“新型高效分离过程”团队简介 （大连理工大学）1．研究特色

新型高效分离过程研究团队以国家重大需求为导向，结合辽宁省经济建设和化工产业结构的特点，从自身的科研和区位优势出发，针对石油化工、精细化工、食品、医药等产业中面临的高效分离过程及技术开发的关键共性问题和技术瓶颈，建立了新型高效分离材料创制和高效节能分离过程开发为核心的研究体系，重点解决化工分离过程能耗高、复杂体系分离难度大、高纯 /超纯化学品工业生产技术缺乏、多技术耦合分离过程设计难度大等理论和技术问题。团队经过 10余年的发展，围绕新型高效分离材料创制和过程开发，通过系

统的人才引进和培养，发展成为一个年轻、富有创造力的队伍。团队重视基础理论研究和创新，强调创新成果的转化及推广，充分利用“985”、“211”工程的高校平台、国家重点实验室、省工程技术研究中心在理论研究、技术研发和工艺集成开发的创新优势，建立产学研创新循环体系，抢占高效分离过程技术高地。近 5 年来，团队发表 SCI/EI 论文收录 180/232 篇，在 Adv. Mater.,J.

Membr. Sci., ChemSusChem, J. Mater. Chem., Chem. Eng. Sci., Ind. Eng. Chem. Res.

等化工、能源领域国际高水平期刊上发表论文 40余篇，他引 936次，申请/授权发明专利 53/42项。团队目前承担的科研项目包括国家“863”计划、国家杰出青年基金、国家

自然科学重点基金、欧盟第七框架计划项目和企业委托项目等，累计项目经费6500余万元，其中；申请/授权发明专利 53/42项，成果在 80余项工业项目中成功实施，累计节约能源折合标煤约 10万吨/年，减排 CO21000余万吨，创经济效益超过 8亿元/年，多项技术成果达到国际先进水平。荣获 2010 年国家科技进步二等奖、累计荣获省部级科研奖励 8 项。团队主要的学术成绩和创新点包括以下几点：

（1）新型高效分离材料创制：由于传统化工分离过程的能耗极高，分离效率和过程经济性都有待提高，

创制高效分离材料成为开发新型高效分离过程的首要研究内容。气体分离复合膜要求极薄的致密分离层（几微米）和与之匹配的多孔支撑层，其可控制备一直是研究难点。团队以传质规律为突破点，建立了涂层嵌入因子模型、涂层分子/支撑层匹配的传质模型等（图 1），量化了复合膜涂层分子量与支撑层缺陷孔径的匹配关系，成为制备高性能复合膜的指导性工具（J. Membr. Sci. 2011,

371, 141）；建立了离子液体支撑液膜受压形变模型，揭示了离子液体流失后分离性基本维持不变的原因( J. Membr. Sci., 2012, 411, 73)；通过研究气体临界温度vs.溶解选择性、临界体积 vs.扩散选择性等，建立了根据分离体系优选膜材料的理论。（Sep. Purif. Technol., 2014, 124, 89）

图 1 复合膜层的优化匹配模型示意图以此创新理论为基础，团队建立传递物质与膜的相互作用机理模型，揭示

了离子和水的传递行为，提出半互穿网络等制备方法，制备出高阻醇、耐溶胀的质子传导膜材料（Int. J. Hydrogen Energy 2011, 36, 2177; Chem. Eng. J., 2010,

156, 578）；利用小分子诱导离子簇自组装，实现了磺酸型质子交换膜的离子簇可控制备，通过离子簇的结构优化，所制备的非氟磺化聚醚醚酮膜在 80℃的质子传导率甚至超过了目前国际上商业化的全氟 Nafion膜（J. Membr. Sci., 2015,

479, 46; J. Power Sources, 2012, 218, 424；J. Polym. Sci. B: Polym. Phys., 2014, 52,

1107，内封面；ChemSuSChem,2015, 8, 288，内封面，图 2)。

31.47PD M 0.1 PD D D

高性能复合层分复合层分复合层分复合层分

分子量分子量 分子分子分子量分子量

图 2本团队在知名 SCI期刊发表的代表性封面（内封面）论文提出原位复合增强理论，采用聚四氟乙烯网络内原位聚合得到的复合季铵

膜具有强迫微相分离形貌和半互穿网结构，电导率高（室温下近 0.05 Scm−1），机械性能好（拉伸强度 30 MPa，断裂伸长率 27 %）（J. Mater. Chem. 2010, 20,

8139；J. Mater. Chem. 2011, 21, 12744）；设计制备了聚砜基咪唑盐碱性膜，率先实现了咪唑膜的非离子液体制备路线和装置应用（J. Mater. Chem. 2011, 21,

12744，ChemSusChem 2013, 6, 2290，图 3）。

图 3高性能双离子交联复合膜团队在这一领域的系列研究成果被 Chem. Rev., 2012, 112, 2780, IF=41.298和

Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 5768; 2012, 41, 2382; 2013, 42, 5768, IF=24.892等综述论文多次大篇幅引用（附件 2.2，2.3，2.4）；加拿大国家研究委员会首席研究官 Guiver 在其发表的文章中长篇评述（ J. Colloid Interface Sci.2013, 40,

193）。Int. J. Hydrogen Energy, 2012, 37, 5216 和 J. Power Sources, 2014, 250,

90 入选 ISI Web of Knowledge 的 Essential Science Indicators (ESI)数据库的高被引论文。（2）新型高效分离过程精确模拟与节能优化设计：不同结构的分离过程，分离效率差异显著，分离序列的优化设计和优势分

离区间分析是开发新型高效分离过程的前提。本项目建立了分析气体膜分离过程分离效率的热力学模型（见图 4），精确模拟了分离界面浓度极化现象和渗透侧返混导致的自由能损失及效率损失，提出渗透气的浓差混合是导致有效能损失的关键环节，并以此作为多级膜系统改良的热力学判据。以这一创新理论为指导，针对复杂结晶过程中多孔晶体层的结构和热力学性质的分形描述，建立多级晶体层界面中微观孔道内流体流动分离和杂质分配模型（图 5），成为多级结晶分离过程设计优化的指导理论，积累了较系统的研究成果（Chem.

Eng. Sci. 2012, 84, 120; 2013, 91, 111；2014, 117, 198; Ind. Eng. Chem. Res.2011,

50, 10229；2012, 51, 5034），并在国际著名化工期刊 Ind. Eng. Chem. Res.发表综述文章，系统论述本项目团队在此领域的研究进展。（Ind. Eng. Chem. Res.

2013, 52, 15685; 2014, 53, 13211）

图 4 膜分离过程自由能损失模型 图 5多级结晶界面杂质分配过程的热力学分析模型

对常用的多级分离过程进行热力学分析，得出各个分离级的能量损失率（见图 6），对能量损失最严重的“瓶颈”分离级采用子结构重组优化，降低了浓差混合损失，使低浓度 CO2捕集过程的能效提高 5.9%，设备投资减少

3.5%。这一热力学分析模型是寻求能耗最小分离过程及快捷设计复杂气体分离系统的重要基础(Chem. Eng. Sci., 2014, 107, 245)。

图 6 热力学分析理论指导的多级分离过程设计与优化流程（3）集成捕集提纯工艺包开发及应用：建立了气体膜分离浓度极化模型和可视化过程设计模型（图:7），解决了

石化尾气的多流股、多组分、多目标回收难题，开发出系列梯级耦合分离流程及工艺包。该数学模型被美、法、日等 10余个国家的学者引用，成为高性能气体分离膜过程准确计算的理论基础。

图 7 复杂含烃尾气高效分离过程的可视化设计模型2013年为中石油大连石化研发富氢气体回收工艺包，通过整合并重新分配

原料流股，提出膜分离和 PSA单元的耦合流程方案，各流股梯级进入回收装置，无返混地高效分离，实现从复杂的炼厂尾气体系中高纯度、高收率地回收氢气（图 8），设计处理量达 82000 Nm3/h。

2009 年中国工程院衣宝廉院士担任主席的教育部科技成果鉴定会中，该技

术 得 到 “ 该 项 目 的 关 键 技 术 已 达 到 国 际 领 先 水 平 ” 的 评 价 （ 鉴 字 【 教SW2009】第 026 号，附件 5.1（1）），荣获 2010 年国家科学技术进步二等奖，2009 年中国石化协会科技进步一等奖等。

图 8 高效炼厂气分离技术的代表性应用装置2. 团队的结构该团队主要骨干包括：贺高红教授（50岁）：杰青，长江学者，团队负责人；吴雪梅教授（45岁）：团队研究骨干，负责质子交换膜及膜过程研究；张凤祥教授（43岁）：团队研究骨干，负责离子分离膜材料开发；肖武副教授（39岁）：团队研究骨干，负责分离过程设计及系统优化；李祥村副教授（38岁）：团队研究骨干，负责高性能纳米材料研制；姜晓滨副教授（32岁）：团队研究骨干，负责结晶分离过程开发及应用；焉晓明讲师（34岁）：团队研究骨干，负责离子交换膜制备及性能优化。

3．拟开展的研究工作（1）面向精细化工产业集群内 LPG芳构化、液化石油气制芳烃/汽油、

精细化工装置等尾气综合回收利用的重要需求，研究含氟聚硅氧烷和 MOFs

等新膜材料与溶剂型传递物质的相互作用，研制自修复高性能耐溶胀气体分离膜，实现 2~3个系列高效耐溶胀分离膜的制备。

（2）整合产业集群在精细化工材料和新型高分子材料领域的研究需求，利用液膜液滴的多尺度分散性和碳基材料在微观有序结构材料创制中的优势，创制 3~4类新型高效、结构可控且可应用于吸附、吸收及催化过程的多功能化材料，实现良好的技术储备，并应用于高效分离过程研发。

（3）面向化工产业传统能源与新能源整合利用需求，通过质量能量系统集成，构建以产业园区和产业集群为设计单位的低品位热源、公用工程和新能源利用体系，为建立高能量、质量利用率，具有新型能量、质量循环体系、绿色环保的生态化工产业示范园区打下基础。