混合導(dǎo)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(tuán)貢獻(xiàn)方法，結(jié)合分子模擬和密度泛函理論，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)脫硫膜材料；在分子篩膜方面， 基于分子動(dòng)力學(xué)和 Maxwell Stefan 滲透模型，建立膜分離性能與膜表面微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，進(jìn)行膜材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)和自組裝等方法，實(shí)現(xiàn)分子篩膜微結(jié)構(gòu)調(diào)控；在有機(jī) /無(wú)機(jī)復(fù)合膜方面，采用有機(jī)皮層包埋和表面改性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分離層親疏水性和微結(jié)構(gòu)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(jī) 無(wú)機(jī)復(fù)合膜微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)出 1~2 種新的混合導(dǎo)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(yīng)過(guò)程穩(wěn)定操作時(shí)間大于 1000 小時(shí)； 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(chǎng)中試平臺(tái)，裝置處理量 ≥5000NM3/d， 裝置設(shè)計(jì)壓力 ≥。在材料創(chuàng)制中，通過(guò)膜的形成機(jī)理和膜材料微結(jié)構(gòu)控制方法的研究，奠定膜材料開(kāi)發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的水 處理 膜、滲透汽化膜、氣體分離膜 和智能膜，提升我國(guó)膜材料的整體技術(shù)水平。 ? 智能化仿生離子通道膜的設(shè)計(jì)原理與制備方法研究：以生物細(xì)胞膜為原型、以仿生設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，從智能膜材料分子水平設(shè)計(jì)著手，構(gòu)建仿生智能膜材料設(shè)計(jì)與制備的新原理與新方法； 模仿泌氯細(xì)胞膜的工作機(jī)制，選擇對(duì)鈉離子有選擇性的苯并冠醚類(lèi)化合物，采用合適的聚合物基體微孔膜，構(gòu)建仿生離子通道膜，用含有特殊官能團(tuán)的有機(jī)物對(duì)聚合物基體膜的膜孔進(jìn)行接枝修飾提高對(duì)鈉離子的選擇性與通透性。 3） CO2 捕集與利用膜材料的設(shè) 計(jì)與制備研究 ? 抗 CO2塑化功能高分子膜設(shè)計(jì)與制備：通過(guò)引入含醚氧或堿性基團(tuán)等功能團(tuán)化學(xué)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(yùn)動(dòng)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(guān)系，揭示聚合物功能官能團(tuán)與滲透組分的相互作用規(guī)律及對(duì)膜的分離和透過(guò)性能的影響，通過(guò)研究CO2在不同結(jié)構(gòu)和形態(tài)的高分子鏈中的滲透行為，揭示功能團(tuán)交聯(lián)提高膜材料抗CO2塑化作用機(jī)理，從分子水平上的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變化及其對(duì)分離性能的影響，研究高分子膜材料空間結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、鏈結(jié)構(gòu)、取向和聚集態(tài)等微觀性質(zhì)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(jié)合分子模擬和密度泛函理論，獲得聚合物膜傳質(zhì)機(jī)理和膜材料設(shè)計(jì)模型。 ? 研究?jī)捎H性共聚物對(duì)成膜體系熱力學(xué)性質(zhì)和成膜動(dòng)力學(xué)行為的影響，通過(guò)成膜參數(shù)的優(yōu)化，調(diào)控兩親性共聚物的表面遷移過(guò)程，實(shí)現(xiàn)共混膜的多層次結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，特別是表層結(jié)構(gòu)的關(guān)系，用直接或間接的手段驗(yàn)證共混膜表層水凝膠薄層的存在，闡明共混膜結(jié)構(gòu)和性能的相互關(guān)系，揭示凝膠層形成機(jī)理和演變規(guī)律。通過(guò)研究 膜材料的微觀結(jié)構(gòu)、介觀聚集和宏觀形貌以及它們的動(dòng)態(tài)形成過(guò)程與膜綜合性能的關(guān)系，掌握針對(duì)膜分離過(guò)程及分離對(duì)象的膜材料分子設(shè)計(jì)及合成方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)高分子膜材料結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)與控制。 本項(xiàng)目將進(jìn)一步擴(kuò)大和深入已有的工作，研究過(guò)程集成條件下的膜及膜材料微結(jié)構(gòu)與環(huán)境作用規(guī)律，通過(guò)膜表面性質(zhì)與應(yīng)用體系的關(guān)系研究，揭示膜污染的形成機(jī)理，解決 相關(guān) 重大工程中的膜失效問(wèn)題，發(fā)展膜污染控制的新方法，實(shí)現(xiàn)膜的穩(wěn)定運(yùn)行；通過(guò)環(huán)境因素（如溫度、 pH、離子種類(lèi)等）與膜材料微結(jié)構(gòu)變化 關(guān)系 的 研究，利用膜微結(jié)構(gòu)演變產(chǎn)生的新功能開(kāi)發(fā)環(huán)境響應(yīng)型智能膜材料，實(shí)現(xiàn)環(huán)境對(duì)膜性能的主動(dòng)調(diào)控，以滿(mǎn)足特定分離體系對(duì)膜功能的特殊要求。 建立多組分、多層次結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)對(duì)高分子或智能膜材料微結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確控制。對(duì)高分子膜材料而言，膜材料的微觀結(jié)構(gòu)（分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)、基團(tuán)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(dòng)態(tài)形成過(guò)程與膜綜合性能的關(guān)系是要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，也是膜材料的精確設(shè)計(jì)與化學(xué)合成的理論基礎(chǔ)；對(duì)微孔膜而言，如何通過(guò)材料設(shè)計(jì)、制備方法改進(jìn)而提高其性能也是需要研究的科學(xué)問(wèn)題，特別是要建立極端環(huán)境（高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕）下高強(qiáng)度膜材料的設(shè)計(jì)方法；對(duì)智能膜而言，膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)與微觀物理結(jié)構(gòu)與其刺激響應(yīng)性功能之間的內(nèi)在關(guān)系，是智能膜設(shè)計(jì)與制備的關(guān)鍵。 項(xiàng)目名稱(chēng)： 面向應(yīng)用過(guò)程的膜材料設(shè)計(jì)與制備基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 徐南平 南京工業(yè)大學(xué) 起止年限： 至 依托部門(mén)： 江蘇省科技廳 1 一、研究?jī)?nèi)容 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及其內(nèi)涵 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 ：膜的功能與膜及膜材料微結(jié)構(gòu)的關(guān)系；膜及膜材料的微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與控制方法；應(yīng)用過(guò)程中的膜及膜材料微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。 本項(xiàng)目將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展 膜的功能與膜及膜材料微結(jié)構(gòu) 關(guān)系 的科學(xué)內(nèi)涵，將研究對(duì)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(guān)注微孔道、水通道、離子通道以及無(wú)機(jī)膜材料的傳遞理論研究。 本項(xiàng)目將在已有成果的基礎(chǔ)上，針對(duì) 水 處理 膜 、 滲透汽化膜、二氧化碳 處 2 理 膜和智能膜，開(kāi)展 膜及膜材料微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與控制方法的研究。在上期 973 項(xiàng)目中，針對(duì)陶瓷膜固液分離過(guò)程中 膜 通量隨時(shí)間下降的問(wèn)題，通過(guò)膜孔徑分布與分離體系的粒徑分布的匹配關(guān)系研究，解決了膜孔阻塞導(dǎo)致通量衰減的問(wèn)題，初步實(shí)現(xiàn)了陶瓷膜的應(yīng)用從工藝設(shè)計(jì)向膜 材料 微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。 3 ? 合成具有新型芳雜環(huán)功能高分子膜材料： 設(shè)計(jì)制備具有多組分、多層次結(jié)構(gòu)及多功能化的新型芳雜環(huán)特種高分子膜材料。通過(guò)采用界面聚合、自組裝方法 ， 研究制備條件對(duì)膜性能的影響 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)膜的厚度及表面形貌的有效調(diào)控。 ? 脫 SO2滲透汽化膜的設(shè)計(jì)與制備研究： 依據(jù)分離膜材料中關(guān)鍵基團(tuán)對(duì)膜分離性能所起作用分析，借助于基團(tuán)組裝分子理念，進(jìn)行脫硫等體系聚酰亞胺和硅橡膠類(lèi)膜材料設(shè)計(jì)。 ? 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膜的成膜規(guī)律及調(diào)控方法：研究高分子和無(wú)機(jī)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(duì)界面結(jié)構(gòu)形態(tài)、膜自由體積特性、膜孔徑等膜微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)以及親疏水性、溶脹特性等膜物理化學(xué)特 性進(jìn)行表征，揭示復(fù)合膜中的多尺度效應(yīng)；研究有機(jī)皮層的官能團(tuán)嫁接 對(duì)膜表面的親水、親有機(jī)物和膜穩(wěn)定性的調(diào)控規(guī)律，結(jié)合微孔膜的微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備出高性能的有機(jī) 無(wú)機(jī)復(fù)合膜。 4）新型特種膜材料及膜的設(shè)計(jì)與