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生物醇（乙醇、丁醇）燃料可作為化石燃料的有效替代與補(bǔ)充，主要通過(guò)從低濃度發(fā)酵液中分離醇類(lèi)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(shì)。目前，基于經(jīng)典溶解-擴(kuò)散模型，可將PV過(guò)程的分離機(jī)理簡(jiǎn)述為膜表面溶解、膜內(nèi)擴(kuò)散及膜下游側(cè)汽化三個(gè)串聯(lián)步驟組成。然而，該模型忽略了膜分離過(guò)程中分子吸附行為、擴(kuò)散模式以及分散形式等納米尺度信息，使得分子傳質(zhì)機(jī)理難以通過(guò)該模型精確描述。

近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院趙之平教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)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(xué)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(xué)與化工學(xué)院25屆博士畢業(yè)生李申輝為論文第一作者。

該研究通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)（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(duì)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(duì)料液分子溶解、擴(kuò)散行為的作用機(jī)制，并提出了一個(gè)定量比較PV和精餾分離性能的數(shù)學(xué)模型。基于平衡MD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(guò)對(duì)比接觸角與表面能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)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(tuán)會(huì)降低界面醇富集程度，這說(shuō)明表面改性對(duì)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(duì)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(kuò)散系數(shù)，證實(shí)低溶解度下溶劑分子主要以單分散態(tài)存在、擴(kuò)散系數(shù)基本不依賴(lài)溶解度（圖3）?；谏鲜鲈訉用娴臋C(jī)理認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步將影響PV/精餾過(guò)程分離因子/相對(duì)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(duì)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(duì)揮發(fā)度的內(nèi)在原因（圖4）。

圖1 膜親疏水性對(duì)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(xué)結(jié)構(gòu)；（B）所得的表面自由能和接觸角與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)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(xiàn)；（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(kuò)散系數(shù)的模擬：（A）熱力學(xué)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(duì)擴(kuò)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(kuò)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(jiǎn)介：

趙之平，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授，先進(jìn)功能膜與膜過(guò)程團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。兼任北京膜學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、《Advanced Membranes》和《膜科學(xué)與技術(shù)》編委等。作為帶頭人獲“全國(guó)石油和化工教育優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)”稱(chēng)號(hào)（2021），作為主持人獲“全國(guó)石油和化工教育優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)”（2022），作為第一完成人獲“中國(guó)化工學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)”（2023）。以生物質(zhì)、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等為研究對(duì)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(biāo)，長(zhǎng)期從事新型功能膜材料設(shè)計(jì)與制備、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與分離過(guò)程、新型膜反應(yīng)器設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以及相關(guān)應(yīng)用示范等方面的研究。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)/面上項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題和省部級(jí)項(xiàng)目等10余項(xiàng)；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(guó)際頂級(jí)期刊累計(jì)發(fā)表SCI收錄論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)。

馮英楠，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院長(zhǎng)聘副教授。從事高性能有機(jī)膜制備及應(yīng)用研究，包括成膜機(jī)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(rùn)膜設(shè)計(jì)制備與應(yīng)用等研究方向。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目等科研項(xiàng)目4項(xiàng)，入選北京市科技新星計(jì)劃，作為項(xiàng)目骨干參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目及企業(yè)合作項(xiàng)目。在Science，Sci. Adv.，J. Membr. Sci.等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，主編出版英文專(zhuān)著一部。

李申輝，2018年9月起在北京理工大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)攻讀碩士學(xué)位，師從趙之平教授，2021年9月起在北京理工大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科攻讀博士學(xué)位。研究方向?yàn)槟げ牧显O(shè)計(jì)和膜分離機(jī)理的分子模擬，以第一/共一作者在Science，Nat. Commun.，AIChE J等國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表文章3篇，合作發(fā)表SCI收錄論文24篇。