北理工團隊在滲透汽化醇/水分離傳質(zhì)機理研究領(lǐng)域取得重要進展
發(fā)布日期：2026-03-31 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
生物醇（乙醇、丁醇）燃料可作為化石燃料的有效替代與補充，主要通過從低濃度發(fā)酵液中分離醇類組分獲得。相較于精餾等傳統(tǒng)化工分離方法，膜法滲透汽化（PV）具有低能耗且不受醇/水溶液共沸限制的優(yōu)勢。目前，基于經(jīng)典溶解-擴散模型，可將PV過程的分離機理簡述為膜表面溶解、膜內(nèi)擴散及膜下游側(cè)汽化三個串聯(lián)步驟組成。然而，該模型忽略了膜分離過程中分子吸附行為、擴散模式以及分散形式等納米尺度信息，使得分子傳質(zhì)機理難以通過該模型精確描述。
近日，北京理工大學化學與化工學院趙之平教授團隊在國際頂級化工期刊AIChE Journal上發(fā)表題目為“A computational study on molecular transport mechanisms and models for alcohol recovery by polymer pervaporation membranes”的研究論文。北京理工大學為唯一通訊單位，趙之平教授和馮英楠副教授為本論文的共同通訊作者，化學與化工學院25屆博士畢業(yè)生李申輝為論文第一作者。
該研究通過分子動力學（MD）模擬方法在原子大小的空間尺度，探究了膜表面親疏水性對料液分子（醇、水分子）吸附性能的影響，可視化解析了膜孔道結(jié)構(gòu)對料液分子溶解、擴散行為的作用機制，并提出了一個定量比較PV和精餾分離性能的數(shù)學模型?；谄胶釳D模擬，系統(tǒng)表征了醇水溶液在9種親疏水性各異的聚合物膜表面的吸附行為。通過對比接觸角與表面能的實驗數(shù)據(jù)，驗證了所構(gòu)建聚合物膜模型在描述表面親疏水性方面的可靠性。明確料液-疏水膜界面的醇濃度僅略低于氣-液平衡值，且親水基團會降低界面醇富集程度，這說明表面改性對提升醇選擇性的作用有限（圖1）。不同疏水性的膜中，醇在料液-膜界面和氣-液界面的濃度均相近，且接近于其在水溶液中的活度。料液分子在疏水膜中溶解度較低且對膜孔結(jié)構(gòu)影響甚微（圖2）。定量分析了典型膜中溶劑的溶解度、氫鍵耦合概率與擴散系數(shù)，證實低溶解度下溶劑分子主要以單分散態(tài)存在、擴散系數(shù)基本不依賴溶解度（圖3）?；谏鲜鲈訉用娴臋C理認識，進一步將影響PV/精餾過程分離因子/相對揮發(fā)度的關(guān)鍵因素量化為可直接比較的系數(shù)，采用K系數(shù)與ΔK系數(shù)量化對比滲透汽化與精餾的分離能力，清晰闡明不同聚合物膜分離因子高于或低于相對揮發(fā)度的內(nèi)在原因（圖4）。
圖1 膜親疏水性對料液吸附行為的影響：（A）MD模擬模型及各種聚合物單體的化學結(jié)構(gòu)；（B）所得的表面自由能和接觸角與實驗值的對比；（C）溶液-膜界面處醇密度與溶液主體中醇密度之比的空間分布曲線；（D）溶液-膜界面處的醇濃度；（E-F）不同料液濃度溶液-膜界面處的醇濃度。（E）乙醇；（F）丁醇。
圖2 料液分子膜內(nèi)傳質(zhì)行為的非平衡MD模擬：（A）MD模擬模型快照；（B）膜內(nèi)溶解度分布；（C）膜溶脹前后孔徑分布；（D）溶脹后膜孔道的可視化
圖3 料液分子分散形式和擴散系數(shù)的模擬：（A）熱力學循環(huán)法示意圖；（B）313K下5wt%醇水溶液的溶解度；（C）膜內(nèi)料液分子的氫鍵耦合示意圖；（D）料液分子的耦合概率；（E）料液分子溶解度對擴散系數(shù)的影響
圖4 PV和精餾分離性能影響因素的量化（K系數(shù)）：（A）飽和蒸氣壓K系數(shù)、活度K系數(shù)、濃差極化K系數(shù)、以及分子質(zhì)量K系數(shù)；（B）擴散K系數(shù)、溶解K系數(shù)、以及PV和精餾K系數(shù)之差
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/aic.70346
附作者簡介：
趙之平，北京理工大學化學與化工學院教授，先進功能膜與膜過程團隊負責人。兼任北京膜學會副理事長、《Advanced Membranes》和《膜科學與技術(shù)》編委等。作為帶頭人獲“全國石油和化工教育優(yōu)秀教學團隊”稱號（2021），作為主持人獲“全國石油和化工教育優(yōu)秀教學成果二等獎”（2022），作為第一完成人獲“中國化工學會科學技術(shù)獎一等獎”（2023）。以生物質(zhì)、揮發(fā)性有機物（VOCs）等為研究對象，以生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化與分離以及水、氣高效處理為目標，長期從事新型功能膜材料設(shè)計與制備、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與分離過程、新型膜反應(yīng)器設(shè)計與開發(fā)，以及相關(guān)應(yīng)用示范等方面的研究。作為項目負責人，先后主持國家自然科學基金重點/面上項目、國家重點研發(fā)計劃課題和省部級項目等10余項；在Science，Nat. Commun.，AIChE J.，J. Membr. Sci.，Chem. Eng. J.，Small，Chem. Eng. Sci.，Ind. & Eng. Chem. Res.，Sep. & Purif. Tech.和Desalination等國際頂級期刊累計發(fā)表SCI收錄論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專利20余項。
馮英楠，北京理工大學化學與化工學院長聘副教授。從事高性能有機膜制備及應(yīng)用研究，包括成膜機理探究、膜結(jié)構(gòu)調(diào)控及表面性質(zhì)調(diào)變以及超浸潤膜設(shè)計制備與應(yīng)用等研究方向。主持國家自然科學基金青年項目等科研項目4項，入選北京市科技新星計劃，作為項目骨干參與多項國家級項目及企業(yè)合作項目。在Science，Sci. Adv.，J. Membr. Sci.等期刊發(fā)表學術(shù)論文30余篇，主編出版英文專著一部。
李申輝，2018年9月起在北京理工大學化學工程專業(yè)攻讀碩士學位，師從趙之平教授，2021年9月起在北京理工大學化學工程與技術(shù)學科攻讀博士學位。研究方向為膜材料設(shè)計和膜分離機理的分子模擬，以第一/共一作者在Science，Nat. Commun.，AIChE J等國際頂級期刊發(fā)表文章3篇，合作發(fā)表SCI收錄論文24篇。
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