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中国科大徐铜文教授团队为大家揭示离子膜中的大世界
《安徽日报》记者 桂运安 徐旻昊 / 时间:2019-03-01 06:40:42

  据安徽日报网2019年2月26日讯 一张薄如蝉翼的离子膜,可以化腐朽为神奇,让海水变身淡水和食盐,让废液废气变废为宝,让美酒更加香醇、新能源汽车动力澎湃……近日,中国科学技术大学徐铜文教授研究团队与合作单位完成的“均相离子膜制备关键技术及应用”项目,荣获国家技术发明二等奖,该项目开辟了我国离子膜技术应用新领域,打破了发达国家技术封锁和价格垄断,具有完全自主常识产权,推动了我国离子膜材料基础和应用研究的发展。这是自2000年国家科技奖励体制改革以来,中国科大首次以第一单位获得国家技术发明奖。


中国科大徐铜文教授团队为大家揭示离子膜中的大世界

日前,在中国科大功能膜实验室,徐铜文教授展示可用于废酸回收的均相离子膜产品。


  逐梦离子膜
  说起离子交换膜,可能很多人不知为何物。徐铜文先容,离子交换膜就是膜状的离子交换树脂,包括异相离子膜、均相离子膜等多个类别。其中,异相离子膜是由粉末状的离子交换树脂加黏合剂混炼、拉片、加网热压而成,树脂分散在黏合剂中,因而其化学结构不均匀,故名“异相”;均相离子膜是将活性基团引入膜主体骨架,以化学键键连,其结构均匀,孔隙小,膜电阻小,不易渗漏,电化学性能优良,代表着未来离子膜的发展趋势。
  早在1949年,美国Ionics企业的Juda和McRac就发明了离子交换膜,并于1950年成功地研制了第一张具有商业用途的离子交换膜。离子交换膜类似于一种高精密度的离子筛选系统,主要用于离子级别的物系选择性传输,在清洁生产、节能减排、能量转换等方面有着广泛的应用前景。当前,废水、废酸、废气的回收利用,相关产品的浓缩、提取、精制,新能源电池隔膜等领域均离不开离子膜。但在中国,离子膜技术一直是个短板,日本、美国等国家长期对离子膜实行技术封锁,销售价格居高不下。
  为打破国外垄断,徐铜文从1995年开始研究离子膜,如今已在这一领域耕耘20余年。“我从前压根没想到会将离子膜研究作为职业,是我的恩师——南开大学何炳林院士将我领入门,并给了我巨大的支撑和鼓励。”徐铜文坦言,他在南开大学从事博士后研究工作时,何炳林院士正是他的老师。被誉为“中国离子交换树脂之父”的何炳林,在上世纪50年代冲破美国重重阻力,选择回国到南开大学任教,他利用离子交换树脂成功地提取出我国急需的核燃料铀,为我国第一颗原子弹的爆炸作出了重大贡献。
  过去,我国工业上制造离子交换树脂采用的是悬浮聚合技术,继续功能基化只能使用直径在4~6毫米的小球,而直径大于6毫米、小于4毫米的白球全部废弃了。“资源的浪费以及离子交换树脂只能间歇性工作的缺陷,成了何先生的‘心病’。”徐铜文回忆说,何先生当时给他制定的研究任务就是利用废弃的离子交换树脂制备离子交换膜。20余年来,从最初探索异相离子膜,到制备均相离子膜,徐铜文谨记恩师的嘱托,在均相离子膜技术领域攻克多项关键核心技术,为国产离子膜打下一片广阔的天地。
  亮剑斩荆棘
  当前,离子膜已普遍用于我国工农业生产和日常生活中,但高端均相离子膜、电解膜等大多依靠进口,国外基本被淘汰的异相离子膜在中国依然是主流。“我曾想从日本购买一些离子膜样品来研究,但对方或是开出高价,或是直接拒绝。”徐铜文告诉记者,普通阴阳离子交换膜仅可供科学研究用,但科研只能小批量买,一块40×60厘米大小的样品要卖6000元,还要自付7600元包装费,需一次性付款且要详细告知用途。他还曾牵线国内一家企业去买,日本企业考察后直接拒绝销售。
  “不掌握关键核心技术,就会时时刻刻被人‘卡脖子’。”谈及科研过程中的种种艰辛,徐铜文印象深刻而又深有感触,因此在心底暗下决心:“一定要制备出中国人自己的高性能离子膜。”徐铜文分析说,我国现在大多使用的异相离子膜,只能用于初级水处理和一些简单的化工分离,不能胜任多数化工反应、分离以及能源存储转化等要求,但传统均相离子膜制备工艺复杂,需要使用氯甲醚、氯磺酸等有害物资,环境污染严重,造成国产均相离子膜产业化困难。
  1997年到中国科大任教后,徐铜文迅速成立了功能膜研究室。面对国外技术封锁和国内离子膜产品制备工艺落后及应用受限等突出问题,他一方面积极争取各项基金和项目支撑,一方面带领团队努力攻关核心技术。在国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年基金项目以及科技部“863”重点项目等持续支撑下,徐铜文带领团队与合作单位围绕均相离子膜绿色化、低成本化生产和工业化应用开展系统深入的研究,发明了多硅共聚物离子膜制备技术、溴化-胺化离子膜制备技术、无溶剂原位聚合离子膜制备技术及板式(电)渗析膜组件制备技术,开发了离子膜专用工业生产新设备以及新型板式(电)渗析膜组件及废酸、废碱和高盐废水集成处理工艺,实现了对离子膜制备、装置、应用等整套技术的常识产权保护,新工艺还避免传统离子膜制备中氯甲醚、氯磺酸和大量溶剂的使用。
  “大家的制膜工艺简单、成本低,每平方米只要300元左右,在膜组件设计方面也有很多创新。”徐铜文先容,“均相离子膜制备关键技术及应用”项目打破了发达国家在均相离子膜领域的技术封锁和价格垄断,使进口均相离子膜价格从原来的每平方米2000~3000元骤降至500~700元,降幅逾70%。项目申请41项专利,建成6条均相离子膜生产线,形成了四大系列20余种均相离子膜产品,膜年产能达50万平方米,填补了国内均相离子膜产业化的空白。目前,采用该项目膜产品的用户超过150家,产品不仅在全国推广应用,还出口德国等国家,应用行业涉及化工、湿法冶金、有色金属、稀土、电子刻蚀、食品生物、化纤等众多领域,开创了我国膜技术在工业废酸/碱/盐分离纯化应用的新领域。
  育人播火种
  “在科研上取得成绩固然可喜,但培育人才更值得骄傲。”徐铜文坦言,科研攻关需要一批又一批有理想、有能力、有热情的创新人才“接力”,科技创新人才不能“断档”,只有人才接上了,科研才会后继有人,才会有源源不断的推动力。
  20余年来,徐铜文一门心思投入到离子膜研究,也为国家培养了众多优秀人才。目前,他引导的博士生、硕士生(含在读)已有130余名,一些学生已经获得“国家杰青”“国家优青”资助,50人次为国家自然科学基金等项目主持人;有的学生入选“国家青年千人计划”,获得“全国模范教师”“泰山学者”“闽江学者”等国家和地方人才称号。“教书育人是件很光荣的事,也是人生最大的精神享受。”徐铜文表示。在采访中,徐铜文多次谈及他的恩师,言语中满是怀念,也多次提及他的学生,言语中满是骄傲。
  离子膜研究,永无止境。目前,我国在离子膜领域虽然取得了一些进展,但与国外相比还存在一些差距,比如高端的燃料电池隔膜等,主要还是靠进口。徐铜文先容,今后均相离子膜的开发既要对现有技术进行改进,又要寻找新的成膜方法和新膜材料,系列化是均相膜开发的必然趋势,制定离子膜及其设备的行业标准也是亟须解决的重要问题。此外,未来膜技术的发展还要综合考虑与之相辅相成的组件设计及应用过程的研究,即离子膜的制备要面向其实际应用进行设计,实现量体裁衣。
  将无机盐分解成高纯酸、碱,净化回收废水、废酸、废气,提纯与精制柠檬酸、白酒、医药,为新能源汽车动力转换提供支撑……离子膜技术在我国诸多工业领域中的广泛应用,使得离子膜受到越来越多的关注。“离子膜在我国的发展刚刚起步,空间很大。国家对生态环境越来越重视,这也给膜产业发展提供了契机。”徐铜文表示,未来困难与挑战并存,他将带领团队继续攻关,研发更多应用于化工洁净生产和能源存储与转化方面的高性能离子膜。


中国科大徐铜文教授团队为大家揭示离子膜中的大世界

中国科大徐铜文教授团队研发的均相离子膜应用到氧氯化锆废水处理中。

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