孫宏偉，張國俊

（國家自然科學基金委員會化學科學部，北京 100085）

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行業(yè)動態(tài)

化工學科發(fā)展態(tài)勢及重大基金項目成果介紹

孫宏偉，張國俊

（國家自然科學基金委員會化學科學部，北京 100085）

化學工程是一門應用背景較強的學科，與國民經濟息息相關。它以化學的各個分支為學科基礎，具有鮮明的多學科交叉特性，研究體系日益擴大，涵蓋了從分子→聚集體→界面→單元過程→多元過程→工廠→工業(yè)園→生態(tài)環(huán)境的全過程?；瘜W工程旨在揭示化工、冶金、能源、石油、材料、食品和制藥等領域的工藝、工程中的物質及能量轉化的過程，傳統(tǒng)上主要靠經驗逐級放大來實現(xiàn)，基礎研究缺乏，不僅具有周期長、費用高、效果差等不足，而且實驗值往往遠小于理論值，因此改變傳統(tǒng)的研究方法和思路，從工藝的條件探索向解決關鍵科學問題轉型，實現(xiàn)從基礎研究到工業(yè)應用貫通式研究勢在必行。基于此，國家自然科學基金委員會化學工程學科以面向國家重大戰(zhàn)略需求、引領化工學科基礎研究前沿、推動多學科交叉發(fā)展、保持化工學科特色為目的，凝練了化學工程學科的前沿和主要發(fā)展方向：①從總體性質測量和關聯(lián)轉向對多尺度問題的觀測和模擬，并注重研究強化和放大的科學規(guī)律；②從常規(guī)系統(tǒng)的研究拓展到非常規(guī)、極端過程的研究；③從化學加工工程拓展到化學產品工程；④從附加增值改進研究轉向對新概念和新體系的探索性研究和開拓。在此基礎上先后資助了“化工過程中的時空多尺度結構及效應”；“典型有機化工過程的傳遞與反應協(xié)同機制及強化”；“工業(yè)生物催化劑的代謝反應機制與相關構建的研究”；“限域傳質機制膜的精密構筑與高效分離”4個重大研究項目，取得了可喜的研究成果，現(xiàn)簡要介紹如下。

1　化工過程中的時空多尺度結構及效應

近年來，多尺度效應及關聯(lián)成為解決化工問題的科學方法，系統(tǒng)集成及計算技術成為求解化工復雜體系的有效工具。傳統(tǒng)化工過程的研究主要以反應總體性質的測量和關聯(lián)為主，而物質轉化過程的核心是化學反應，多尺度結構的出現(xiàn)使反應和傳遞的預測十分困難。為此，掌握物質轉化過程中多尺度結構的形成機制，不同尺度結構間的關聯(lián)及其隨時空演變的規(guī)律，對化工過程中的關鍵科學問題理解、對化工過程實施定量調控具有重要意義。

化工學科設立了“化工過程中的時空多尺度結構及效應”重大研究項目（2004.11—2009.02），以化工過程多相反應系統(tǒng)中的時空多尺度結構為研究對象，應用多尺度方法，研究不同尺度現(xiàn)象的相互關聯(lián)、控制機制之間的協(xié)調、空間多尺度結構與時間多尺度變化之間的耦合及結構突變和演變的規(guī)律，從而闡明多尺度結構形成的機理、穩(wěn)定性條件及其對傳遞和反應的影響。針對化工過程中的典型的工業(yè)技術，在解決實際問題的同時，建立以結構量化為核心的新一代設計計算方法，取得重要研究進展如下。

1.1 復雜系統(tǒng)范例

研究了氣、液、固3種介質相互協(xié)調的規(guī)律，建立了這種協(xié)調在壁面影響下出現(xiàn)徑向分布的機理模型，并獲得了實驗證明。以微、介觀尺度結構及其反應和傳遞性質為重點，以基本測量理論為基礎，以分子模擬為手段，研究了微介觀尺度表面結構及其時空變化規(guī)律，并建立了相應的理論模型。完善“擬顆?！蹦Ｐ?，在計算規(guī)模和精度上達到國際前沿水平。首次從直觀物理圖像驗證了EMMS模型關于固體和流體兩種極值趨勢的假設，驗證了其穩(wěn)定性條件的正確性。在此基礎上，通過對單相湍流、氣液鼓泡湍流、顆粒流、乳液體系、微流動和泡沫等體系的研究發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律，即復雜系統(tǒng)中的多尺度結構由多種機制的相互作用造成，而各控制機制由極值條件所表達。

1.2 計算方法與多尺度方法學

對氣固兩相復雜流動改進EMMS模型，成功應用于模擬循環(huán)流化床兩相流動的動態(tài)結構演變，由此可以動態(tài)模擬捕捉到對循環(huán)流化床穩(wěn)定操作具有重大意義的“噎塞”現(xiàn)象，確定循環(huán)床內的流域轉變，得到本征相圖和表觀相圖。相關研究已成功應用于中國石化、中國石油和阿爾斯通等公司的技術開發(fā)中。

基于完整的液滴內外的流動、傳遞過程的機理方程，建立了Marangoni效應發(fā)生、發(fā)展的數(shù)學模型。模擬為Marangoni效應的宏觀調控提供了理論依據。在兩液層體系中進行了表面活性劑存在下的Marangoni效應的數(shù)值模擬，考察了表面活性劑促進或抑制Marangoni效應的機理。在膠體微乳液體系中，考察了預分散液-液萃取體系的制備、穩(wěn)定性和液-液相間傳質速率，發(fā)現(xiàn)在微米尺度的液液體系中很難出現(xiàn)Marangoni效應，提出的擴散傳質數(shù)學模型能很好地解釋表面活性劑對相間傳質的影響。用CCD、紋影照相法實驗研究液滴Marangoni效應，以及表面活性劑的影響，實驗積累了大量有價值的數(shù)據，揭示了調控原則。

完成了甲烷和乙烯等氣體在含典型表面活性劑水溶液中的界面張力測定。發(fā)現(xiàn)氣體分子在膠束中的存在可以起到穩(wěn)定膠束的作用，并因為壓力的升高使氣體在膠束中的溶解度增大，使臨界膠束濃度隨壓力的升高而降低。系統(tǒng)研究了多孔活性碳中水合物生成的動力學行為，發(fā)現(xiàn)多孔介質的存在能顯著提高水合物的生成速度和儲氣率，但生成壓力有一定升高。基于實驗研究，提出了水合物在多孔介質中生成的動力學機理模型。確定氣體通過液膜達到水合物表面的傳質過程為控制步驟，由此建立了生成動力學方程。目前已建成水合分離氣體混合物和儲存氣體的中試實驗裝置，并完成中試實驗。

在聚合物多尺度結構的形成機理研究方面，建立了基于狀態(tài)方程的動態(tài)密度泛函理論（EOS-DDFT）。核心是將關聯(lián)宏觀體系的PVT實驗所得的能量相互作用參數(shù)引入到介觀結構的模擬中去，使模擬結果能夠反映出實際物系的特性。此外，該理論還能反映壓力對介觀結構的影響。目前，該理論已經被成功地應用于研究嵌段共聚物、均聚物的共混物等體系的介觀結構及其動態(tài)演化過程；建立了格子密度泛函理論，能有效地研究高分子溶液在壁面附近的分布；發(fā)現(xiàn)表面活性劑尤其是Gemini表面活性劑的水溶液可作為軟基底，能誘導嵌段共聚物溶液形成結構有序的膜材料。

1.3 多尺度方法在工業(yè)過程中的應用

針對催化裂化過程，深入研究與定量掌握了雙氣固流態(tài)化反應過程直接耦合條件下的多尺度時空結構及其效應，認識了多元顆粒的混合、流動、傳熱、燒焦反應和分離規(guī)律及雙氣固流態(tài)化反應過程的調控與優(yōu)化集成，成功開發(fā)了大差異多元顆粒氣固流化床設備。催化裂化汽油輔助反應器改質降烯烴技術的開發(fā)和應用獲得了國家科技進步二等獎和中國石油和化學工業(yè)協(xié)會科技進步一等獎。

在等離子體強化物質轉化相關的時空多尺度結構及其效應方面，通過簡單的等離子體制備改性，優(yōu)化了金屬活性組分與載體相互作用，提高了催化劑酸性、活性組分分散性和穩(wěn)定性，獲得了低溫活性。由此開發(fā)的清潔油品高效催化劑已應用于常溫或低溫下高效直接轉化甲烷制備低碳烴或其他高附加值化學品。非氫等離子體室溫下還原貴重金屬催化劑方面的研究工作得到國際同行好評。它避免了使用化學還原劑，并且具有很好的分散性，在儲氫與燃料電池催化劑方面有重要應用。在國際上首次證明等離子體還原制備的鉑碳材料能大大提高儲氫能力（提高了3倍）。美國Michigan大學、意大利Bari大學已經成套引進依托該項目開發(fā)的等離子體催化劑制備裝置。

針對多相聚合反應體系的時空多尺度結構方面，用聲發(fā)射技術表征流場流區(qū)的變化規(guī)律，獲得了較好的效果。成功采用NMR測量小分子在高分子顆?？左w系中的擴散系數(shù)，通過NMR發(fā)現(xiàn)了更有意義的高分子結晶體的界面相及其和材料使用性能之間的關系，進一步發(fā)展了聚合反應體系中靜電的實驗表征方法、Raman光譜原位表征聚合物性能的多尺度結構參數(shù)的方法。通過提供聲發(fā)射流型測定的技術支持以及多尺度結構分析，成功篩選出了最佳的流型流區(qū)組合方式。運用該技術和理論指導，揚子石化塑料廠成功將現(xiàn)有的14萬噸/年HDPE生產裝置的生產能力提高到21萬噸/年HDPE，工業(yè)試驗取得了成功，并獲得中國石化集團公司科技進步二等獎。開發(fā)了面向乙烯氣相聚合過程的信息提取與融合的過程監(jiān)控軟件包（PPM&C v1.0），包括軟儀表類模塊、過程運行分析模塊、生產操作專家系統(tǒng)模塊和系統(tǒng)維護模塊四大類、共17個功能模塊，中國石化已完成在其下屬的6家企業(yè)的生產裝置上進行整體推廣。

圍繞微尺度化工系統(tǒng)內的流動、混合與傳遞特性以及工業(yè)規(guī)模的微反應系統(tǒng)的加工、封裝、集成等多個層次開展了基礎和應用基礎研究。完成了1m3/h的甲醇自熱重整制氫系統(tǒng)（包括甲醇氧化重整、CO選擇氧化、燃燒/汽化一體化等子系統(tǒng)）的研制，并提供了兩套給高校教學實驗用；與示范基地——湖南岳陽長嶺催化劑廠密切合作，結合廠方所提出的生產設計要求，設計組裝了處理能力為10萬噸/年的液氨配制氨水的微混合系統(tǒng)（包括微混合器和微換熱器），已完成了試運行，各項性能指標滿足廠方要求，首次完成了具有工業(yè)規(guī)模的微化工技術的實際應用。

2　典型有機化工過程的傳遞與反應協(xié)同機制及強化

有機化工是化學工業(yè)的主導產業(yè)，氧化、磺化等典型的“官能化”反應是有機化工生產的關鍵過程，涉及氣、液、固多相復雜體系內的快速反應，通常受分子混合、傳遞或化學平衡的限制，對反應速率與傳遞過程的匹配性有嚴格的要求。由于對反應與傳遞協(xié)同機理的認識不足，特別是對微納尺度上的傳遞和混合機制缺乏科學認識，難以選擇合適的調控手段，造成工業(yè)反應選擇性低和收率低等問題，導致高能耗、高污染、高物耗，使有機化工成為我國“節(jié)能減排”的重點領域。為此，化工學科設立了重大項目“典型有機化工過程的傳遞與反應協(xié)同機制及強化”（2010.01—2013.12），圍繞典型有機“官能化”快反應體系的傳遞與反應協(xié)同機制及強化的關鍵科學問題，以提高反應選擇性和收率、減少能耗和物耗并從源頭上減少或消除污染為目標，采用非常規(guī)外場強化等手段，開展了從宏觀到微觀尺度的物質傳遞與反應過程協(xié)同性的理論和實驗研究，形成超重力、微納結構膜、等離子體等強化與調控的關鍵技術與新工藝，為原創(chuàng)性的“節(jié)能減排”重大工程應用奠定了科學理論基礎，是從基礎研究到工業(yè)應用貫通式研究的成功案例。

本項目設置了4個課題，分別研究了傳遞與反應的協(xié)同強化基礎理論和非常規(guī)強化方法與關鍵技術，構建了含液相多相體系的微納尺度流動、混合、傳遞、反應過程的多尺度理論模型，建立了超重力非連續(xù)介質混合反應、反應與膜分離過程耦合等非常規(guī)強化反應器模型，提出了從微納到宏觀反應器尺度的高效數(shù)值計算方法，闡明了超重力、等離子體、新結構膜等外場和介質作用下的混合/傳遞與反應協(xié)同和調控原理，有力推進了反應工程學科在微納尺度混合/傳遞與反應機制上的科學認識，為推動分子反應工程學的創(chuàng)立與發(fā)展奠定了一定基礎。

通過基礎研究，對化工多尺度混合/傳遞行為及其與化學反應過程協(xié)調的機理有了較深入的科學認識，闡明了反應裝置內的微觀混合過程與反應體系的分子反應過程相匹配是實現(xiàn)化工過程強化的根本機制；提出了微觀混合過程與分子反應過程相匹配的判據，即微觀混合特征時間（τM）與反應特征時間（τR）應該協(xié)調。當τM＜τR時，為化學受限過程，即過程的總體速度受化學反應速度的控制，此時需要采用催化或者等離子體等技術來強化其化學反應動力學；當τM＞τR時，為物理受限過程，即過程的總體速度受物理混合/傳遞速度的控制，此時需要采用新型裝備技術以強化其物理輸運（傳遞）過程，如圖1所示。進一步分析了不同反應器內的微觀混合時間差異及其隨流體速度的變化關系，提出了根據反應特征時間確定能夠實現(xiàn)“傳遞/反應協(xié)同”的反應器與操作條件的新方法，即通過繪制反應器的傳遞/反應協(xié)同“操作曲線圖”（圖2），可根據反應特征時間確定協(xié)同區(qū)域，進而篩選反應器類型與確定操作條件，實現(xiàn)“傳遞/反應協(xié)同”。

圖1 反應特征時間與微觀混合時間關系圖

圖2 傳遞/反應協(xié)同“操作曲線”示意圖

在基礎研究指導下，提出了超重力強化、組合強化、等離子體強化、新結構膜強化等新工藝，并分別成功應用于包括100萬噸/年超重力二苯甲烷二異氰酸酯（MDI）縮合、12萬噸/年己內酰胺、10萬噸/年環(huán)己酮肟催化反應-陶瓷膜分離耦合等在內的十余條工業(yè)生產線中，取得了顯著的過程節(jié)能、降耗與減排效果。例如，超重力技術成功應用于寧波萬華聚氨酯有限公司等MDI的生產過程，技術應用后使其產能從16萬噸/年提高到30萬噸/年，噸產品能耗下降30%，產品雜質顯著下降，使產品質量步入國際領先水平行列，技術推廣應用后MDI總產能達到100萬噸/年，技術獲美歐日等國專利授權，成為國際首創(chuàng)的新工藝技術?？梢灶A見，通過本項目的基礎研究和帶來的化工技術進步，將可顯著降低化學工業(yè)生產中的能耗、物耗和污染物的排放。

3　工業(yè)生物催化劑的代謝反應機制與相關構建

在面臨著資源危機、能源枯竭的今天，如何解決對化石資源的依賴，使工業(yè)基礎原料和能源向可再生的生物質路線轉變，是實現(xiàn)我國經濟可持續(xù)發(fā)展、事關我國國家安全的重大戰(zhàn)略問題。生物化工有望實現(xiàn)化石原料替代和化工過程替代，是節(jié)能、降耗、減排的最有效的途徑之一。大量的生物質資源經過一系列的生化反應，可以制備出替代石油化工原料的平臺化合物體系，甚至部分化工難以合成的化合物，從而使化學品生產不再依賴于石油資源。

然而目前對輔因子代謝如何影響細胞的轉錄翻譯以及對途徑內、途徑間以及細胞內部不同空間的物質代謝的影響大小缺乏科學認識和預測，嚴重阻礙了工業(yè)生物催化的發(fā)展。在輔因子代謝調控體系構建與表征方面缺乏系統(tǒng)的方法，對輔因子代謝與碳物質代謝的適配優(yōu)化上缺乏精確調控。針對以上問題，化工學科設立了重大項目“工業(yè)生物催化劑的代謝反應機制與相關構建研究”（2014.01—2018.12），以“輔因子與物質代謝的調控機制研究”與“高效生物催化劑的構建與優(yōu)化”兩個關鍵科學問題為核心，開展“新一代代謝網絡模型的構建與最優(yōu)途徑的設計”；“輔因子對基因轉錄表達和代謝流調控的作用機制”；“輔因子代謝調控體系的構建與表征”與“物質代謝與輔因子代謝的適配與優(yōu)化”4個課題的研究，取得的創(chuàng)新成果如下。

（1）構建了基于基因組尺度的復合代謝集成網絡計算模型，并將其用于產品的最優(yōu)途徑模擬預測。在大腸桿菌網絡模型iJO1366基礎上構建了包括3071個反應的復合代謝網絡模型，對關鍵輔因子ATP和NADH最優(yōu)生成速率進行模擬和修正，并運用此模型對134種產品最優(yōu)得率進行計算及產品最優(yōu)途徑模擬預測。進一步在大腸桿菌集成網絡模型iMC1010v2中的布爾型轉錄調控網絡分別提取467個代謝基因和112個調控基因的布爾型調控關系，整合進大腸桿菌代謝網絡模型iJO1366中，構建出大腸桿菌基因組尺度整合計算模型iPL1478，進一步完善了新一代代謝網絡模型。

（2）發(fā)現(xiàn)了一批新的輔因子調控元件，構建和完善了（人工）輔因子元件模塊庫，解析了輔因子對基因轉錄表達和代謝流調控的作用機制。通過基因組分析，發(fā)現(xiàn)了一批新的輔因子代謝的相關基因，解析了輔因子對相關基因轉錄表達和代謝流調控的作用機制。構建和完善了輔因子代謝元件模塊庫，增加了輔因子轉換和再生相關元件，同時將輔因子相關元件擴展到了多個物種，相關元件模塊已經共享到數(shù)據庫（www.synbioml.org） 。進一步通過在分子水平層面設計、合成、開發(fā)新型高效廉價易得的系列人工輔因子庫，實現(xiàn)酶的輔因子重構，解決生物催化氧化還原體系受昂貴的輔因子限制的局限性，為人工輔因子調控過程優(yōu)化和強化開辟新策略和新手段，同時為后續(xù)以輔因子代謝為核心的新一代代謝調控方法提供了新的工具。

（3）構建了以輔因子代謝為核心的新一代代謝調控方法，同時創(chuàng)立了一種高效的輔因子快速檢測手段。針對糖酵解中的代謝流量與胞內的ATP存在負線性相關，即ATP paradox現(xiàn)象，建立了可調控的能量ATP高效再生體系。研究了復雜生化反應體系中能量ATP對不同代謝途徑的碳代謝影響的作用機理，建立了工業(yè)環(huán)境下的能量ATP的高效耦聯(lián)和再生體系實現(xiàn)方法，為輔因子代謝為核心的新一代代謝調控方法提供了新的思路和方法。針對多酶催化葡萄糖和乳清酸生產胞磷膽堿的工藝，利用乙酰磷酸/乙酸激酶作為ATP供體，增加能量ATP供應，從而提高以胞苷酸激酶、核苷二磷酸激酶、磷酸膽堿胞苷酰轉移酶、膽堿激酶多酶催化CMP、氯化膽堿制備胞磷膽堿的效率；通過將轉錄組分析和蛋白質組分析密切結合，研究了環(huán)磷腺苷生物合成途徑中多個涉及輔因子轉化的基因，通過關鍵基因的異源表達，實現(xiàn)了環(huán)磷腺苷的高效生物催化合成；利用拉曼光譜法實現(xiàn)了對ATP、ADP分別定性和定量檢測以及對其混合物的混合比例的檢測。利用酶促反應開發(fā)了NADH的間接檢測法，優(yōu)化了最佳色原，實現(xiàn)對NADH的定量檢測。ATP、ADP、NADH作為生物反應過程中的重要能量物質，實現(xiàn)其定量檢測為后續(xù)進一步研究能量代謝和物質代謝的耦合規(guī)律提供了方法基礎。

（4）首次建立了基于新型有機小分子介導的輔因子高效再生方法。在理性設計、修飾改造天然輔因子的基礎之上，首次構建了基于有機小分子介導，以空氣為終端氧源，無需輔酶與金屬助催化條件下，氧化型輔因子的綠色高效再生方法，構建了新型高效生物催化與化學催化協(xié)同催化再生體系，揭示了再生過程中酶催化與有機小分子催化體系相結合的多相催化動態(tài)、循環(huán)物流協(xié)同組合優(yōu)化效應及過程集成，為天然及人工輔因子的綠色高效再生開辟了新策略和新手段。

4　基于限域傳質機制的分離膜精密構筑與高效過程

面向水資源、能源、環(huán)境和傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級等國家重大需求，分離技術的進步對于化學工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。膜分離作為新型的分離技術，具有高效、節(jié)能等優(yōu)勢，已在多個領域得到廣泛應用。對于超濾、微濾等基于大孔介質尺寸篩分機制的膜過程，可使用經典的傳質理論予以精確描述。而對于滲透汽化、氣體分離、反滲透以及電滲析等膜過程，分離過程主要涉及與流體分子運動自由程相當?shù)目臻g中的傳質行為，即限域傳質，目前對其機理的認識不清晰，相關膜材料的制備也尚處于經驗摸索階段。

“基于限域傳質機制的分離膜精密構筑與高效過程”（2015.01—2019.12）重大研究項目圍繞“界面作用下流體混合物的限域傳質機制”、“具有限域效應的膜孔微結構形成機理及調變規(guī)律”等關鍵科學問題，從基礎理論、精密構筑及工程應用三方面對離子選擇性和分子選擇性限域傳質分離膜開展研究。結合模擬計算與實驗研究，揭示流體限域傳質規(guī)律，構建限域傳質理論模型，研究具有限域傳質效應的膜孔形成與精密調變機制，研究相關分離膜的規(guī)?；糯笠?guī)律及其在溶劑脫水和鹽水分離等重要化工過程中的應用，為具有原創(chuàng)性的節(jié)能減排重大工程應用奠定科學基礎。該重大項目2015年開始執(zhí)行，目前已取得了一定研究進展。

（1）在限域傳質基礎理論方面，提出了限域條件下傳質過程建模的新思路，并利用AFM建立了基于分子之間相互作用的液固摩擦阻力模型。目前化工領域廣泛應用的各種經典模型，其本質是平衡態(tài)與動力學過程的耦合，未充分考慮界面的影響。利用線性化的非平衡熱力學進行描述，將該模型應用描述離子液體支撐體膜氣體吸收過程，通過建模關聯(lián)了膜通量與阻力，證實了該模型框架可有效確定限域傳質過程的阻力控制部分和強化方案，克服了原有模型的不足。采用量綱分析法和對應狀態(tài)原理，發(fā)現(xiàn)影響摩擦系數(shù)的主要參數(shù)（結構黏附參數(shù)，β=ρsΔsσls2），由此線性定量關聯(lián)了液固摩擦阻力與分子間相互作用（μ=0.0079β）。對介尺度方法進行探索：即用較小尺度分子之間相互作用描述較大尺度的AFM實驗得到的黏附力，發(fā)現(xiàn)黏附力隨著β的的增加而增加，如圖3。該研究從分子水平研究了流體在固體壁面上流動阻力的主要因素和定量關系，為限域膜的傳質建模提供了理論基礎。

圖3 利用AFM建立基于分子之間相互作用的液固摩擦阻力模型

（2）在限域效應膜精密構筑方面，開發(fā)了基于石墨烯材料和高分子-無機混合基質材料的離子、分子選擇性分離膜。構建了微孔的活化氮摻雜石墨烯限域結構，通過石墨泡沫的三維連續(xù)網絡結構及活化氮摻雜石墨烯層的多孔結構，突破了電解液浸潤和鋰離子遷移嵌入的瓶頸問題，有效降低了離子遷移距離，強化了離子傳輸過程。開發(fā)了具有快速水通道和氣體通道的氧化石墨烯膜，研究了其中的限域傳質效應。基于氧化石墨烯和高分子材料的氫鍵組裝制備出具有氧化石墨烯層狀結構的高性能二氧化碳分離膜，突破了目前氣體分離膜滲透性和選擇性的Trade-off限制；耦合親水性高分子材料優(yōu)異的捕集水分子能力及氧化石墨烯通道中水分子快速擴散的能力，在氧化石墨烯膜表面通過真空抽吸構建納米級超薄高分子層，實現(xiàn)了尺寸篩分和溶解-擴散機理的協(xié)同強化，用于水/丁醇分離，分離因子相比于純氧化石墨烯膜提高6倍。基于超薄二維材料——石墨相氮化碳納米片（CNs）實現(xiàn)了混合基質膜限域結構的精密構筑。高分子-無機兩相間較強的界面作用優(yōu)化了膜主體及高分子-無機界面結構。CNs較高的孔隙率及均一的孔徑分布提供了較強的尺寸篩分功能，構建了水分子和乙醇分子不同的限域傳質通道。

（3）在限域效應膜工程應用方面，透水型中空纖維分子篩膜和一/二價離子選擇性分離膜已進入中試試驗探索階段，并取得階段性成果。研制出高強度四通道陶瓷中空纖維支撐體，并合成出高性能NaA分子篩膜，其通量是管式膜的3倍以上，目前已實現(xiàn)了規(guī)?；a，并開發(fā)出適合工業(yè)應用的中空纖維膜組件。所制備的一/二價離子選擇性分離膜具有較高的H+通量，H+/Zn2+（Fe2+, Al3+）選擇性達1000以上，而傳統(tǒng)擴散滲析膜的選擇性在50以下。同時，將納濾膜與電滲析技術相結合，提出了一種新的用于一/多價離子選擇性分離的電納濾裝置。該技術可同時兼具電滲析技術及納濾技術的優(yōu)點，即能耗較低，可實現(xiàn)一/多價離子的選擇性分離，同時達到對溶液的濃縮與淡化。實現(xiàn)了對二價金屬離子（Zn2+、Mg2+）的高效截留，及較高的選擇性（H+/Zn2+＞300，Na+/Mg2+＞7）。兩種體系下膜的通量及選擇性均較商業(yè)一/二價陽離子選擇性分離膜（CSO）高，同時實現(xiàn)了較低的膜面電阻及較高的極限電流密度。

5　思考與建議

（1）隨著科學技術飛速發(fā)展，通過計算模擬和大數(shù)據分析等方法實現(xiàn)多學科交叉研究，突破傳統(tǒng)化工研究模式，鼓勵開展從基礎研究到工業(yè)應用的貫通式研究模式，為豐富化工學科內涵，推動學科跨越式發(fā)展，獲得一批具有真正原創(chuàng)性的重要成果。

（2）重大項目面向國家經濟、社會可持續(xù)發(fā)展和科技發(fā)展的重大需求，選擇具有戰(zhàn)略意義的關鍵科學問題，匯集創(chuàng)新力量，開展多學科綜合研究和學科交叉研究，充分發(fā)揮導向和帶動作用，進一步提升我國基礎研究源頭創(chuàng)新能力。各分支學科應積極思考，凝練本領域有共性的重大科學問題，既要面向國家重大戰(zhàn)略需求，又要具有化工特色，集中優(yōu)勢隊伍，集體攻關，在重要化工方向上取得突破。

致謝 感謝項目負責人——李靜海、陳建峰、歐陽平凱、徐南平在項目管理、執(zhí)行過程以及對本學科發(fā)展所做出的貢獻。感謝葛尉、文利雄、楊超、應漢杰、陸小華、金萬勤、汪勇、趙靜等提供并核對本文中相關研究成果、數(shù)據。