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

4) 在CO2处理膜方面：开发出1~2种新的混合导体透氧膜材料，膜的透氧渗透

性大于1.0cm3(STP)/cm2min(850℃)，在二氧化碳分解膜反应过程稳定操作时间大于1000小时；制备3～5种抗塑化高性能分离膜材料：CO2渗透系数≥4×10-9cm3(STP)/cm2.s.cmHg，气体选择性 αCO2/N2≥50，αCO2/H2≥5；建立CO2膜分离现场中试平台，装臵处理量≥5000NM3/d，装臵设计压力≥4.0MPa。 5）在特种分离膜方面：开发出新一代的TiAl合金分离膜；建立温度响应膜、pH

响应膜、分子或离子识别膜以及仿生离子通道膜等具有环境响应调控功能的新型智能化膜材料设计与制备方法，制备出高性能环境响应型亲和分离膜（温度响应性脱吸率>95%）以及环境响应型控制释放膜（智能开关膜的智能开关对环境刺激的响应时间<2 min，膜孔开关系数>5.0；智能微囊膜的非需求性扩散渗漏率<1%，刺激响应释放率>98%）。

通过5年研究，出版专著1～2部，申请专利60～70件，发表SCI收录论文300篇以上，培养一批膜领域的中青年带头人，培养博士、硕士研究生200名以上，若干重要的新理论、新方法和新型膜材料在国家重大需求领域获得应用。

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三、研究方案

1、学术思路

围绕重大需求，以科学问题的揭示和关键技术突破为目标，凝聚我国高分子物理化学、材料科学与工程、化学工程等领域的优势单位和研究人员，组建高水平的研发团体；以基础理论研究为引导，通过分子模拟、密度泛涵、先进实验手段的有机结合，对膜的功能与结构关系等关键科学问题进一步凝炼和深入研究，夯实面向应用过程的膜材料设计与制备的理论基础；面向国家的战略需求，重点突破水处理膜、渗透汽化膜、气体分离膜和新型特种分离膜的设计与制备的关键问题，提升膜产业发展的技术基础；通过环境对膜功能影响的综合研究，奠定面向应用的膜过程设计基础，将膜过程的设计从工艺设计推进到材料微结构的设计，发展若干具有自主知识产权的重大集成应用技术。总体思路如图1 所示。

图1 项目总体研究思路

2、技术途径

水处理膜研究：重点开展超滤、纳滤和反渗透膜材料创制及膜微结构调控的研究。在膜材料创制方面，通过单体的设计、聚合体系及聚合方法的研究实现分

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子链结构的调控，基于芳香四酰氯、芳香三胺、间苯二胺开发新型芳杂环功能高分子膜材料；通过分子链结构和形态设计以及成膜方法等调控聚集态结构，采用相转化成膜方法或TIPS法、水通道和离子通道仿生手段、界面聚合等技术，改进传统反渗透、纳滤和超滤膜的表面结构和性能，提高复合膜的耐污染、耐有机溶剂、抗氧化性能和脱盐、脱有机物性能，形成系列新型超滤、纳滤和反渗透复合膜材料。

渗透汽化膜研究：重点开展渗透汽化脱硫、脱水和透醇膜的研究。在高分子渗透汽化膜方面，依据相似相溶原理和基团贡献方法，结合分子模拟和密度泛函理论，设计和开发脱硫膜材料；在分子筛膜方面，基于分子动力学和Maxwell- Stefan渗透模型，建立膜分离性能与膜表面微结构之间的关系，进行膜材料的优化设计，采用化学气相沉积技术和自组装等方法，实现分子筛膜微结构调控；在有机/无机复合膜方面，采用有机皮层包埋和表面改性技术，实现分离层亲疏水性和微结构的调变。在荷点杂化渗透汽化膜材料方面，利用有机-无机杂化并结合酸-碱聚合物膜的思路，通过多层次设计得到渗透汽化荷电杂化膜，从微尺度角度出发，对荷电杂化膜制备过程及其物化结构、分离性能进行系统的研究，为渗透汽化特种杂化膜材料的设计与制备奠定理论基础。

CO2处理膜研究：重点开展抗CO2塑化功能高分子分离膜和CO2 分解膜研究。采用分子设计手段，根据基团贡献法设计合成高性能的聚酰亚胺材料，引入聚酰亚胺二酐或二胺单体到聚酰亚胺分子链中，增加渗透组分在膜内溶解能力，促进分子在膜内传递速率。在CO2分解膜方面，采用原位表征技术，研究混合导体膜在反应过程中的失效机理；从相组成的调配出发，通过离子取代和非主相的引入，开发具有协同效应的多相混合导体氧化物；采用多层共烧结技术控制膜的微结构，制备具有组成梯度或结构梯度的混合导体膜，提高膜的渗透性能和稳定性。

特种分离膜研究：重点开展TiAl合金膜和智能膜的研究。在TiAl合金膜方面，采用热力学和动力学计算并结合动态取样分析方法，建立TiAl间元素相平衡，采用偏扩散造孔和金属溅射技术，实现TiAl合金膜的微结构控制；在智能膜方面，以温敏性高分子聚N-异丙基丙烯酰胺及其共聚物体系和pH敏感性高分子聚丙烯酸及其共聚物体系为主要智能材料，部分结合冠醚和环糊精等超分子

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化学中分子识别体系下的主体分子，以化学键合微球或化学接枝链的状态构建于多孔膜内，实现智能膜材料调控与制备。

3、取得重大突破的可行性分析

（1）前期工作的深厚积累为本项目关键科学问题的突破奠定了坚实的基础。“十五”以来主要承担了1项973项目、8项国家自然科学基金重点项目和3项国家杰出青年基金项目的研究工作，初步构建了面向应用过程的膜材料设计与制备的理论框架，取得了一些具有特色与创新的研究成果，在多孔膜传递机理、多孔膜材料设计与制备、反应－膜分离耦合技术、新型高性能结构不对称聚酰亚胺纳滤膜材料、TiAl合金新型膜材料研究等方面取得了重要突破。这些前期的研究工作，为本项目科学问题的解决和关键膜材料制备技术的突破奠定了良好的基础。 （2）高水平的实验基地和先进的研究手段为本项目的研究提供了必要的物质保证。本项目包含了材料和化工领域的“材料化学工程国家重点实验室”、“高分子物理与化学国家重点实验室”、“化学工程（聚合反应工程）国家重点实验室”3个国家重点实验室。这些实验室的大型仪器设备在国内处于领先水平，相当部分达到国际水平，可为本项目的研究提供先进的实验手段。随着国家对实验室投入力度的加大，必将对项目的研究提供更为有力的保证。

（3）优秀的人才队伍是本项目顺利开展的决定性因素。本项目凝聚了一批优秀的科技人才，其中包括院士2人，国家杰出青年基金获得者2名，德国洪堡基金获得者2人，主要学术骨干均是近年来在学术界非常活跃的中青年学者和回国学者。此外，还有一大批博士和硕士研究生参与了各课题组的研究工作。本项目研究队伍结构合理、优势互补、具有较强的团队合作能力，具备承担国家重大基础研究项目的能力。

4、创新与特色

本项目的创新与特色体现在以下方面：

（1） 建立水通道和离子通道的膜分离传递机理，开发高通量反渗透新型膜材料和新型纳滤膜；

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