973项目申报书——20xxcb623400-面向应用过程的膜材料设计与制备基础研究

973项目申报书——20xxcb623400-面向应用过程的膜材料设计与制备基础研究内容摘要：

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：， 脱盐率： %（盐浓度： 2020mg/L, 操作压力： ） ； 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： ％ 课题 0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 14 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 2～ 3 种，纳滤膜 2～ 3 种，正渗透膜 1～ 2 种，并制备出具有孔径密度梯度分布结构的系列支撑膜 3～ 4 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， ， 25℃ )： NaCl 截留率 8090%， 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， ， 25℃ )： NaCl 截留率 2030%， COD 脱除率 ≥90%，水通量≥50L/(m2•h)；正渗透膜的分离性能： NaCl 截留 率 ≥%，水通 量 1520L/(m2h)。 超滤膜：水通量大于 1000 L/m2·h·， 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： ％ 15 课题 0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 MaxwellStefan 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： ％ 16 课题 0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、 17 液化气脱硫 渗透汽化分离膜， 渗透通量（汽油）≥ 、分离系数≥ 12；渗透通量（ 液化气） ≥ 100L(STP)/，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： ％ 课题 0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 18 件（ HYSYS、 PROⅡ 、 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 3～ 5 种抗塑化 高性能分离膜材料 ： CO2 渗透系数≥401010cm3 (STP) .cm /， 气体选择性 αCO2/N2≥50， αCO2/H2≥5；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： ≥。 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： ％ 课题 0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。