973项目申报书——cb623400面向应用过程的膜材料设计与制备基础研究.doc

项目名称：面向应用过程的膜材料设计与制备基础研究首席科学家：徐南平 南京工业大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：江苏省科技厅一、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l 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。l 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。l 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。l 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。l 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l 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膜渗透模型，研究多元体系下膜分离性能与膜表面微结构性质之间的关系，建立面向应用体系的渗透汽化膜材料微结构设计方法。l 脱SO2渗透汽化膜的设计与制备研究： 依据分离膜材料中关键基团对膜分离性能所起作用分析，借助于基团组装分子理念，进行脱硫等体系聚酰亚胺和硅橡胶类膜材料设计。确定聚合物膜表面、界面、本体在不同条件下的结构变化及其对分离性能的影响，研究高分子膜材料空间结构、界面结构、链结构、取向和聚集态等微观性质与其选择性、渗透性和稳定性等宏观分离性能间的内在联系，结合分子模拟和密度泛函理论，获得聚合物膜传质机理和膜材料设计模型。l 分子筛膜的微结构调控方法：研究分子筛膜的成膜机理，揭示原位晶化法和晶种法的膜结构形成规律，探讨膜缺陷的形成机制，建立超薄、无缺陷分子筛膜的可控制备方法。研究化学气相沉积技术调变分子筛膜微孔道微结构的方法，揭示沉积过程中膜微结构的时空变化规律；利用自组装方法对分子筛膜表面进行亲水、亲有机物基团的嫁接，研究表面基质的固有性质、表面基团的化学作用、表面纳米物理结构三者之间的作用规律，及其对表面性质的影响。l 有机无机复合膜的成膜规律及调控方法：研究高分子和无机组分的相互作用规律、膜与待分离组分之间的相互作用，对界面结构形态、膜自由体积特性、膜孔径等膜微观结构形态以及亲疏水性、溶胀特性等膜物理化学特性进行表征，揭示复合膜中的多尺度效应；研究有机皮层的官能团嫁接对膜表面的亲水、亲有机物和膜稳定性的调控规律，结合微孔膜的微结构优化设计，制备出高性能的有机-无机复合膜。3）CO2捕集与利用膜材料的设计与制备研究l 抗CO2塑化功能高分子膜设计与制备：通过引入含醚氧或碱性基团等功能团化学交联改性手段，研究聚合物链段堆砌规整性与高分子链的链段局部运动能力规律、聚合物链间作用力和交联度与自由体积的影响关系，揭示聚合物功能官能团与渗透组分的相互作用规律及对膜的分离和透过性能的影响，通过研究CO2在不同结构和形态的高分子链中的渗透行为，揭示功能团交联提高膜材料抗CO2塑化作用机理，从分子水平上的结构改性和物理改性调控气体分离膜性能。l CO2分解膜反应中的氧传输机理和膜反应机理研究：将化学工程传递理论与电化学相关理论相结合，不仅从材料角度考虑膜的主体扩散或表面交换反应，而且从化学工程的角度考虑反应过程中气固相传递阻力以及反应过程对氧传输的影响；运用密度泛函理论、第一性原理、分子动力学等手段，研究氧在膜表面和体相的氧传递过程，借助于CO2吸附脱附质谱联用、XPS能谱等表面表征仪器，结合膜反应的氧渗透和反应实验数据，研究CO2在膜表面的分解机理，在理论上揭示混合导体膜氧传输与膜微结构及操作条件和环境气氛的关系、膜反应动力学的受控因素，为CO2分解膜反应过程设计提供理论基础。l CO2分解膜材料及膜微结构控制方法研究：从相组成的角度出发，开发具有协同效应的多相混合导体氧化物；基于膜两侧不同的反应气氛，设计具有组成梯度或具有梯度孔结构的混合导体膜；结合各种现代表征手段，了解膜材料微结构及宏观性能与材料制备方法关系，揭示制备控制参数对膜微结构和性能的影响规律, 提高膜的渗透性能和稳定性。4）新型特种膜材料及膜的设计与制备研究l TiAl合金膜设计及制备研究：采用热力学和动力学计算并结合动态取样分析方法，模拟反应合成过程中元素的扩散行为，建立TiAl间元素反应合成的偏扩散方程相关的造孔模型，研究TiAl合金膜中孔径的形成机理及控制理论，结合实验研究结果，构建TiAl合金膜的微结构（厚度、孔隙率、孔径分布等）与制备工艺参数之间的定量关系，为该类膜材料微结构的控制奠定基础。l 智能化仿生离子通道膜的设计原理与制备方法研究：以生物细胞膜为原型、以仿生设计为出发点，从智能膜材料分子水平设计着手，构建仿生智能膜材料设计与制备的新原理与新方法；模仿泌氯细胞膜的工作机制，选择对钠离子有选择性的苯并冠醚类化合物，采用合适的聚合物基体微孔膜，构建仿生离子通道膜，用含有特殊官能团的有机物对聚合物基体膜的膜孔进行接枝修饰提高对钠离子的选择性与通透性。l 研究环境响应型智能膜的设计原理与制备方法：以温度响应膜、pH响应膜以及分子或离子识别膜为对象，建立智能膜材料设计及其微观结构调控的原理和方法，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化学中分子识别体系下的重要主体分子，将具有环境刺激响应性或分子识别特性的智能材料以化学键合微球或化学接枝链的状态构建于多孔膜内，实现环境响应或分子识别调控型智能膜过程。l 研究环境响应型智能膜过程机理及其性能可控性规律：探索膜孔内表面具备温敏性超亲水/超疏水可逆转换功能的智能亲和分离膜材料，系统建立智能膜孔内表面微结构与温敏性超亲水/超疏水可逆转换特性及其分离性能之间关系、pH或温度响应性智能微囊膜的微观化学结构与微观物理结构与其膨胀-收缩特性的构效关系，深入揭示智能膜过程机理，重点研究膜环境改变对膜功能的影响规律，为新型环境响应型智能膜材料的设计与制备奠定理论基础。二、预期目标1、总体目标在理论研究中，通过膜的性能与膜及膜材料微结构关系、膜及膜材料微结构形成机理与控制方法以及膜应用过程中膜及膜材料微结构演变规律的创新研究，深入揭示膜及膜材料微结构与膜的功能性质和制备过程的关系，丰富面向应用过程的膜材料设计与制备的理论基础，形成我国膜及膜材料设计与制备的技术平台，在膜领域的基础理论研究方面取得新的突破。在材料创制中，通过膜的形成机理和膜材料微结构控制方法的研究，奠定膜材料开发的技术基础，研制出具有自主知识产权和市场竞争力的水处理膜、渗透汽化膜、气体分离膜和智能膜，提升我国膜材料的整体技术水平。在应用研究中，通过膜过程设计理论的研究和过程集成方法的研究，提升我国膜技术的应用水平，奠定水处理、渗透汽化过程、反应膜分离耦合等领域工程应用的基础。2、五年预期目标1) 建立微孔膜和致密膜的传质过程结构模型，形成膜材料和膜孔结构设计与制备的技术平台；2) 在水处理膜方面：研制出3-5种反渗透、纳滤和正渗透膜，其中，高通量低压膜，膜通量：1.6-1.8m3/m2d，脱盐率：99.5%（盐浓度：2000mg/L, 操作压力：1.5MPa）；脱硝纳滤膜选择分离性能(溶质浓度500mg/L，1.0MPa，25)：NaCl截留率80-90%，Na2SO4截留率98%，水通量50L/m2h；有机物脱除纳滤膜选择分离性能(溶质浓度500mg/L，1.0MPa，25)：NaCl截留率20-30%，COD脱除率90%，水通量50L/m2h；正渗透膜，分离性能：NaCl截留率95.0%，水通量15-20L/m2h。超滤膜：水通量大于1000 L/m2h0.1MPa，BSA截留率大于90%。3) 在渗透汽化膜方面：建立面向渗透汽化分离体系的分子筛膜、有机-无机复合膜微结构设计方法，制备出高性能透水分子筛膜材料 (通量>3kg/m2h)和透醇分离膜材料（通量>3kg/m2h，乙醇/水分离系数>15）；设计和制备的汽油、液化气脱硫渗透汽化分离膜，渗透通量（汽油）1.5kg/m2h、分离系数12；渗透通量（液化气） 100L(STP)/m2h.bar，分离系数12.4) 在CO2处理膜方面：开发出12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35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 CO2/N250，CO2/H25；建立CO2膜分离现场中试平台，装置处理量5000NM3/d，装置设计压力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12部，申请专利6070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。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；（2） 开发新型结构的芳香四酰氯、芳香三胺、间苯二胺纳滤、反渗透膜材料，制备出高通量的海水淡化膜；（3） 建立功能单体结构与超薄聚合层的性能的关系，实现特殊功能取代基团的位置控制、功能基团的保护和解保护，指导新功能单体的开发；（4） 提出从仿生的角度构筑低能耗、高通量的新型智能型膜材料,使膜技术的发展从单机能向系统化方向发展，形成交叉学科的新研究方向；（5） 开发单原子或单分子分子筛孔内装填技术，建立分子筛膜微结构的调控方法，制备出高性能的分子筛膜；（6） 研制出用于脱硫的有机无机杂化膜新材料；（7） 开发具有“协同效应”的多相混合导体氧化物材料及具有组成梯度或梯度孔结构的混合导体膜，提高膜的渗透性能和稳定性；（8） 开发高渗透性能兼具抗CO2塑化的新型复合膜；（9） 开发具有不对称微结构的TiAl合金膜；（10） 设计制备具有环境刺激响应特性和分子识别特性的智能膜。5、课题设置课题01、新型芳杂环功能高分子膜材料的分子设计与合成主要研究内容：芳杂环高分子化合物，代表着一类重要的高分子分离膜材料，由于它们固有的耐温，耐氧化性，及较强的机械性能，是迄今为止最重要的两类高分子膜材料之一。根据现今对膜分离理论的认识，设计合成多组分、多层次、多功能的新型芳杂环功能高分子材料，定量研究分子结构与分离性能的关系，全面掌握膜材料的微观结构（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，按照一定的分离要求，“设计、组装”膜材料。1)多组分高分子膜材料的设计与制备：研究建立具有自主知识产权的基于联苯四酰氯的芳香聚酰胺膜材料体系。通过四酰氯与二酰氯或三酰氯混合组分与芳香胺或多聚芳胺的共聚合，调控聚合物的基团分布；通过在单体中引入-CH2-，-CO-等桥联基团，及借助共聚合方法(引入棒状齐聚物、超支化结构单元)，调控聚合物的自由体积及链的刚柔性。2)多功能化高分子膜材料的设计与制备：设计合成含胺基等官能团的酚酞型高分子材料，通过表面取代、接枝聚合、缩合等反应,制备新型的纳滤膜。提高纳滤膜的耐氯氧化及抗污染性能。而且为本项目其他课题中的反渗透复合膜及纳滤膜、渗透汽化及气体分离膜基础研究提供合适的膜材料。目标：建立基于芳香四酰氯、芳香三胺、间苯二胺的具有自主知识产权的膜材料体系；获得高通量低压膜和高压海水淡化膜，其中高通量低压膜的通量达到：1.6-1.8m3/m2d，脱盐率：99.5%（盐浓度：2000mg/L, 操作压力：1.5MPa）；制备出耐氯氧化纳滤膜，耐氯氧化等级：5000ppm·h，分离性能（通量、选择性）达到或超过同期国外商品化水平。承担单位： 中国科学院长春应用化学研究所课题负责人： 张所波经费比例：11.7课题02、节能型高分子复合膜的微结构调控与制备方法主要研究内容：开展RO、NF、正渗透（FO）、有机物高截留率复合膜和高性能超滤（UF）膜这5种膜的研究，并建立RO和NF膜及材料的数据库。RO膜和NF膜：开展1）高脱盐率和高通量复合膜，2）纳米颗粒（反应型）填充复合膜，3）碳纳米管（反应型）填充复合膜，4）系列孔密度梯度支撑膜的制备等研究。以提高复合膜脱盐率和水通量为目的，在深入探索聚合物膜中水和离子传递机理的基础上，通过筛选功能单体或功能粒子，在复合皮层材料中引入不同功能基团、填充反应型纳米颗粒或碳纳米管等研究，以提高膜分离选择性和水通量，同时提高耐污染、抗氧化的性能。FO膜：开展1）CTA/CA膜，2）复合膜（含纳米颗粒），3）复合中空纤维膜，4）CTA不对称中空纤维膜等研究。结合水通道和水渗透机理的研究，对反渗透膜改性的基础上，探索适于正渗透的新型CTA改性材料和膜，界面聚合纳米体（含碳纳米管，沸石纳米分子筛等）复合膜，新型聚电解质改性材料和膜等，以提高FO膜的综合性能。有机物高截留率复合膜：以提高复合膜对有机物的截留率和水通量为目的，研究醇、酸、酮、醛等在膜中的传递机理，通过功能单体的设计，在聚合理论指导下，制备出对醇、酸、酮、醛等小分子有高截留率的有机复合膜，并在节能、减排与资源回收膜过程中进行实验。高性能UF膜：以制备高通量、高截留率UF膜为目标，开展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研究，通过成膜过程的控制，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，并建立一种普适的聚合物膜改性和结构控制的理论和方法。目标：研制出新型海水淡化、低操作压力、高截留率的RO复合膜23种，纳滤膜23种，正渗透膜12种，并制备出具有孔径密度梯度分布结构的系列支撑膜34种。各类膜的技术指标达到国际同类膜的先进水平。脱硝纳滤膜选择分离性能(溶质浓度500mg/L，1.0MPa，25)：NaCl截留率80-90%，Na2SO4截留率98%，水通量50L/(m2h)；有机物脱除纳滤膜选择分离性能(溶质浓度500mg/L，1.0MPa，25)：NaCl截留率20-30%，COD脱除率90%，水通量50L/(m2h)；正渗透膜的分离性能：NaCl截留率95.0%，水通量15-20L/(m2h)。超滤膜：水通量大于1000 L/m2h0.1MPa，BSA截留率大于90%。承担单位： 杭州水处理技术研究开发中心、浙江大学课题负责人： 高从堦经费比例：18.7课题03、微孔膜的传质机理与膜材料结构设计的研究主要研究内容：根据分子筛膜的微结构特征，构建微孔道原子模型，采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，揭示物理参数、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Maxwell-Stefan膜渗透模型，研究多元体系中膜分离性能与膜表面性质之间的关系，根据应用体系对分子筛膜进行微结构优化设计；研究分子筛膜的成膜机理和缺陷的形成机制，建立超薄、无缺陷微孔膜的可控方法；研究化学气相沉积和自组装方法调变分子筛膜微结构，揭示调变过程中膜微结构的时空变化规律，建立可调参数与微结构特征参数之间的定量关系。研究有机-无机复合膜的成膜热力学和动力学规律，结合分子模拟探讨分子的界面扩散行为、受限溶胀皮层的自由体积特征、无机物表面官能团效应等相界面传质规律，揭示有机-无机材料之间的匹配关系；研究有机皮层包埋纳米无机材料的膜改性方法，建立纳米无机材料的微结构参数、掺杂方式与膜功能的关系，实现有机皮层的孔道变形性、亲疏水性和微结构的调变；研究有机皮层官能团嫁接对膜表面的亲水、亲有机物和膜稳定性的调控规律；在微结构参数优化的基础上，通过无机支撑体和有机皮层的表面微结构协同调控，实现高性能有机-无机复合膜的制备。作为特例，研究生物质发酵制乙醇的反应-膜分离集成工艺，揭示发酵反应与透醇膜功能的匹配关系，以及透水膜、透醇膜在燃料乙醇生产过程中的微结构演变规律。目标：建立面向渗透汽化分离体系的分子筛膜和有机-无机复合膜微结构设计方法；建立分子筛膜的微结构调变方法，制备出适合工业应用的高通量透水分子筛膜材料(通量>3kg/m2h)；建立有机-无机复合膜的微结构调变方法，制备出高性能透醇分离膜材料（通量>3kg/m2h，乙醇/水分离系数>15）；开发出膜法燃料乙醇生产新工艺，为燃料乙醇的传统生产技术改造奠定基础。承担单位： 南京工业大学课题负责人： 徐南平、顾学红经费比例： 20.7课题04、渗透汽化膜材料设计与制备基础研究主要研究内容：依据汽油、液化气脱硫等体系中分离组分的物理和化学性质，以及分离膜材料中关键基团对膜分离性能所起作用分析，借助于基团组装分子理念，进行汽油、液化气脱硫等体系聚酰亚胺和硅橡胶类膜材料初步设计。采用原子力显微镜等确定聚合物膜表面、界面、本体在不同条件下的结构变化及其对分离性能的影响，研究高分子膜材料空间结构、界面结构、链结构、取向和聚集态等微观性质与其选择性、渗透性和稳定性等宏观分离性能间的内在联系。采用自行设计的成膜过程在线可视化装置在线研究成膜过程动力学，准确观测膜的形成过程，了解凝胶过程中膜断面增长速度与时间的关系。研究分离物小分子在聚合物膜材料中密度分布、溶解扩散行为以及分离物与聚合物膜材料基团间的相互作用，结合分子模拟和密度泛函理论，得到聚合物膜传质机理和膜材料设计模型。研究溶剂种类及组成、助剂种类及组成、催化促进剂种类及组成、凝胶温度和速度等因素对膜材料结构和膜分离性能的影响，研究交联剂种类、组成等因素对膜材料结构和膜分离性能的影响，找出膜材料结构变化和膜宏观分离性能变化之间的内在联系，得到膜材料结构调控和膜分离性能调控技术。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。将选用或合成无机和有机组分有强共价键相联的酸性和碱性前驱体，单独或混合进行溶胶-凝胶反应，或者利用有机单体作为溶剂溶解酸性/碱性聚合物，然后与含双键的烷氧基硅烷共聚，再进行溶胶-凝胶反应和功能基化反应，实现分子内杂化；或在酸性/碱性高分子基质内进行无机组分的原位生成，实现分子间杂化。利用NMR等测试手段跟踪前驱体溶胶-凝胶反应，利用正电子湮灭寿命谱仪来表征荷电杂化膜的自由体积特性，以溶解扩散模型为基础，构建荷电杂化膜分离过程中的离子或分子传递方程，建立实验结果和膜特性参数之间的定量关系，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。目标：建立渗透汽化传质机理和膜材料设计模型；获得聚酰亚胺、荷电杂化聚合物和硅橡胶类渗透气化膜材料微结构调控和膜性能调控技术，设计和制备的汽油、液化气脱硫渗透汽化分离膜，渗透通量（汽油）1.5kg/m2h、分离系数12；渗透通量（液化气） 100L(STP)/m2h.bar，分离系数12，该指标高于国际先进水平。承担单位：清华大学课题负责人：王晓琳经费比例：18.5课题05、抗CO2塑化功能高分子膜设计及分离过程研究主要研究内容：通过引入含醚氧或碱性基团等功能团化学交联改性手段，研究聚合物链段堆砌规整性与高分子链的链段局部运动能力规律、聚合物链间作用力和交联度与自由体积的影响关系，揭示聚合物功能官能团与渗透组分的相互作用规律及对膜的分离和透过性能的影响，通过研究CO2在不同结构和形态的高分子链中的渗透行为，揭示功能团交联提高膜材料抗CO2塑化作用机理，从分子水平上的结构改性和物理改性调控气体分离膜性能。研究高分子膜材料与溶剂的相互作用对微孔形态的影响，通过界面交联不可自由活动季胺盐基团和可自由活动的醚氧基团制备分离膜材料，研究探讨促进传递膜过程中功能官能团与渗透组分作用模式。调控功能官能团含量和分布，研究聚合物官能团结构与含量与渗透组分耦合效应；考察共聚物膜的透气性能以及醚氧基团的PEG含量对膜透气性能的影响，研究长链PEG的加入形成空间阻碍效应、短链的PEG单体对膜整体渗透分离性能的影响，探讨优化膜内载体分布、调节和控制促进传递膜结构的方法，寻找制备兼具高分离性能和抗CO2塑化的非对称结构膜或复合膜的新方法，进而依据实际分离体系需要，对分离膜的活性层分离性能进行调控，优化成膜工艺，研究与功能团交联膜材料特性相适应的便于工业化的分离膜制备技术。通过自组装手段调控纳米炭膜孔结构的方法，研究抗CO2塑化并具有表面扩散或筛分功能有序介孔炭-聚合物杂化膜。考察可渗界面条件下在膜组件内流体力学特性以及CO2渗透膜Joule -Thomson效应，开发复杂组成气体膜分离过程数学模拟软件，结合化工计算软件（HYSYS、PRO、ASPEN等），建立关键单元数学模型和多层次复杂的理论计算平台，探索单元和系统的参数间相互影响和作用规律，寻找出关键工艺参数的最佳匹配，实现工艺流程优化设计，形成成熟的CO2膜分离集成技术研究设计开发平台。目标：揭示出膜材料单体结构对CO2气体渗透性能的作用规律，建立抗CO2塑化兼具高渗透性能的新型非对称结构膜或复合膜制备新工艺；建立结合化工计算软件的膜分离过程工艺开发与优化计算软件，形成膜技术基础研究与产业化应用相结合的研究平台；制备35种抗塑化高性能分离膜材料：CO2渗透系数40×10-10cm3 (STP) .cm /cm2.s.cmHg，气体选择性 CO2/N250，CO2/H25；完成CO2膜分离现场中试平台，装置处理量:5000NM3/d,装置设计压力：4.0MPa。承担单位：中科院大连化学物理研究所课题负责人：曹义鸣经费比例：9.1课题06、基于膜反应过程的膜材料设计与制备研究主要研究内容：重点开展二氧化碳有效利用和超细催化剂分离的膜材料研究：膜反应过程中的膜材料及膜微结构的演变规律研究：研究在还原气氛以及在膜反应条件下膜微结构的变化规律，运用先进的表征技术，如扫描电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜、中子散射仪、核磁共振和高级光源来描述膜微结构演变现象，揭示膜微观结构演变规律及膜稳定机理。膜材料及膜微结构形成机理与控制方法的研究：从相组成的角度出发，开发具有“协同效应”的多相混合导体氧化物；基于膜两侧不同的反应气氛，设计具有组成梯度膜或具有梯度孔结构的混合导体膜；通过偏扩散原理，设计制备Ti-Al合金膜。结合各种现代表征手段，了解膜材料微结构及宏观性能与材料制备方法关系，实现膜材料的形貌可控，揭示制备控制参数对膜的微结构和性能的影响规律, 提高膜的渗透性能和稳定性。膜反应过程中的混合导体膜氧传输机理和膜反应机理的研究：将化学工程传递理论与材料科学中电化学相关理论相结合，运用密度泛函理论、第一性原理、分子动力学等手段，研究氧在膜表面和体相的传递过程，结合CO2膜反应的氧渗透和反应实验数据，借助于CO2吸附脱附质谱联用、X射线光电子能谱等表面表征仪器，研究CO2在膜表面的分解机理，在理论上揭示混合导体膜氧传输与膜微结构、操作条件、环境气氛的关系，以及膜反应动力学的受控因素，指导膜反应过程的设计。反应过程与膜分离过程匹配理论的研究：以超细TS-1分子筛上苯酚羟基化反应为研究对象，以面向颗粒体系的膜结构功能关系模型为基础设计优化分离回收TS-1分子筛催化剂的膜微结构，确定适宜的分离膜，建立适合特定反应体系的无机膜设计方法；研究一体式液相催化Ti-Al合金膜分离耦合过程中反应过程与膜分离过程的相互影响规律，建立两者之间的匹配关系。目标：开发1-2种新的混合导体透氧膜材料，其膜的氧渗透性大于1.0cm3(STP)cm-2min-1(850)，在二氧化碳分解膜反应过程稳定操作时间大于1000小时；研究TiAl合金膜材料的成形机理与制备方法，开发出新一代的TiAl合金分离膜；构筑新型的一体式液相催化TiAl合金膜反应器，建立一体式膜反应器反应与膜分离的匹配理论。承担单位： 南京工业大学课题负责人： 金万勤经费比例：13.5课题07、智能膜材料设计与制备科学研究主要研究内容：以生物细胞膜为原型、以仿生设计为出发点，从智能膜材料分子水平设计着手，构建仿生智能膜材料设计与制备的新原理与新方法。以分子动力学模拟为手段、以修饰纳米碳管为模型，深入研究离子通道高效选择性分离的机理，为仿生离子通道膜的研制奠定理论基础；模仿泌氯细胞膜的工作机制，选择对钠离子有选择性的苯并冠醚类化合物，采