973项目申报书 - 2009CB623400-面向应用过程的膜材料设计与制备基础研究 - 图文

项目名称： 面向应用过程的膜材料设计与制备基础

起止年限：依托部门：研究

徐南平 南京工业大学 2009.1至2013.8 江苏省科技厅

首席科学家：

一、研究内容

1、拟解决的关键科学问题及其内涵

拟解决的关键科学问题：膜的功能与膜及膜材料微结构的关系；膜及膜材料的微结构形成机理与控制方法；应用过程中的膜及膜材料微结构的演变规律。

关键科学问题的内涵：

1）膜的功能与膜及膜材料微结构的关系

膜的分离功能与膜材料微结构关系的基础是膜的传递机理与传质结构模型。在上期973项目中，针对陶瓷膜分离过程中膜渗透通量不稳定的共性难题，提出面向应用过程的陶瓷膜材料设计的构思，通过化学工程学科的传质理论与材料学科的交叉融合，构建了与陶瓷膜结构相关的传质结构模型，为面向应用过程的陶瓷膜材料设计奠定了基础。

本项目将在此基础上进一步拓展膜的功能与膜及膜材料微结构关系的科学内涵，将研究对象从多孔陶瓷膜（微滤/超滤）拓展至反渗透/纳滤膜、渗透汽化膜、气体分离膜、特种分离膜，特别关注微孔道、水通道、离子通道以及无机膜材料的传递理论研究。对高分子膜材料而言，膜材料的微观结构（分子链的化学结构、基团分布）、介观聚集（分子链间距、自由体积）和宏观形貌以及它们的动态形成过程与膜综合性能的关系是要解决的关键科学问题，也是膜材料的精确设计与化学合成的理论基础；对微孔膜而言，如何通过材料设计、制备方法改进而提高其性能也是需要研究的科学问题，特别是要建立极端环境（高温、高压、强腐蚀）下高强度膜材料的设计方法；对智能膜而言，膜材料的化学结构与微观物理结构与其刺激响应性功能之间的内在关系，是智能膜设计与制备的关键。

2）膜及膜材料微结构形成机理与控制方法

核心内容是建立膜及膜材料微结构与制备过程的关系，实现膜及膜材料的制备从以经验为主向定量控制的转变。在上期973项目中，采用化学工程的过滤理论，对多孔陶瓷膜成膜过程中的毛细吸浆机理与薄膜形成机理进行了系统研究，构建了膜厚度与膜制备过程中控制参数的模型，实现了陶瓷膜制备过程中膜厚度精确控制的目标，解决了陶瓷膜大规模工业化生产中缺陷控制的难题，陶瓷膜的成品率从38％上升到90％以上，质量达到国际先进技术水平。

本项目将在已有成果的基础上，针对水处理膜、渗透汽化膜、二氧化碳处

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理膜和智能膜，开展膜及膜材料微结构形成机理与控制方法的研究。建立多组分、多层次结构及多功能化的特种高分子分离膜材料和智能膜材料的合成方法，实现对高分子或智能膜材料微结构的准确控制。重点开展凝胶化理论与膜表面微结构控制、水热合成理论与分子筛膜晶化控制、相界面理论与复合膜微结构控制、烧结机理与致密膜微结构控制等研究工作，不仅要对这些关键的成膜理论进行创新研究，在理论上形成新的认识，开发出新的膜及膜材料微结构的控制技术，更重要的是通过相关理论的研究，建立膜及膜材料微结构与膜制备过程控制参数的定量关系，奠定规模化制备的理论基础。

3）应用过程中的膜及膜材料微结构的演变规律

膜在应用过程中的微结构演变规律研究的实质是膜及膜材料与环境之间的相互作用规律。在上期973项目中，针对陶瓷膜固液分离过程中膜通量随时间下降的问题，通过膜孔径分布与分离体系的粒径分布的匹配关系研究，解决了膜孔阻塞导致通量衰减的问题，初步实现了陶瓷膜的应用从工艺设计向膜材料微结构设计的转变。

本项目将进一步扩大和深入已有的工作，研究过程集成条件下的膜及膜材料微结构与环境作用规律，通过膜表面性质与应用体系的关系研究，揭示膜污染的形成机理，解决相关重大工程中的膜失效问题，发展膜污染控制的新方法，实现膜的稳定运行；通过环境因素（如温度、pH、离子种类等）与膜材料微结构变化关系的研究，利用膜微结构演变产生的新功能开发环境响应型智能膜材料，实现环境对膜性能的主动调控，以满足特定分离体系对膜功能的特殊要求。

2、主要研究内容

1）新型超滤、纳滤、反渗透膜的设计与制备研究 ?

探索具有水通道或离子通道的纳滤和反渗透膜传递机理：将离子通

道和水通道的传递理论应用于纳滤和反渗透膜。以分子动力学模拟为手段，研究水和离子通道高效选择性分离的机理，探索聚合物膜中水和离子的传递机理，研究仿生水和离子通道膜在海水淡化脱盐过程中的分离机制，揭示水和离子通道膜结构与性能之间的内在关系，为新型纳滤、反渗透膜的设计奠定理论基础。

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? 合成具有新型芳杂环功能高分子膜材料：设计制备具有多组分、多层次结构及多功能化的新型芳杂环特种高分子膜材料。通过研究膜材料的微观结构、介观聚集和宏观形貌以及它们的动态形成过程与膜综合性能的关系，掌握针对膜分离过程及分离对象的膜材料分子设计及合成方法，实现对高分子膜材料结构的准确设计与控制。

? 研究高分子复合膜的微结构调控与制备方法：研究孔径呈梯度分布的新型支撑膜的制备条件、界面性质与膜分离性能的关系。通过引入无机纳米粒子提高膜的水通量及抗微生物污染性能, 揭示无机纳米粒子的增强作用及促进溶质传输作用的机理。通过采用界面聚合、自组装方法，研究制备条件对膜性能的影响,实现对膜的厚度及表面形貌的有效调控。

? 研究两亲性共聚物对成膜体系热力学性质和成膜动力学行为的影响，通过成膜参数的优化，调控两亲性共聚物的表面迁移过程，实现共混膜的多层次结构控制，制备具有高亲水性和优异抗污染能力的UF共混膜；并研究共混膜特殊的分离行为（高通量，高截留率）与膜结构，特别是表层结构的关系，用直接或间接的手段验证共混膜表层水凝胶薄层的存在，阐明共混膜结构和性能的相互关系，揭示凝胶层形成机理和演变规律。

? 建立集成膜法系统深度净化处理技术评价平台：通过浓差电位法、流动电位法及膜阻抗法等测定荷电膜的电性质随水中离子种类、浓度及总量的变化规律，通过介电驰豫法研究膜面流动边界层中浓差极化现象，基于改进的固定电荷模型及静电位阻模型考察膜结构（孔形貌及其分布）及其带电性质对膜分离性能的影响，基于原位显微红外、原子力显微技术考察膜表面性质随水溶液性质的变化规律及其对膜分离性能的影响，为膜法深度净化处理技术的广泛推广提供技术保障。

2）渗透汽化膜的设计与制备研究

? 微孔膜传质机理研究：采用分子模拟和渗透理论，深入研究微孔膜的传质机理，应用分子模拟技术对微孔受限体系中的分子吸附和扩散行为进行系统研究，揭示环境参数（温度和压力）、孔道尺寸和表面性质与分子传质之间的关系，预测分子在微孔道中的吸附参数和扩散系数，结合普遍化Maxwell-Stefan膜渗透

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