国家级一流课程膜分离基础的建设与改革探索

为培养知识、能力和素质全面发展的科技创新人才,膜分离基础课程教学团队以科研成果和学科发展前沿为导向,通过科教融合设计模块化课程内容,增加课程的基础性、创新性和实效性;建设工程化科研成果案例、先进性教材,实现课程资源的开放共享;建设国际化师资采用两层次、多维度的教学方法,提高课堂教学效果和课程学习的挑战度;实施多元化过程考核方式,完善课程评价体系,注重学习全过程监管。膜分离基础课程形成了“立德树人、科研引导、创新思维”的特色教学模式。     

分子添加剂和材料表面改性调控病理矿化的研究进展

当生物体内环境偏离正常范围,或调控矿化过程的大分子无法发挥功能时,过饱和的矿物质在组织表面成核并生长,或从体液中析出并附着组织表面,引发炎症、生理组织功能损坏和血管、尿管等堵塞。医疗长期植入物如何获得生物组织甚至超越生物组织的抗污染、抗结垢能力需要被重视。以上问题的解决亟需结晶热力学和界面晶体工程的研究,具有化学工程、材料科学和医学学科交叉的特点。本论文从改变体液环境和植入材料表面改性调控结晶的思路出发,介绍了病理性矿化机制,综述了病理矿化诱发的几种重要结石疾病的结晶调控方法,重点阐述了能够抑制病理矿化的小分子、大分子、纳米颗粒和聚合物表面抑制结晶机制以及设计开发策略。最后,总结了抑制病理矿化领域的主要问题,对抑制剂分子开发和生物防垢表面设计的发展提出展望。     

有机膜精确调控传质的新型溶析结晶及过程强化

溶析结晶是一种环保、高效的结晶方法，在温敏性、低溶解度物系的晶体生产领域具有不可替代的重要作用。但是，传统溶析结晶过程中溶液过饱和度的时空均一性差，传质调控为微米级尺度，容易爆发成核，是亟待解决的关键问题。本文提出利用聚醚砜（PES）中空纤维膜，为溶析剂与结晶溶液之间的传质提供均匀稳定的界面，实现结晶溶液与溶析剂的精确混合和结晶过程强化，开发了一种新型的溶析结晶传质调控技术。溶析剂在压力差驱动下均匀渗透通过有机膜，在结晶溶液一侧的膜外表面形成溶析剂液膜层，通过表面液膜的不断更新，将传统溶析结晶的毫米级宏观混合转变为亚微米级尺度的微观混合，实现过饱和度的均匀分布。同时，这层液膜的存在，避免了结晶溶液直接接触膜表面，有效地解决了异相成核附着导致膜污染的问题。实验中，对壳程流速做出周期性改变后，渗透通量可即时发生一致的线性响应变化，证实有机膜调控传质过程的精确性和灵敏性。PES膜重复使用多次后，渗透通量仍可以保持稳定。相比传统的滴加式溶析结晶，在相同的溶析剂传质速率下，有机膜调控过程制备的晶体产品，形貌更加规整、粒径分布更集中。因此，在溶析剂精确传质和抗污染方面，有机膜调控的溶析结晶过程均表现出良好的性能，为药物、大分子结晶的高效工业化制备开拓了新的思路。     

高效膜蒸馏结晶过程的研究进展

全球性的水资源短缺及环境污染问题，使得工业废水处理、海水淡化、高价值溶质综合利用的需求日益迫切。膜蒸馏结晶过程可以充分利用低品质热源，实现高纯度水溶剂分离、盐分结晶制备，对于实现分离过程零排放和协同增效有重要意义。同时，膜蒸馏结晶也可以与多级闪蒸，多效精馏、纳滤、正向渗透、反渗透等过程进行耦合，进一步提高整体分离效率。此外，该过程对于调控晶体外部形貌，制备晶体尺寸分布集中、流动性好的晶体产品也有积极作用。基于此，针对膜蒸馏结晶原理、过程调控机制以及创新过程应用几个方面开展论述，总结了膜蒸馏结晶技术在高效分离、结晶过程精准控制等领域的关键问题和发展趋势。     

化工原理国家精品在线开放课程的建设和开放

文章介绍了化工原理国家精品在线开放课程的建设思路和内容构建，并基于该课程的开放应用探讨了基于在线开放课程的教学模式改革，进而提出了持续建设课程的思路和计划。     

高浓度Na+//NO3-， SO42——H2O溶液的膜蒸馏结晶耦合过程调控

煤化工、含能材料等工业领域产生的富含硝酸盐、硫酸盐的高浓废水排放量巨大、环境危害严重。高浓度复合盐水低能耗处理的同时实现高品质结晶过程调控,已经成为一个重要的研究方向。针对典型的高浓度Na⁺//NO{}_{\mathrm{3}}^{-}, SO{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}-}-H₂O溶液体系,提出利用膜蒸馏结晶耦合技术处理,通过微孔膜界面调控目标盐分的成核能垒,有效控制了典型蒸发结晶过程中多元盐离子扩散差异、爆发成核,避免了形成空心、高杂质离子包藏的晶体,提升了结晶纯度和分离效率;同时,提出在膜蒸馏的优势分离区间内蒸发溶剂,然后再通过减压蒸发结晶的优化设计思路,降低了膜表面结垢和膜孔润湿风险,进一步提升了整个过程能量效率,提高了膜可重复利用率。研究为开发高浓度复合无机盐水处理技术提供了新思路。     

膜结晶处理高浓度Na+、Mg2+//Cl——H2O溶液的结晶调控

利用真空膜蒸馏-结晶耦合技术处理多元高盐废水(Na⁺、Mg²⁺//Cl^--H₂O),回收纯水和高品质NaCl晶体产品,考察不同操作温度和不同无机盐离子浓度对膜蒸馏性能和NaCl晶体产品性质调控作用。结果表明随着温度升高导致饱和蒸气压增大,增大了跨膜压差,膜的渗透通量逐渐升高;随着溶液中Mg²⁺浓度的逐渐升高,膜的渗透通量呈下降的趋势,主要是由于水的质量分数下降和溶液黏度增加;膜蒸馏过程中,通过对比实验,分析了疏水微孔膜表面在膜蒸馏操作条件下表面晶体颗粒沉积的程度,证实了使用的中空纤维膜性能稳定,重复使用20次后仍能保持稳定通量;操作温度为65℃时,不同离子浓度的饱和原料液(MgCl₂质量占NaCl和MgCl₂总质量的0%、5.0%和10.0%)得到NaCl晶体产品平均粒径分别为91.04、91.38和122.56 μm,粒度分布的变异系数C.V.值分别为28.78、30.63和36.77,粒径分布集中,表面相貌平整,呈完美的立方体形态,没有团聚现象;同时,膜蒸馏得到的水纯度较高,电导率均小于5 μS?m^-1,采用选择性溶剂乙醇洗涤后的NaCl晶体产品纯度均大于98.15%。综上,通过膜蒸馏过程中渗透通量和膜界面的有效调控,在适宜的操作温度和较低的Mg²⁺含量下,膜蒸馏结晶过程从多元高盐废水(Na⁺、Mg²⁺//Cl^--H₂O)控制分离获得纯度较高、表面形貌完好、粒度均一的NaCl晶体产品。这一研究将为综合治理多元无机高盐废水,实现废水的近零排放和无机盐资源回用开拓新的思路。     

微孔膜界面响应法对结晶介稳区宽度的精确测定

在膜蒸馏-结晶过程的基础上,根据膜选择性脱除溶剂、膜孔区域成核导致通量骤减的原理,开发了一种以微孔膜界面响应结晶成核的新方法,精确测定高浓度、低透光溶液的结晶介稳区宽度.采用微孔膜界面响应法分别探究了氯化钠、硝酸钾和氯化铜几种二元水溶液体系的成核生长过程,并完成介稳区宽度测定.结果表明,微孔膜界面响应法的通量衰减转折点总是早于激光法的光强信号转折点,随温度的升高,跨膜通量升高,介稳区宽度增大;对于低透光率溶液体系,激光法的光强信号极低,无法测定,而微孔膜界面响应法则可以完成相应体系的成核响应和数据测定.     

均匀水凝胶片层高效调控一水合尿酸钠晶习

结晶机理和晶习调控是结晶工程研究和应用的关键。例如,尿酸盐结晶对高尿酸血症引起的痛风的研究有重要意义。使用制造的仿生水凝胶材料控制结晶是一种新颖的方法,本文以聚丙烯（PP）膜作为基膜,使用紫外光交联法制备了8种不同聚合结构的水凝胶复合膜,优选了界面诱导结晶性能优异的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯-N-异丙基丙烯酰胺（PEGDA-NIPAM）水凝胶材料继续优化。综合分析NaCl液滴蒸发实验和水凝胶制备的可重复性,选用PEGDA-NIPAM（物质的量比2∶1）制备水凝胶切片（HGS）。该种HGS具有均匀表面、垂直结构,厚度、切片质量可通过面积进行直接量化制备。研究NaCl盐溶解吸附-结晶实验,表明制备的HGS拥有pH-温度混合的高效界面成核和浓度调控功能,可作为调控溶液结晶的功能微平台。将HGS引入二水合尿酸晶体与模拟体液的混合晶浆中,调控尿酸钠一水合物晶体（MSUM）的结晶过程和晶体形貌。结果表明,HGS的加入可以强化晶体转化过程,结晶时间由传统方法的72h缩短为水凝胶片层法的20h。同时,HGS还能促进晶体生长和晶体间团聚,能快速获得不同层级多尺度结构的晶体,形成与无HGS条件制备的晶体完全不同的全新晶习。本工作为揭示发展相关晶体的形貌控制方法提供了新的思路。     

膜分离耦合CO2电催化加氢制甲酸工艺的设计及模拟

CO₂对气候影响越来越严重,将其转化为甲酸能够同步实现资源化和碳减排。当前CO₂加氢制甲酸的研究主要在于寻找高性能催化剂,而过程设计对甲酸实现工业化也不可或缺,但是CO₂电催化加氢制甲酸的过程设计尚未见报道。利用主要成分为H₂和CO₂的天然气制氢变压吸附解吸气为原料,设计了气体膜分离耦合CO₂电催化加氢年产3万吨甲酸的工艺,并在Unisim Design流程模拟软件中进行了模拟。随后利用灵敏度分析法对反应器中膜电极面积、阴极电势、H₂膜面积、CO₂膜面积、精馏塔压力和回流比等参数进行优化,在最优方案下甲酸的单位质量成本为6.37 CNY/kg,比传统的Kemiral-Leonard（KL）工艺高31.88%,但是所提出的工艺可以实现减排3.33万吨/年的CO₂,具有重要的环境保护意义。最后通过成本分析,从反应器的寿命、成本和电价三个方面提出三种有效的解决方案,可以将甲酸生产成本降低到传统KL工艺的生产成本。