限域传质机制膜的精密构筑与高效分离

1附件4“基于限域传质机制的分离膜精密构筑与高效过程”重大项目指南在化工生产过程中，物料分离的能耗一般约占总生产成本的60％以上，发展高效分离过程是实现化学工业节能减排的重要途径，对于我国化学工业可持续发展具有重要意义。膜分离作为新型的化工单元操作，具有高效、节能等优势，已得到广泛应用。超滤、微滤等基于大孔介质尺寸筛分机制的膜过程，可使用经典的传质理论予以精确描述，而对于孔径在2nm以下的分离膜，如渗透汽化膜、反渗透膜、离子交换膜等，分离过程主要涉及与流体分子运动自由程相当的空间中的传质行为，即限域传质过程。对这类膜的限域传质机制认识尚不清晰，膜材料的制备尚处于经验摸索阶段。构建具有限域传质效应的分离膜，可望突破选择性和渗透性相互博弈的瓶颈，推动分离科学与工程的理论创新与技术进步。本项目针对基于限域传质机制的分离膜精密构筑与高效过程，研究界面作用下流体混合物限域传质机制、具有限域传质效应的膜构建与调控等关键科学问题，建立流体限域传质理论模型，发展孔道精密构筑与调变方法，实现具有限域传质效应分离膜的制备与放大，并在溶剂脱水、盐水分离等重要化工过程取得应用，为具有原创性的节能减排重大工程应用奠定科学基础。一、科学目标采用模拟计算与实验研究相结合的方法，揭示流体限域传质规律，构建理论模型，为高效分离膜的构筑提供指导；研究具有限域传质效应的膜孔形成与精密调变机制，创制2-3种具有自主知识产权的2新型分离膜，突破选择性和渗透性的博弈效应；研究相关分离膜的规模化放大规律及其在渗透汽化、离子选择性分离等重要化工过程中的应用，创建2-3个工业化节能减排新技术，在化工分离领域形成一支高水平团队，提升我国化学工程学科的研究水平与国际影响力。二、研究内容围绕项目总体科学目标，针对关键科学问题，开展以下五个方面的研究。（一）分离膜中流体混合物的限域传质机制。结合模拟计算与实验表征，通过分析流体分子与固体壁面之间的相互作用，探明限域传质阻力，构建限域传质理论模型，研究分离膜中流体混合物的限域传质行为，揭示膜孔结构的共性特征，建立在外场作用下具有限域效应的几何尺寸、表面性质与膜性能的定量关系。（二）离子响应性分离膜限域结构的构筑与调控。构建具有离子响应特性的新型分离膜，研究膜内限域结构的环境响应特性及其传质效应，揭示限域结构和环境响应性对离子传输行为的影响规律，研究离子选择性传输及分离的过程机理和强化途径，创制具有自主知识产权的离子响应性分离膜材料，建立高效离子响应性分离膜材料的设计准则和制备新方法。（三）分子选择型混合基质膜限域结构形成机制与调变。研究混合基质膜限域结构的构筑方法、形成机理与调变规律，考察分子混合物在限域结构中的选择性传递与分离行为，阐明膜亲疏水特性、自由体积特性及界面形态对限域传质过程的影响因素，建立克服膜渗透性和选择性博弈效应的新方法与理论，创建具有自主知识产权的分子选择型混合基质膜材料。（四）一/二价离子选择性分离膜的制备与应用基础。研究具有限域效应的一/二价离子分离膜结构形成机理，揭示膜3的限域结构与离子选择性的关系，阐明离子在膜表面的分配和主体相的扩散机理，建立限域结构中离子膜过程传递模型，发展调控离子传递通道的新方法，实现一/二价离子分离膜的精密构筑，建立离子选择性分离膜的规模化放大规律及其在盐水分离等过程中的应用。（五）渗透汽化膜的限域效应、制备与应用基础。研究具有限域传质效应的渗透汽化复合膜的成膜机制，研究分离层与基材的相互作用规律。探讨功能组分与基材的耦合方式与界面效应，研究水分子、溶剂分子在膜孔中的传质规律，建立渗透汽化膜的规模化放大规律及其在重要化工过程中的应用，创建工业化节能减排新技术，显著降低过程能耗。三、资助期限5年（2015年1月至2019年12月）四、资助经费2000万元五、申请注意事项（一）申请人应当认真阅读本项目指南和通告，不符合项目指南和通告的申请项目不予受理。（二）申请书的附注说明选择“基于限域传质机制的分离膜精密构筑与高效过程”（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理）。（三）本项目由化学科学部负责受理。