973項(xiàng)目申報(bào)書——cb623400面向應(yīng)用過程的膜材料設(shè)計(jì)與制備基礎(chǔ)研究

1、項(xiàng)目名稱：面向應(yīng)用過程的膜材料設(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：2009.1至2013.8依托部門：江蘇省科技廳一、研究內(nèi)容1、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題及其內(nèi)涵擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題：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)用過程中的膜及膜材料微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。關(guān)鍵科學(xué)問題的內(nèi)涵：1）膜的功能與膜及膜材料微結(jié)構(gòu)的關(guān)系膜的分離功能與膜材料微結(jié)構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)是膜的傳遞機(jī)理與傳質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。在上期973項(xiàng)目中，針對陶瓷膜分離過程中膜滲透通量不穩(wěn)定的共性難題，提出面向應(yīng)用過程的陶瓷膜材料設(shè)計(jì)的構(gòu)思，通過化學(xué)工程學(xué)科的傳質(zhì)理論與材料學(xué)科的交叉融合，構(gòu)建了

2、與陶瓷膜結(jié)構(gòu)相關(guān)的傳質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，為面向應(yīng)用過程的陶瓷膜材料設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。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、離子通道以及無機(jī)膜材料的傳遞理論研究。對高分子膜材料而言，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)形成過程與膜綜合性能的關(guān)系是要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，也是膜材料的精確設(shè)計(jì)與化學(xué)合成的理論基礎(chǔ)；對微孔膜而言，如何通過材料設(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)問題，特別

3、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。2）膜及膜材料微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與控制方法核心內(nèi)容是建立膜及膜材料微結(jié)構(gòu)與制備過程的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)膜及膜材料的制備從以經(jīng)驗(yàn)為主向定量控制的轉(zhuǎn)變。在上期973項(xiàng)目中，采用化學(xué)工程的過濾理論，對多孔陶瓷膜成膜過程中的毛細(xì)吸漿機(jī)理與薄膜形成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，構(gòu)建了膜厚度與膜制備過程中控制參數(shù)的模型，實(shí)現(xiàn)了陶瓷膜制備過程中膜厚度精確控制的目標(biāo)，解決了陶瓷膜大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中缺陷控制的難題，陶瓷膜的成品率從38上升到90以上，質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)技

4、術(shù)水平。 本項(xiàng)目將在已有成果的基礎(chǔ)上，針對水處理膜、滲透汽化膜、二氧化碳處理膜和智能膜，開展膜及膜材料微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與控制方法的研究。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)對高分子或智能膜材料微結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確控制。重點(diǎn)開展凝膠化理論與膜表面微結(jié)構(gòu)控制、水熱合成理論與分子篩膜晶化控制、相界面理論與復(fù)合膜微結(jié)構(gòu)控制、燒結(jié)機(jī)理與致密膜微結(jié)構(gòu)控制等研究工作，不僅要對這些關(guān)鍵的成膜理論進(jìn)行創(chuàng)新研究，在理論上形成新的認(rèn)識，開發(fā)出新的膜及膜材料微結(jié)構(gòu)的控制技術(shù)，更重要的是通過相關(guān)理論的研究，建立膜及膜材料微結(jié)構(gòu)與膜制備過程控制參數(shù)的定量關(guān)系，奠定規(guī)模化制備的理論基礎(chǔ)。

5、3）應(yīng)用過程中的膜及膜材料微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律膜在應(yīng)用過程中的微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律研究的實(shí)質(zhì)是膜及膜材料與環(huán)境之間的相互作用規(guī)律。在上期973項(xiàng)目中，針對陶瓷膜固液分離過程中膜通量隨時(shí)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(guān)系研究，解決了膜孔阻塞導(dǎo)致通量衰減的問題，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。本項(xiàng)目將進(jìn)一步擴(kuò)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(jié)構(gòu)與環(huán)境作用規(guī)律，通過膜表面性質(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；通過環(huán)境因素（如溫度、ph、離子種類等）與膜材料微

6、結(jié)構(gòu)變化關(guān)系的研究，利用膜微結(jié)構(gòu)演變產(chǎn)生的新功能開發(fā)環(huán)境響應(yīng)型智能膜材料，實(shí)現(xiàn)環(huán)境對膜性能的主動(dòng)調(diào)控，以滿足特定分離體系對膜功能的特殊要求。2、主要研究內(nèi)容1）新型超濾、納濾、反滲透膜的設(shè)計(jì)與制備研究l 探索具有水通道或離子通道的納濾和反滲透膜傳遞機(jī)理：將離子通道和水通道的傳遞理論應(yīng)用于納濾和反滲透膜。以分子動(dòng)力學(xué)模擬為手段，研究水和離子通道高效選擇性分離的機(jī)理，探索聚合物膜中水和離子的傳遞機(jī)理，研究仿生水和離子通道膜在海水淡化脫鹽過程中的分離機(jī)制，揭示水和離子通道膜結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系，為新型納濾、反滲透膜的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。l 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

7、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)形成過程與膜綜合性能的關(guān)系，掌握針對膜分離過程及分離對象的膜材料分子設(shè)計(jì)及合成方法，實(shí)現(xiàn)對高分子膜材料結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)與控制。l 研究高分子復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)調(diào)控與制備方法：研究孔徑呈梯度分布的新型支撐膜的制備條件、界面性質(zhì)與膜分離性能的關(guān)系。通過引入無機(jī)納米粒子提高膜的水通量及抗微生物污染性能, 揭示無機(jī)納米粒子的增強(qiáng)作用及促進(jìn)溶質(zhì)傳輸作用的機(jī)理。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(shí)現(xiàn)對膜的厚度及表面形貌的有效調(diào)控。l 研究兩親性共聚物對成膜體系熱力學(xué)性質(zhì)和成膜動(dòng)力學(xué)行

8、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(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。l 建立集成膜法系統(tǒng)深度凈化處理技術(shù)評價(jià)平臺：通過濃差電位法、流動(dòng)電位法及膜阻抗法等測定荷電膜的電性質(zhì)隨水中離子種類、濃度及總量的變化規(guī)律，通過介電馳豫法研究膜面流動(dòng)邊界層中濃差極化現(xiàn)象，基于改進(jìn)的固定電荷模型及靜電位阻模型考察膜結(jié)構(gòu)（孔形貌及其分布）及其帶電性質(zhì)對膜分離性

9、能的影響，基于原位顯微紅外、原子力顯微技術(shù)考察膜表面性質(zhì)隨水溶液性質(zhì)的變化規(guī)律及其對膜分離性能的影響，為膜法深度凈化處理技術(shù)的廣泛推廣提供技術(shù)保障。2）滲透汽化膜的設(shè)計(jì)與制備研究l 微孔膜傳質(zhì)機(jī)理研究：采用分子模擬和滲透理論，深入研究微孔膜的傳質(zhì)機(jī)理，應(yīng)用分子模擬技術(shù)對微孔受限體系中的分子吸附和擴(kuò)散行為進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示環(huán)境參數(shù)（溫度和壓力）、孔道尺寸和表面性質(zhì)與分子傳質(zhì)之間的關(guān)系，預(yù)測分子在微孔道中的吸附參數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)合普遍化maxwell-stefan膜滲透模型，研究多元體系下膜分離性能與膜表面微結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關(guān)系，建立面向應(yīng)用體系的滲透汽化膜材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。l 脫so2滲透汽化膜

10、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膜材料設(shè)計(jì)。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。l 分子篩膜的微結(jié)構(gòu)調(diào)控方法：研究分子篩膜的成膜機(jī)理，揭示原位晶化法和晶種法的膜結(jié)構(gòu)形成規(guī)律，探討膜缺陷的形成機(jī)制，建立超薄、無缺陷分子篩膜的可控制備方法。研究化學(xué)氣相沉積技術(shù)調(diào)變分子篩膜微孔道微結(jié)構(gòu)的方

11、法，揭示沉積過程中膜微結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化規(guī)律；利用自組裝方法對分子篩膜表面進(jìn)行親水、親有機(jī)物基團(tuán)的嫁接，研究表面基質(zhì)的固有性質(zhì)、表面基團(tuán)的化學(xué)作用、表面納米物理結(jié)構(gòu)三者之間的作用規(guī)律，及其對表面性質(zhì)的影響。l 有機(jī)無機(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)-無機(jī)復(fù)合膜。3）co2捕集與利用膜材料的設(shè)計(jì)與

12、制備研究l 抗co2塑化功能高分子膜設(shè)計(jì)與制備：通過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)律及對膜的分離和透過性能的影響，通過研究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。l co2分解膜反應(yīng)中的氧傳輸機(jī)理和膜反應(yīng)機(jī)理研究：將化學(xué)工程傳遞理論與電化學(xué)相關(guān)理論相結(jié)合，不僅從材料角度考慮膜的主體擴(kuò)散或表面交換反應(yīng)，而且從化學(xué)工程的角度考慮反應(yīng)過程

13、中氣固相傳遞阻力以及反應(yīng)過程對氧傳輸?shù)挠绊?；運(yùn)用密度泛函理論、第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)等手段，研究氧在膜表面和體相的氧傳遞過程，借助于co2吸附脫附質(zhì)譜聯(lián)用、xps能譜等表面表征儀器，結(jié)合膜反應(yīng)的氧滲透和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究co2在膜表面的分解機(jī)理，在理論上揭示混合導(dǎo)體膜氧傳輸與膜微結(jié)構(gòu)及操作條件和環(huán)境氣氛的關(guān)系、膜反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的受控因素，為co2分解膜反應(yīng)過程設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。l co2分解膜材料及膜微結(jié)構(gòu)控制方法研究：從相組成的角度出發(fā)，開發(fā)具有協(xié)同效應(yīng)的多相混合導(dǎo)體氧化物；基于膜兩側(cè)不同的反應(yīng)氣氛，設(shè)計(jì)具有組成梯度或具有梯度孔結(jié)構(gòu)的混合導(dǎo)體膜；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

14、材料制備方法關(guān)系，揭示制備控制參數(shù)對膜微結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律, 提高膜的滲透性能和穩(wěn)定性。4）新型特種膜材料及膜的設(shè)計(jì)與制備研究l tial合金膜設(shè)計(jì)及制備研究：采用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算并結(jié)合動(dòng)態(tài)取樣分析方法，模擬反應(yīng)合成過程中元素的擴(kuò)散行為，建立tial間元素反應(yīng)合成的偏擴(kuò)散方程相關(guān)的造孔模型，研究tial合金膜中孔徑的形成機(jī)理及控制理論，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，構(gòu)建tial合金膜的微結(jié)構(gòu)（厚度、孔隙率、孔徑分布等）與制備工藝參數(shù)之間的定量關(guān)系，為該類膜材料微結(jié)構(gòu)的控制奠定基礎(chǔ)。l 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)

15、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(gòu)建仿生離子通道膜，用含有特殊官能團(tuán)的有機(jī)物對聚合物基體膜的膜孔進(jìn)行接枝修飾提高對鈉離子的選擇性與通透性。l 研究環(huán)境響應(yīng)型智能膜的設(shè)計(jì)原理與制備方法：以溫度響應(yīng)膜、ph響應(yīng)膜以及分子或離子識別膜為對象，建立智能膜材料設(shè)計(jì)及其微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控的原理和方法，以溫敏性高分子聚n-異丙基丙烯酰胺及其共聚物體系和ph敏感性高分子聚丙烯酸及其共聚物體系為主要智能材料，部分結(jié)合冠醚和環(huán)糊精等超分子化學(xué)中分子識別體系下的重要主體分子，將具有環(huán)境刺激響應(yīng)性或分子識別特性的智能材

16、料以化學(xué)鍵合微球或化學(xué)接枝鏈的狀態(tài)構(gòu)建于多孔膜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)或分子識別調(diào)控型智能膜過程。l 研究環(huán)境響應(yīng)型智能膜過程機(jī)理及其性能可控性規(guī)律：探索膜孔內(nèi)表面具備溫敏性超親水/超疏水可逆轉(zhuǎn)換功能的智能親和分離膜材料，系統(tǒng)建立智能膜孔內(nèi)表面微結(jié)構(gòu)與溫敏性超親水/超疏水可逆轉(zhuǎn)換特性及其分離性能之間關(guān)系、ph或溫度響應(yīng)性智能微囊膜的微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)與微觀物理結(jié)構(gòu)與其膨脹-收縮特性的構(gòu)效關(guān)系，深入揭示智能膜過程機(jī)理，重點(diǎn)研究膜環(huán)境改變對膜功能的影響規(guī)律，為新型環(huán)境響應(yīng)型智能膜材料的設(shè)計(jì)與制備奠定理論基礎(chǔ)。二、預(yù)期目標(biāo)1、總體目標(biāo)在理論研究中，通過膜的性能與膜及膜材料微結(jié)構(gòu)關(guān)系、膜及膜材料微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與控制

17、方法以及膜應(yīng)用過程中膜及膜材料微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的創(chuàng)新研究，深入揭示膜及膜材料微結(jié)構(gòu)與膜的功能性質(zhì)和制備過程的關(guān)系，豐富面向應(yīng)用過程的膜材料設(shè)計(jì)與制備的理論基礎(chǔ)，形成我國膜及膜材料設(shè)計(jì)與制備的技術(shù)平臺，在膜領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究方面取得新的突破。在材料創(chuàng)制中，通過膜的形成機(jī)理和膜材料微結(jié)構(gòu)控制方法的研究，奠定膜材料開發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(shù)水平。在應(yīng)用研究中，通過膜過程設(shè)計(jì)理論的研究和過程集成方法的研究，提升我國膜技術(shù)的應(yīng)用水平，奠定水處理、滲透汽化過程、反應(yīng)膜分離耦合等領(lǐng)域工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。2、五年預(yù)期目標(biāo)1)

18、 建立微孔膜和致密膜的傳質(zhì)過程結(jié)構(gòu)模型，形成膜材料和膜孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備的技術(shù)平臺；2) 在水處理膜方面：研制出3-5種反滲透、納濾和正滲透膜，其中，高通量低壓膜，膜通量：1.6-1.8m3/m2d，脫鹽率：99.5%（鹽濃度：2000mg/l, 操作壓力：1.5mpa）；脫硝納濾膜選擇分離性能(溶質(zhì)濃度500mg/l，1.0mpa，25)：nacl截留率80-90%，na2so4截留率98%，水通量50l/m2h；有機(jī)物脫除納濾膜選擇分離性能(溶質(zhì)濃度500mg/l，1.0mpa，25)：nacl截留率20-30%，cod脫除率90%，水通量50l/m2h；正滲透膜，分離性能：nacl截留率9

19、5.0%，水通量15-20l/m2h。超濾膜：水通量大于1000 l/m2h0.1mpa，bsa截留率大于90%。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）1.5kg/m2h、分離系數(shù)12；滲透通量（液化氣） 100l(stp)/m2h.bar，分離系數(shù)12.4) 在co2處理膜方面：開發(fā)出12種新的混合導(dǎo)體透氧膜材料，膜的透氧滲透性大于1.0cm3(stp)/cm2min

20、(850)，在二氧化碳分解膜反應(yīng)過程穩(wěn)定操作時(shí)間大于1000小時(shí)；制備35種抗塑化高性能分離膜材料：co2滲透系數(shù)410-9cm3(stp)/cm2.s.cmhg，氣體選擇性 co2/n250，co2/h25；建立co2膜分離現(xiàn)場中試平臺，裝置處理量5000nm3/d，裝置設(shè)計(jì)壓力4.0mpa。5）在特種分離膜方面：開發(fā)出新一代的tial合金分離膜；建立溫度響應(yīng)膜、ph響應(yīng)膜、分子或離子識別膜以及仿生離子通道膜等具有環(huán)境響應(yīng)調(diào)控功能的新型智能化膜材料設(shè)計(jì)與制備方法，制備出高性能環(huán)境響應(yīng)型親和分離膜（溫度響應(yīng)性脫吸率95%）以及環(huán)境響應(yīng)型控制釋放膜（智能開關(guān)膜的智能開關(guān)對環(huán)境刺激的響應(yīng)時(shí)間5.0

21、；智能微囊膜的非需求性擴(kuò)散滲漏率98%）。通過5年研究，出版專著12部，申請專利6070件，發(fā)表sci收錄論文300篇以上，培養(yǎng)一批膜領(lǐng)域的中青年帶頭人，培養(yǎng)博士、碩士研究生200名以上，若干重要的新理論、新方法和新型膜材料在國家重大需求領(lǐng)域獲得應(yīng)用。三、研究方案1、學(xué)術(shù)思路圍繞重大需求，以科學(xué)問題的揭示和關(guān)鍵技術(shù)突破為目標(biāo)，凝聚我國高分子物理化學(xué)、材料科學(xué)與工程、化學(xué)工程等領(lǐng)域的優(yōu)勢單位和研究人員，組建高水平的研發(fā)團(tuán)體；以基礎(chǔ)理論研究為引導(dǎo)，通過分子模擬、密度泛涵、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段的有機(jī)結(jié)合，對膜的功能與結(jié)構(gòu)關(guān)系等關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)一步凝煉和深入研究，夯實(shí)面向應(yīng)用過程的膜材料設(shè)計(jì)與制備的理論基礎(chǔ)；面

22、向國家的戰(zhàn)略需求，重點(diǎn)突破水處理膜、滲透汽化膜、氣體分離膜和新型特種分離膜的設(shè)計(jì)與制備的關(guān)鍵問題，提升膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)；通過環(huán)境對膜功能影響的綜合研究，奠定面向應(yīng)用的膜過程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，將膜過程的設(shè)計(jì)從工藝設(shè)計(jì)推進(jìn)到材料微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，發(fā)展若干具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重大集成應(yīng)用技術(shù)?？傮w思路如圖1 所示。圖1 項(xiàng)目總體研究思路2、技術(shù)途徑水處理膜研究：重點(diǎn)開展超濾、納濾和反滲透膜材料創(chuàng)制及膜微結(jié)構(gòu)調(diào)控的研究。在膜材料創(chuàng)制方面，通過單體的設(shè)計(jì)、聚合體系及聚合方法的研究實(shí)現(xiàn)分子鏈結(jié)構(gòu)的調(diào)控，基于芳香四酰氯、芳香三胺、間苯二胺開發(fā)新型芳雜環(huán)功能高分子膜材料；通過分子鏈結(jié)構(gòu)和形態(tài)設(shè)計(jì)以及成膜方法等調(diào)控聚集態(tài)

23、結(jié)構(gòu)，采用相轉(zhuǎn)化成膜方法或tips法、水通道和離子通道仿生手段、界面聚合等技術(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)反滲透、納濾和超濾膜的表面結(jié)構(gòu)和性能，提高復(fù)合膜的耐污染、耐有機(jī)溶劑、抗氧化性能和脫鹽、脫有機(jī)物性能，形成系列新型超濾、納濾和反滲透復(fù)合膜材料。 滲透汽化膜研究：重點(diǎn)開展?jié)B透汽化脫硫、脫水和透醇膜的研究。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)/

24、無機(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。在荷點(diǎn)雜化滲透汽化膜材料方面，利用有機(jī)-無機(jī)雜化并結(jié)合酸-堿聚合物膜的思路，通過多層次設(shè)計(jì)得到滲透汽化荷電雜化膜，從微尺度角度出發(fā)，對荷電雜化膜制備過程及其物化結(jié)構(gòu)、分離性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為滲透汽化特種雜化膜材料的設(shè)計(jì)與制備奠定理論基礎(chǔ)。co2處理膜研究：重點(diǎn)開展抗co2塑化功能高分子分離膜和co2 分解膜研究。采用分子設(shè)計(jì)手段，根據(jù)基團(tuán)貢獻(xiàn)法設(shè)計(jì)合成高性能的聚酰亞胺材料，引入聚酰亞胺二酐或二胺單體到聚酰亞胺分子鏈中，增加滲透組分在膜內(nèi)溶解能力，促進(jìn)分子在膜內(nèi)傳遞速率。在co2分解膜方面，采用原位表征技術(shù)，研究

25、混合導(dǎo)體膜在反應(yīng)過程中的失效機(jī)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(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。特種分離膜研究：重點(diǎn)開展tial合金膜和智能膜的研究。在tial合金膜方面，采用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算并結(jié)合動(dòng)態(tài)取樣分析方法，建立tial間元素相平衡，采用偏擴(kuò)散造孔和金屬濺射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)tial合金膜的微結(jié)構(gòu)控制；在智能膜方面，以溫敏性高分子聚n-異丙基丙烯酰胺及其共聚物體系和ph敏感性高分子聚丙烯酸及其共聚物體系為主要智能材料，部分結(jié)合冠醚和環(huán)糊精等超分子化學(xué)中分子識別體系下的主

26、體分子，以化學(xué)鍵合微球或化學(xué)接枝鏈的狀態(tài)構(gòu)建于多孔膜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)智能膜材料調(diào)控與制備。3、取得重大突破的可行性分析（1）前期工作的深厚積累為本項(xiàng)目關(guān)鍵科學(xué)問題的突破奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！笆濉币詠碇饕袚?dān)了1項(xiàng)973項(xiàng)目、8項(xiàng)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和3項(xiàng)國家杰出青年基金項(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。這些前期的研究工作，為本項(xiàng)目科學(xué)問題的解決和關(guān)鍵膜材料制備技術(shù)的突破奠定了良好的基

27、礎(chǔ)。（2）高水平的實(shí)驗(yàn)基地和先進(jìn)的研究手段為本項(xiàng)目的研究提供了必要的物質(zhì)保證。本項(xiàng)目包含了材料和化工領(lǐng)域的“材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“高分子物理與化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“化學(xué)工程（聚合反應(yīng)工程）國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”3個(gè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。這些實(shí)驗(yàn)室的大型儀器設(shè)備在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，相當(dāng)部分達(dá)到國際水平，可為本項(xiàng)目的研究提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段。隨著國家對實(shí)驗(yàn)室投入力度的加大，必將對項(xiàng)目的研究提供更為有力的保證。（3）優(yōu)秀的人才隊(duì)伍是本項(xiàng)目順利開展的決定性因素。本項(xiàng)目凝聚了一批優(yōu)秀的科技人才，其中包括院士2人，國家杰出青年基金獲得者2名，德國洪堡基金獲得者2人，主要學(xué)術(shù)骨干均是近年來在學(xué)術(shù)界非?；钴S的中

28、青年學(xué)者和回國學(xué)者。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。本項(xiàng)目研究隊(duì)伍結(jié)構(gòu)合理、優(yōu)勢互補(bǔ)、具有較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)合作能力，具備承擔(dān)國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的能力。4、創(chuàng)新與特色本項(xiàng)目的創(chuàng)新與特色體現(xiàn)在以下方面：（1） 建立水通道和離子通道的膜分離傳遞機(jī)理，開發(fā)高通量反滲透新型膜材料和新型納濾膜；（2） 開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的芳香四酰氯、芳香三胺、間苯二胺納濾、反滲透膜材料，制備出高通量的海水淡化膜；（3） 建立功能單體結(jié)構(gòu)與超薄聚合層的性能的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)特殊功能取代基團(tuán)的位置控制、功能基團(tuán)的保護(hù)和解保護(hù)，指導(dǎo)新功能單體的開發(fā)；（4） 提出從仿生的角度構(gòu)筑低能耗、高通量的新型智能型膜材料,使膜技

29、術(shù)的發(fā)展從單機(jī)能向系統(tǒng)化方向發(fā)展，形成交叉學(xué)科的新研究方向；（5） 開發(fā)單原子或單分子分子篩孔內(nèi)裝填技術(shù)，建立分子篩膜微結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法，制備出高性能的分子篩膜；（6） 研制出用于脫硫的有機(jī)無機(jī)雜化膜新材料；（7） 開發(fā)具有“協(xié)同效應(yīng)”的多相混合導(dǎo)體氧化物材料及具有組成梯度或梯度孔結(jié)構(gòu)的混合導(dǎo)體膜，提高膜的滲透性能和穩(wěn)定性；（8） 開發(fā)高滲透性能兼具抗co2塑化的新型復(fù)合膜；（9） 開發(fā)具有不對稱微結(jié)構(gòu)的tial合金膜；（10） 設(shè)計(jì)制備具有環(huán)境刺激響應(yīng)特性和分子識別特性的智能膜。5、課題設(shè)置課題01、新型芳雜環(huán)功能高分子膜材料的分子設(shè)計(jì)與合成主要研究內(nèi)容：芳雜環(huán)高分子化合物，代表著一類重要的高

30、分子分離膜材料，由于它們固有的耐溫，耐氧化性，及較強(qiáng)的機(jī)械性能，是迄今為止最重要的兩類高分子膜材料之一。根據(jù)現(xiàn)今對膜分離理論的認(rèn)識，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。1)多組分高分子膜材料的設(shè)計(jì)與制備：研究建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于聯(lián)苯四酰氯的芳香聚酰胺膜材料體系。通過四酰氯與二酰氯或三酰氯混合組分與芳香胺或多聚芳胺的共聚合，調(diào)控聚合物的基團(tuán)分布；通過在單體

31、中引入-ch2-，-co-等橋聯(lián)基團(tuán)，及借助共聚合方法(引入棒狀齊聚物、超支化結(jié)構(gòu)單元)，調(diào)控聚合物的自由體積及鏈的剛?cè)嵝浴?)多功能化高分子膜材料的設(shè)計(jì)與制備：設(shè)計(jì)合成含胺基等官能團(tuán)的酚酞型高分子材料，通過表面取代、接枝聚合、縮合等反應(yīng),制備新型的納濾膜。提高納濾膜的耐氯氧化及抗污染性能。而且為本項(xiàng)目其他課題中的反滲透復(fù)合膜及納濾膜、滲透汽化及氣體分離膜基礎(chǔ)研究提供合適的膜材料。目標(biāo)：建立基于芳香四酰氯、芳香三胺、間苯二胺的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的膜材料體系；獲得高通量低壓膜和高壓海水淡化膜，其中高通量低壓膜的通量達(dá)到：1.6-1.8m3/m2d，脫鹽率：99.5%（鹽濃度：2000mg/l, 操

32、作壓力：1.5mpa）；制備出耐氯氧化納濾膜，耐氯氧化等級：5000ppmh，分離性能（通量、選擇性）達(dá)到或超過同期國外商品化水平。承擔(dān)單位： 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人： 張所波經(jīng)費(fèi)比例：11.7課題02、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內(nèi)容：開展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。ro膜和nf膜：開展1）高脫鹽率和高通量復(fù)合膜，2）納米顆粒（反應(yīng)型）填充復(fù)合膜，3）碳納米管（反應(yīng)型）填充復(fù)合膜，4）系列孔密度梯度支撐膜的制備等研究。以提高復(fù)合膜脫鹽率和水通量為目的，在深入探索聚合

33、物膜中水和離子傳遞機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過篩選功能單體或功能粒子，在復(fù)合皮層材料中引入不同功能基團(tuán)、填充反應(yīng)型納米顆?；蛱技{米管等研究，以提高膜分離選擇性和水通量，同時(shí)提高耐污染、抗氧化的性能。fo膜：開展1）cta/ca膜，2）復(fù)合膜（含納米顆粒），3）復(fù)合中空纖維膜，4）cta不對稱中空纖維膜等研究。結(jié)合水通道和水滲透機(jī)理的研究，對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。有機(jī)物高截留率復(fù)合膜：以提高復(fù)合膜對有機(jī)物的截留率和水通量為目的，研究醇、酸、酮、醛等在膜中的傳遞機(jī)

34、理，通過功能單體的設(shè)計(jì)，在聚合理論指導(dǎo)下，制備出對醇、酸、酮、醛等小分子有高截留率的有機(jī)復(fù)合膜，并在節(jié)能、減排與資源回收膜過程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。高性能uf膜：以制備高通量、高截留率uf膜為目標(biāo)，開展兩親性共聚物對成膜體系熱力學(xué)性質(zhì)和成膜動(dòng)力學(xué)行為的影響研究，通過成膜過程的控制，調(diào)控兩親性共聚物的表面遷移過程，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，并建立一種普適的聚合物膜改性和結(jié)構(gòu)控制的理論和方法。目標(biāo)：研制出新型海水淡化、低操作壓力、高截留率的ro復(fù)合膜23種，納濾膜23種，正滲透膜12種，并制備出具有孔徑密度梯度分布結(jié)構(gòu)的系列支撐膜34種。各類膜的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國

35、際同類膜的先進(jìn)水平。脫硝納濾膜選擇分離性能(溶質(zhì)濃度500mg/l，1.0mpa，25)：nacl截留率80-90%，na2so4截留率98%，水通量50l/(m2h)；有機(jī)物脫除納濾膜選擇分離性能(溶質(zhì)濃度500mg/l，1.0mpa，25)：nacl截留率20-30%，cod脫除率90%，水通量50l/(m2h)；正滲透膜的分離性能：nacl截留率95.0%，水通量15-20l/(m2h)。超濾膜：水通量大于1000 l/m2h0.1mpa，bsa截留率大于90%。承擔(dān)單位： 杭州水處理技術(shù)研究開發(fā)中心、浙江大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 高從堦經(jīng)費(fèi)比例：18.7課題03、微孔膜的傳質(zhì)機(jī)理與膜材料結(jié)構(gòu)設(shè)

36、計(jì)的研究主要研究內(nèi)容：根據(jù)分子篩膜的微結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建微孔道原子模型，采用分子模擬技術(shù)對微孔受限體系中的分子吸附和擴(kuò)散行為進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示物理參數(shù)、孔道尺寸和表面性質(zhì)與分子傳質(zhì)之間的關(guān)系，預(yù)測分子在微孔道中的吸附參數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)合maxwell-stefan膜滲透模型，研究多元體系中膜分離性能與膜表面性質(zhì)之間的關(guān)系，根據(jù)應(yīng)用體系對分子篩膜進(jìn)行微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；研究分子篩膜的成膜機(jī)理和缺陷的形成機(jī)制，建立超薄、無缺陷微孔膜的可控方法；研究化學(xué)氣相沉積和自組裝方法調(diào)變分子篩膜微結(jié)構(gòu)，揭示調(diào)變過程中膜微結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化規(guī)律，建立可調(diào)參數(shù)與微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之間的定量關(guān)系。研究有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜的成膜熱力學(xué)和

37、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)-無機(jī)材料之間的匹配關(guān)系；研究有機(jī)皮層包埋納米無機(jī)材料的膜改性方法，建立納米無機(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，通過無機(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)-無機(jī)復(fù)合膜的制備。作為特例，研究生物質(zhì)發(fā)酵制乙醇的反應(yīng)-膜分離集成工藝，揭示發(fā)酵反應(yīng)與透醇膜功能的匹配關(guān)系，以及透水膜、透醇膜在燃料乙醇生產(chǎn)過程中的微

38、結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。目標(biāo)：建立面向滲透汽化分離體系的分子篩膜和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；建立分子篩膜的微結(jié)構(gòu)調(diào)變方法，制備出適合工業(yè)應(yīng)用的高通量透水分子篩膜材料(通量3kg/m2h)；建立有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)調(diào)變方法，制備出高性能透醇分離膜材料（通量3kg/m2h，乙醇/水分離系數(shù)15）；開發(fā)出膜法燃料乙醇生產(chǎn)新工藝，為燃料乙醇的傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)改造奠定基礎(chǔ)。承擔(dān)單位： 南京工業(yè)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 徐南平、顧學(xué)紅經(jīng)費(fèi)比例： 20.7課題04、滲透汽化膜材料設(shè)計(jì)與制備基礎(chǔ)研究主要研究內(nèi)容：依據(jù)汽油、液化氣脫硫等體系中分離組分的物理和化學(xué)性質(zhì)，以及分離膜材料中關(guān)鍵基團(tuán)對膜分離性能所起作用分析，借助于

39、基團(tuán)組裝分子理念，進(jìn)行汽油、液化氣脫硫等體系聚酰亞胺和硅橡膠類膜材料初步設(shè)計(jì)。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。采用自行設(shè)計(jì)的成膜過程在線可視化裝置在線研究成膜過程動(dòng)力學(xué)，準(zhǔn)確觀測膜的形成過程，了解凝膠過程中膜斷面增長速度與時(shí)間的關(guān)系。研究分離物小分子在聚合物膜材料中密度分布、溶解擴(kuò)散行為以及分離物與聚合物膜材料基團(tuán)間的相互作用，結(jié)合分子模擬和密度泛函理論，得到聚合物膜傳質(zhì)機(jī)理和膜材料設(shè)計(jì)模型。研究溶劑種類及組成、助劑種

40、類及組成、催化促進(jìn)劑種類及組成、凝膠溫度和速度等因素對膜材料結(jié)構(gòu)和膜分離性能的影響，研究交聯(lián)劑種類、組成等因素對膜材料結(jié)構(gòu)和膜分離性能的影響，找出膜材料結(jié)構(gòu)變化和膜宏觀分離性能變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，得到膜材料結(jié)構(gòu)調(diào)控和膜分離性能調(diào)控技術(shù)。利用有機(jī)-無機(jī)雜化并結(jié)合酸-堿聚合物膜的思路，通過多層次設(shè)計(jì)得到滲透汽化荷電雜化膜。將選用或合成無機(jī)和有機(jī)組分有強(qiáng)共價(jià)鍵相聯(lián)的酸性和堿性前驅(qū)體，單獨(dú)或混合進(jìn)行溶膠-凝膠反應(yīng)，或者利用有機(jī)單體作為溶劑溶解酸性/堿性聚合物，然后與含雙鍵的烷氧基硅烷共聚，再進(jìn)行溶膠-凝膠反應(yīng)和功能基化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)分子內(nèi)雜化；或在酸性/堿性高分子基質(zhì)內(nèi)進(jìn)行無機(jī)組分的原位生成，實(shí)現(xiàn)分子間雜

41、化。利用nmr等測試手段跟蹤前驅(qū)體溶膠-凝膠反應(yīng)，利用正電子湮滅壽命譜儀來表征荷電雜化膜的自由體積特性，以溶解擴(kuò)散模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建荷電雜化膜分離過程中的離子或分子傳遞方程，建立實(shí)驗(yàn)結(jié)果和膜特性參數(shù)之間的定量關(guān)系，從微尺度角度出發(fā)，對荷電雜化膜制備過程及其物化結(jié)構(gòu)、分離性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為滲透汽化特種雜化膜材料的設(shè)計(jì)與制備奠定理論基礎(chǔ)。目標(biāo)：建立滲透汽化傳質(zhì)機(jī)理和膜材料設(shè)計(jì)模型；獲得聚酰亞胺、荷電雜化聚合物和硅橡膠類滲透氣化膜材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控和膜性能調(diào)控技術(shù)，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）1.5kg/m2h、分離系數(shù)12；滲透通量（液化氣） 100l(stp)/m2

42、h.bar，分離系數(shù)12，該指標(biāo)高于國際先進(jìn)水平。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：18.5課題05、抗co2塑化功能高分子膜設(shè)計(jì)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(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)律及對膜的分離和透過性能的影響，通過研究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。研究高分子膜材料與溶劑的相互作用對微孔形態(tài)的影響，

43、通過界面交聯(lián)不可自由活動(dòng)季胺鹽基團(tuán)和可自由活動(dòng)的醚氧基團(tuán)制備分離膜材料，研究探討促進(jìn)傳遞膜過程中功能官能團(tuán)與滲透組分作用模式。調(diào)控功能官能團(tuán)含量和分布，研究聚合物官能團(tuán)結(jié)構(gòu)與含量與滲透組分耦合效應(yīng)；考察共聚物膜的透氣性能以及醚氧基團(tuán)的peg含量對膜透氣性能的影響，研究長鏈peg的加入形成空間阻礙效應(yīng)、短鏈的peg單體對膜整體滲透分離性能的影響，探討優(yōu)化膜內(nèi)載體分布、調(diào)節(jié)和控制促進(jìn)傳遞膜結(jié)構(gòu)的方法，尋找制備兼具高分離性能和抗co2塑化的非對稱結(jié)構(gòu)膜或復(fù)合膜的新方法，進(jìn)而依據(jù)實(shí)際分離體系需要，對分離膜的活性層分離性能進(jìn)行調(diào)控，優(yōu)化成膜工藝，研究與功能團(tuán)交聯(lián)膜材料特性相適應(yīng)的便于工業(yè)化的分離膜制備技

44、術(shù)。通過自組裝手段調(diào)控納米炭膜孔結(jié)構(gòu)的方法，研究抗co2塑化并具有表面擴(kuò)散或篩分功能有序介孔炭-聚合物雜化膜?？疾炜蓾B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)，開發(fā)復(fù)雜組成氣體膜分離過程數(shù)學(xué)模擬軟件，結(jié)合化工計(jì)算軟件（hysys、pro、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，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)開發(fā)平臺。目標(biāo)：揭示出膜材料單體結(jié)構(gòu)對co2氣體滲透性能的作用規(guī)律，建立抗co2塑化兼具高滲透性能的新型非對稱結(jié)構(gòu)膜或復(fù)合膜制

45、備新工藝；建立結(jié)合化工計(jì)算軟件的膜分離過程工藝開發(fā)與優(yōu)化計(jì)算軟件，形成膜技術(shù)基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用相結(jié)合的研究平臺；制備35種抗塑化高性能分離膜材料：co2滲透系數(shù)4010-10cm3 (stp) .cm /cm2.s.cmhg，氣體選擇性 co2/n250，co2/h25；完成co2膜分離現(xiàn)場中試平臺，裝置處理量:5000nm3/d,裝置設(shè)計(jì)壓力：4.0mpa。承擔(dān)單位：中科院大連化學(xué)物理研究所課題負(fù)責(zé)人：曹義鳴經(jīng)費(fèi)比例：9.1課題06、基于膜反應(yīng)過程的膜材料設(shè)計(jì)與制備研究主要研究內(nèi)容：重點(diǎn)開展二氧化碳有效利用和超細(xì)催化劑分離的膜材料研究：膜反應(yīng)過程中的膜材料及膜微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律研究：研究在還

46、原氣氛以及在膜反應(yīng)條件下膜微結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，運(yùn)用先進(jìn)的表征技術(shù)，如掃描電子顯微鏡和高分辨率透射電子顯微鏡、中子散射儀、核磁共振和高級光源來描述膜微結(jié)構(gòu)演變現(xiàn)象，揭示膜微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及膜穩(wěn)定機(jī)理。膜材料及膜微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與控制方法的研究：從相組成的角度出發(fā)，開發(fā)具有“協(xié)同效應(yīng)”的多相混合導(dǎo)體氧化物；基于膜兩側(cè)不同的反應(yīng)氣氛，設(shè)計(jì)具有組成梯度膜或具有梯度孔結(jié)構(gòu)的混合導(dǎo)體膜；通過偏擴(kuò)散原理，設(shè)計(jì)制備ti-al合金膜。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)對膜的微結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律, 提高膜的滲透性能和穩(wěn)定性。膜反應(yīng)過程中的混合導(dǎo)

47、體膜氧傳輸機(jī)理和膜反應(yīng)機(jī)理的研究：將化學(xué)工程傳遞理論與材料科學(xué)中電化學(xué)相關(guān)理論相結(jié)合，運(yùn)用密度泛函理論、第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)等手段，研究氧在膜表面和體相的傳遞過程，結(jié)合co2膜反應(yīng)的氧滲透和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助于co2吸附脫附質(zhì)譜聯(lián)用、x射線光電子能譜等表面表征儀器，研究co2在膜表面的分解機(jī)理，在理論上揭示混合導(dǎo)體膜氧傳輸與膜微結(jié)構(gòu)、操作條件、環(huán)境氣氛的關(guān)系，以及膜反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的受控因素，指導(dǎo)膜反應(yīng)過程的設(shè)計(jì)。反應(yīng)過程與膜分離過程匹配理論的研究：以超細(xì)ts-1分子篩上苯酚羥基化反應(yīng)為研究對象，以面向顆粒體系的膜結(jié)構(gòu)功能關(guān)系模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化分離回收ts-1分子篩催化劑的膜微結(jié)構(gòu)，確定適宜的分離

48、膜，建立適合特定反應(yīng)體系的無機(jī)膜設(shè)計(jì)方法；研究一體式液相催化ti-al合金膜分離耦合過程中反應(yīng)過程與膜分離過程的相互影響規(guī)律，建立兩者之間的匹配關(guān)系。目標(biāo)：開發(fā)1-2種新的混合導(dǎo)體透氧膜材料，其膜的氧滲透性大于1.0cm3(stp)cm-2min-1(850)，在二氧化碳分解膜反應(yīng)過程穩(wěn)定操作時(shí)間大于1000小時(shí)；研究tial合金膜材料的成形機(jī)理與制備方法，開發(fā)出新一代的tial合金分離膜；構(gòu)筑新型的一體式液相催化tial合金膜反應(yīng)器，建立一體式膜反應(yīng)器反應(yīng)與膜分離的匹配理論。承擔(dān)單位： 南京工業(yè)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 金萬勤經(jīng)費(fèi)比例：13.5課題07、智能膜材料設(shè)計(jì)與制備科學(xué)研究主要研究內(nèi)容：以生

49、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。以分子動(dòng)力學(xué)模擬為手段、以修飾納米碳管為模型，深入研究離子通道高效選擇性分離的機(jī)理，為仿生離子通道膜的研制奠定理論基礎(chǔ)；模仿泌氯細(xì)胞膜的工作機(jī)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(gòu)建仿生離子通道膜，用含有特殊官能團(tuán)的有機(jī)物對聚合物基體膜的膜孔進(jìn)行接枝修飾，提高對鈉離子的選擇性與通透性，研究仿生離子通道膜在海水淡化脫鹽過程中的分離機(jī)制，揭示離子通道膜結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系；以溫度響應(yīng)膜、ph響應(yīng)膜以及分子或離子識別膜為對象，建立智能膜材料設(shè)計(jì)及其微

50、觀結(jié)構(gòu)可控的原理和方法，以溫敏性高分子聚n-異丙基丙烯酰胺及其共聚物體系和ph敏感性高分子聚丙烯酸及其共聚物體系為主要智能材料，部分結(jié)合冠醚和環(huán)糊精等超分子化學(xué)中分子識別體系下的重要主體分子，將具有環(huán)境刺激響應(yīng)性或分子識別特性的智能材料以化學(xué)鍵合微球或化學(xué)接枝鏈的狀態(tài)構(gòu)建于多孔膜內(nèi)、或者以整體膜形式構(gòu)建于內(nèi)部具有可控多相微觀物理結(jié)構(gòu)的微囊膜殼層，實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)或分子識別調(diào)控型智能膜過程；建立膜孔內(nèi)表面具備溫敏性超親水/超疏水可逆轉(zhuǎn)換功能的智能親和分離膜材料、鉀鈉離子識別響應(yīng)功能的新型控釋膜材料以及具有類特洛伊木馬功能的智能微囊膜材料的微觀結(jié)構(gòu)可控制備方法；系統(tǒng)建立智能膜孔內(nèi)表面微結(jié)構(gòu)與溫敏性超親

51、水/超疏水可逆轉(zhuǎn)換特性及其智能化膜分離性能之間、智能膜材料的微觀物理化學(xué)結(jié)構(gòu)與其鉀鈉離子識別響應(yīng)特性之間、以及智能微囊膜的微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)與微觀物理結(jié)構(gòu)與其膨脹-收縮特性及其控釋特性之間的構(gòu)效關(guān)系；重點(diǎn)研究膜環(huán)境改變對膜功能的影響規(guī)律，深入揭示其智能膜過程機(jī)理，為新型智能膜材料的設(shè)計(jì)與制備奠定理論基礎(chǔ)。目標(biāo)：建立溫度響應(yīng)膜、ph響應(yīng)膜、分子或離子識別膜以及仿生離子通道膜等具有環(huán)境響應(yīng)調(diào)控功能的新型智能化膜材料設(shè)計(jì)與制備方法，制備出高性能環(huán)境響應(yīng)型親和分離膜（溫度響應(yīng)性脫吸率95%）以及環(huán)境響應(yīng)型控制釋放膜（智能開關(guān)膜的智能開關(guān)對環(huán)境刺激的響應(yīng)時(shí)間5.0；智能微囊膜的非需求性擴(kuò)散滲漏率98%）。在新

52、型特種智能膜材料設(shè)計(jì)與制備領(lǐng)域占據(jù)國際領(lǐng)先地位。承擔(dān)單位：四川大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：褚良銀經(jīng)費(fèi)比例：7.86、各課題間的相互關(guān)系，以及與項(xiàng)目總體目標(biāo)和五年目標(biāo)的關(guān)系在上一個(gè)973項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目圍繞膜領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)問題，結(jié)合國家在水資源、能源、環(huán)境和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造領(lǐng)域的重大需求，重點(diǎn)突破水處理膜、滲透汽化膜、co2處理膜、新型特種分離膜制備的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，為解決人類面臨的水資源、能源、環(huán)境和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造等重大需求提供具有自主知識產(chǎn)權(quán)和市場競爭力的新型膜材料。本項(xiàng)目共設(shè)置7個(gè)研究課題，從多學(xué)科（材料學(xué)、化學(xué)、化學(xué)工程、分子模擬等）協(xié)同開展研究工作。其總體布局見圖2。圖2 課題設(shè)計(jì)框架圖課題1、2

53、圍繞水處理膜及膜材料開展研究工作，其中，課題1側(cè)重水處理膜材料的分子水平設(shè)計(jì)與合成，課題2側(cè)重水處理膜材料的微結(jié)構(gòu)加工方法的研究，兩課題研究工作相互補(bǔ)充，通過研究，將奠定面向水處理應(yīng)用的高性能膜與膜材料的設(shè)計(jì)與加工方法。課題3、4圍繞滲透汽化膜分離技術(shù)開展膜材料的設(shè)計(jì)與制備方法的研究，其中，課題3重點(diǎn)開展分子篩膜和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜的膜材料的設(shè)計(jì)與制備，并用于滲透汽化脫水和透醇的研究，課題4重點(diǎn)開展?jié)B透汽化有機(jī)膜材料的設(shè)計(jì)與制備，并用于滲透汽化脫硫的研究，兩課題的研究工作構(gòu)成一整體，為滲透汽化膜分離技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。課題5、6圍繞co2的處理開展膜材料及膜過程的研究，課題5主要開展co2

54、分離膜的研究工作，通過膜材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，制備抗co2塑化的高分子分離膜材料，課題6主要開展co2分解膜反應(yīng)過程的研究，為co2的資源化利用奠定基礎(chǔ)。課題7主要開展仿生型水處理膜以及受環(huán)境支配的智能開關(guān)膜的研究，作為膜分離領(lǐng)域的一個(gè)新興的研究方向，單獨(dú)設(shè)立課題，期望推動(dòng)該方向的發(fā)展。四、年度計(jì)劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年在水處理膜方面，研究新型膜材料單體、兩親聚合物的分子設(shè)計(jì)與合成；異構(gòu)的聯(lián)苯四酰氯單體的結(jié)構(gòu)對膜性能的影響；高通量ro和nf復(fù)合膜及其傳遞機(jī)理。在滲透汽化膜方面，篩選分子篩膜材料，研究成膜機(jī)理和缺陷形成機(jī)理；考察無機(jī)支撐體材料和有機(jī)膜材料性質(zhì)對有機(jī)無機(jī)復(fù)合膜性能的影響，研究該復(fù)合膜的

55、制備工藝。利用化學(xué)交聯(lián)、界面聚合、有機(jī)-無機(jī)雜化等技術(shù)，進(jìn)行滲透汽化膜材料微觀基團(tuán)種類變化和結(jié)構(gòu)調(diào)控研究，進(jìn)行聚合物膜材料密度函數(shù)理論和分子模擬研究，研究脫硫滲透汽化復(fù)合膜的制備工藝。在二氧化碳分離膜方面，通過醚氧或堿性基團(tuán)等化學(xué)交聯(lián)改性手段，研究co2塑化作用機(jī)理；探討載體調(diào)控促進(jìn)傳遞膜材料分子結(jié)構(gòu)方法，開發(fā)高分離性能膜材料。開發(fā)具有“協(xié)同效應(yīng)”的適合co2分解膜反應(yīng)體系的多相混合導(dǎo)體透氧膜材料；開展擔(dān)載管式致密膜和中空纖維膜的制備及表征研究，考察制備控制參數(shù)對膜的微結(jié)構(gòu)和性能的影響。在特種分離膜方面，研究tial金屬間化合物多孔材料基/ti-al合金膜的制備方法；研究硬骨魚魚鰓的泌鹽機(jī)制及

56、鈉離子通道的結(jié)構(gòu)及其仿制原理，研究溫敏性親和分離膜材料制備方法及其分離性能。研究制備出6種芳香聚酰胺反滲透復(fù)合膜材料。揭示官能團(tuán)的取代位置及分布對膜材料性能影響規(guī)律；兩親聚合物的分子結(jié)構(gòu)對膜的結(jié)構(gòu)及性能的影響的規(guī)律。初步得到膜材料結(jié)構(gòu)調(diào)控和膜分離性能調(diào)控方法；初步獲得有機(jī)-無機(jī)雜化膜制備技術(shù)和聚合物滲透汽化膜結(jié)構(gòu)分子模擬結(jié)果。制備出2-3種適合于水/有機(jī)物分離的分子篩膜材料，獲得無缺陷、擇優(yōu)取向分子篩膜的制備方法；揭示有機(jī)無機(jī)復(fù)合膜材料對膜性能的作用規(guī)律，獲得無缺陷膜的制備方法。以研究功能官能團(tuán)提高膜抗co2塑化能力為目的，合成24種膜材：co2滲透系數(shù)2010-10cm3(stp) cm/c

57、m2scmhg，氣體選擇性 co2/n230，co2/h24。獲得一種新型的多相混合導(dǎo)體透氧膜材料，其氧滲透通量在850大于1.0cm3(stp)cm-2min-1；.開發(fā)出一種新型非對稱超薄混合導(dǎo)體透氧膜制備方法。形成一套完整的tial金屬間化合物多孔材料基/ti-al合金膜制備方法；探明離子通道膜原理及仿生離子通道膜的設(shè)計(jì)思路；探明智能化溫敏性親和分離膜的制備方法。發(fā)表sci論文 60篇，申請中國發(fā)明專利 16項(xiàng)。第二年在水處理膜方面，開展高通量ro和nf復(fù)合膜的研究。研究可促進(jìn)溶質(zhì)傳輸?shù)哪げ牧瞎簿酆铣煞椒?；研究建立兩親聚合物相轉(zhuǎn)化法多孔膜多層次結(jié)構(gòu)控制理論；制備均質(zhì)或復(fù)合正滲透膜。在滲透汽化膜方面，研究分子篩膜的孔道尺寸調(diào)變技術(shù)，建立基于maxwell-stefan方程的膜滲透模型；研究有機(jī)無機(jī)復(fù)合膜界面作用規(guī)律，探討有機(jī)無機(jī)材料之間的匹配關(guān)系。探索膜結(jié)構(gòu)變化及其這種變化對滲透汽化膜分離性能影響的內(nèi)在規(guī)律性；進(jìn)行溶膠-凝膠反應(yīng)和荷電雜化膜的自由體積特性研究，初步建立實(shí)驗(yàn)結(jié)果和滲透汽化膜特性參數(shù)之間的定量關(guān)系；初步進(jìn)行汽油、液化氣脫硫滲透汽化膜材料設(shè)計(jì)研究。在二氧化碳分離膜方面，通過界面交聯(lián)不可自由活動(dòng)季胺鹽基團(tuán)和可自由活動(dòng)的醚氧基團(tuán)制備分離膜；考察醚氧基團(tuán)的peg含量、種類及鏈長等