从海水淡化到能源技术的开拓创新天津大学海水淡化与膜技术研究中心发展历程

大规模的膜技术研究发端于人类对海水淡化的重大需求.天津大学海水淡化与膜技术研究中心从20世纪60年代即开始海水淡化和膜技术的研究,是国内早期研究膜法海水淡化技术的团队之一,主持了国家早期多级闪蒸海水淡化装置的研发攻坚.80年代以后,研究中心在成膜机理和膜过程等方面做出诸多贡献,逐步奠定了团队在膜科学与技术领域的研究基础.进入21世纪,特别是近十几年来,中心更加注重原始创新和成果转化,在高效节能海水淡化膜的制备机理及应用、能源气体纯化及CO_(2)捕集用膜的制备机理及工业示范、电池用膜、膜曝气膜生物反应器、反渗透过程能量回收等领域取得诸多重大研究突破以及实际应用进展.

乙醇制1,3-丁二烯MgO/SBA-15催化剂的制备及其催化性能

以介孔分子筛SBA-15为载体,采用浸渍法制备了新型负载型MgO/SBA-15催化剂,采用低温N_2吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、^(29)Si核磁共振(^(29)Si NMR)、NH_3程序升温脱附(NH3-TPD)、CO_2程序升温脱附(CO_2-TPD)等表征手段研究了不同MgO负载量(质量分数)对催化剂的结构、物化性能和催化乙醇合成丁二烯反应活性的影响。研究结果表明,MgO负载量为20%时,所制备的催化剂的活性最好,此时MgO高度分散在载体SBA-15的有序孔道中,形成了Mg-O-Si结构,有利于提高目标产物丁二烯的选择性。该催化剂在温度350℃、进料质量空速2. 64 h^(-1)的反应条件下,可获得最佳催化效果,乙醇转化率最高可达55. 8%,丁二烯选择性可达80. 2%。Mg O/SBA-15催化剂在乙醇法生产丁二烯工艺中具有潜在的应用前景。

膜法碳捕集技术--研究现状及展望

碳捕集是实现CO_(2)减排的重要技术手段之一。在众多碳捕集技术中,膜分离技术具有操作简单、能耗低、环境污染小等优势,吸引了广泛关注。完整的膜法捕集CO_(2)技术研究链条包括膜材料开发、分离膜规模化制备、膜组件研制和膜分离工艺及装置的设计建造。本文针对膜法碳捕集技术链的四个环节,总结对比了国内外技术水平和研究进展,分析了碳捕集膜从实验室研究到工业放大的瓶颈问题,并对本文作者课题组在各个技术环节所积累的研究成果进行了综述。在此基础上,对进一步提高膜法碳捕集技术水平的研究方向进行了展望。

反渗透膜硅垢形成机理及抗硅垢膜研究进展

反渗透(RO)技术具有低能耗、易操作等优势,已被广泛应用于水处理过程,但膜结垢特别是硅垢导致的膜通量下降、膜寿命缩短问题严重制约着RO技术的进一步推广应用.本文首先阐述了硅垢形成机理,包括溶液中硅酸聚合过程和RO膜表面硅垢形成过程;然后对抗硅垢膜的研究进展进行了概述,如表面化学改性、界面聚合和层层自组装等;最后对未来RO系统膜硅垢问题的研究方向提出建议.

混合菌群合成聚羟基脂肪酸酯研究进展

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是微生物体内合成的可生物降解塑料,可以作为化学塑料的替代品。利用纯培养微生物发酵的合成方法由于使用葡萄糖等优质底物及过程需灭菌等原因,产品成本较高,严重制约了PHA的广泛使用;混合菌群利用废弃物合成PHA有效降低了纯培养方法的生产成本,因此受到人们越来越多的关注。本文对混合菌群合成PHA的历史沿革、合成原理、生产工艺、提取方法等方面进行了系统综述。回顾了混合菌群合成PHA的发展历程,简述了两种主要的合成机理,介绍了不同底物合成PHA的代谢途径,重点阐述了混菌合成PHA的三段式工艺和产物提取方法,同时也对新近的研究动态进行了分析总结。指出提高混菌浓度与利用实际废弃物的能力将成为未来研究的关键。

耐溶剂复合纳滤膜的研究进展

耐溶剂纳滤是一种新型的膜分离技术,用于有机混合物的分离。商品耐溶剂纳滤膜大多是采用相转化法制备的整体皮层非对称膜,膜皮层较厚,通量较低。耐溶剂复合纳滤膜由基膜和分离层组成,具有薄皮层、高溶剂通量和高溶质截留率的优点。耐溶剂复合纳滤膜的制备与改性也因此成为近年来的研究热点。本文从界面聚合、表面涂覆、层层自组装、原位生长、有机-无机杂化和表面改性六个方面介绍耐溶剂复合纳滤膜的研究进展,最后对其发展前景进行展望。

抗污染芳香聚酰胺反渗透膜研究进展

聚酰胺反渗透膜具有选择透过性高、化学稳定性好等优点,在水处理领域应用广泛。但膜污染导致的通量下降、寿命降低等问题严重制约了其发展与应用,开发抗污染反渗透膜是缓解膜污染的重要手段。本文根据抗污染膜作用机理将抗污染反渗透膜分为抗黏附型、污染驱除型和杀菌型,综述了近年来相关方面的研究成果,并对合理组合多种机制制备抗污染反渗透膜的进展进行简要概括,最后对抗污染反渗透膜的发展前景进行了展望。

基于二噻吩并吡咯π桥的窄带隙非富勒烯受体材料在有机太阳能电池中的应用

以不同烷基取代的二噻吩并吡咯(DTP)为π桥,连接吲哒省并二噻吩(IDT)中间单元和氰基茚酮(IC)或二氟代氰基茚酮(2F-IC)末端基团,设计并合成了6个窄带隙的非富勒烯受体材料。其中,IDTDTP-C2C2-H和IDTDTP-C2C2-F中的DTP单元以1-乙基丙基为侧链,IDTDTP-C6C6-H和IDTDTP-C6C6-F中的DTP单元以1-己基庚基为侧链,IDTDTP-C12-H和IDTDTP-C12-F中的DTP单元以十二烷基为侧链。6个分子均具有较窄的光学带隙(1.37~1.44 eV)。相比于以IC为末端基团的分子(IDTDTP-C2C2-H、IDTDTP-C6C6-H和IDTDTP-C12-H),由于氟原子的拉电子效应,以2F-IC为末端基团的分子(IDTDTP-C2C2-F、IDTDTP-C6C6-F和IDTDTP-C12-F)具有红移的吸收光谱,以及更低的最高分子占有轨道能级(HOMO)和最低分子空轨道(LUMO)能级。以宽带隙聚合物聚[2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基))噻吩-2-基)-苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩-alt-5,5-(1′,3′-二-2-噻吩)-5′,7′-双(2-乙基己基)-苯并[1′,2′-c:4′,5′-c′]二噻吩-4,8-二酮](PBDB-T)为给体材料,制备了有机太阳能电池器件。PBDB-T:IDTDTP-C6C6-F共混薄膜具有较高且更平衡的空穴/电子迁移率,以及良好的形貌,基于PBDB-T:IDTDTP-C6C6-F的有机太阳能电池获得了6.94%的能量转换效率,开路电压为0.86 V,短路电流密度为13.56 mA/cm 2,填充因子为59.5%。

染料分离有机纳滤膜制备技术研究进展

粗染料纯化与染料、印染废水处理是染料工业的重中之重,两者的根本目的都是实现染料与无机盐的高效分离.利用纳滤膜对染料高截留和对无机盐低截留等特点,可以实现含盐染料溶液的高效脱盐浓缩.本文着重综述了近年来研究者采用相转化、多孔基膜表面改性、层层组装和界面聚合等方法制备染料分离纳滤膜所取得的研究进展,并对以上制膜方法存在的问题和适用的分离体系进行了深入分析.最后,基于目前纳滤法纯化染料及处理染料、印染废水存在的问题,对染料分离纳滤膜研究方向和发展前景进行了总结与展望.

优化聚酰胺分离层制备高选择透过性反渗透膜

反渗透(RO)膜分离技术由于具有高效、低耗和产水水质高等优点,已成为现阶段解决水资源短缺的有效手段。进一步提高RO膜的选择透过性能有利于降低产水成本和提高产水质量,因此制备高选择透过性能的RO膜一直是膜领域研究的重点。从优化界面聚合工艺、优化基膜及开发新型制膜工艺三方面对近年来改善RO膜选择透过性能的研究进行了综述。通过优化界面聚合工艺和开发新型制膜工艺可以直接改变分离层的结构和性质,通过调节基膜的孔径、孔隙率及亲疏水性可以影响分离层的结构,从而改善RO膜的性能。最后对制备高选择透过性能的反渗透膜的研究方向与发展前景进行了总结与展望。

反渗透膜耐氯及氯化修复研究进展

活性氯的添加可以有效缓解反渗透膜生物污染的问题,但是也会破坏膜的分离层结构,造成膜选择透过性能的急剧变化.研制耐氯性能良好的芳香聚酰胺反渗透膜能简化预处理和清洗工艺,延长膜使用寿命,降低膜系统运行成本.此外,对氯化降解的反渗透膜进行修复,能恢复膜的分离性能,延长膜使用寿命,同时也能减少废弃反渗透膜对环境的污染.综述了反渗透膜耐氯性能以及氯化修复两方面的研究进展.首先,简要介绍芳香聚酰胺反渗透膜的氯化降解机理及氯化引起的性能变化.其次,从物理保护、纳米材料改性、苯环修饰、酰胺键修饰以及联合多重机制等多方面介绍了目前耐氯反渗透膜的研制手段及方法.再者,简要介绍了几种膜性能修复试剂及其应用.最后,对耐氯膜制备和膜氯化修复的研究方向和发展前景进行了总结与展望.

平衡磷酸烯醇式丙酮酸节点通量强化筑波链霉菌合成他克莫司

他克莫司(FK506)是最重要的免疫抑制剂之一,然而前体代谢供应不足制约着工业化生产。通过优化平衡磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)节点支路通量可提高FK506产量。本文首先在S.tsukubaensis D852中过表达基因fkb O(编码分支酸水合还原酶)和fkb L(编码赖氨酸环化酶)得到S.tsukubaensis-OL1,FK506的产量仅从158.7mg/L提高到163.9mg/L。随后调节PEP节点支路回补途径和莽草酸途径通量强化FK506的合成:先分别将不同菌株中编码磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PPC)和3-脱氧-D-阿拉伯糖基-heptulosonate-7-磷酸合酶(DAHPS)的基因在S.tsukubaensis-OL1中过表达,FK506的产量分别提高40%(ppc,S.tsukubaensis)和47%(dah P,S.roseosporus);然后采用4个不同强度的组成型启动子(Perm E*,Psco4503,Psco3410 and Psco5768)平衡ppc和dah P的表达水平获得9株工程菌,最终使FK506的产量由163.9mg/L显著提高到350.3mg/L。这个结果说明优化平衡PEP节点竞争支路通量是提高FK506产量的有效策略。

金属有机框架孔径调控进展

金属有机框架(MOFs)以其可灵活调节的孔道结构、大孔隙率和大比表面积等特点受到广泛关注。设计并构建能够实现目标功能的、具有合适孔径分布的MOFs材料关系到MOFs材料在分离、催化以及质子传导等领域中的应用。综述了MOFs材料孔径的主要调控方法,包括原位合成调控、后合成修饰调控、穿插调控以及辅助合成调控,总结了四种调控方法的特点和不足,并对未来MOFs孔径调控的发展方向进行了展望。

MABR及其在工业废水处理方面的应用

在众多废水处理技术中,新型无泡曝气膜生物反应器(Membrane-Aerated Biofilm Reactor,简称MABR)因其特殊的生物膜结构组成和传质特性,在强化水体有机物降解和氮类污染物去除等方面具有很大的技术优势和广泛的应用前景。综述了MABR的运行原理以及在工业废水处理领域的研究现状,总结归纳出MABR在处理工业废水过程中的研究热点和突出问题,并对未来该领域的发展趋势和方向进行了展望。

二维氟代苯甲胺钙钛矿结构和光电性能的理论研究

二维铅卤钙钛矿太阳能电池以其高稳定性等优良性质展现出重要的应用价值,越来越多的二维铅卤钙钛矿材料被用作太阳能电池的光吸收层,但是关于二维铅卤钙钛矿材料构效关系的理论研究十分匮乏.本文以苯甲胺铅碘、邻氟苯甲胺铅碘和对氟苯甲胺铅碘二维钙钛矿为出发点,通过第一性原理计算比较了它们的晶体结构、形成能、激子结合能、载流子迁移率以及对应器件的光电性能,以考察不同间隔基阳离子对钙钛矿结构、性质以及光电器件性能的影响.结果表明,二维钙钛矿的形成能绝对值越大,光电器件的稳定性越高;钙钛矿的激子结合能越小,光电器件的短路电流密度越大,归纳总结出预测器件短路电流密度的关系式.在间隔基末端使用吸电子基团修饰有望同时提高光电器件的寿命和短路电流密度.本研究对于二维钙钛矿材料有机间隔阳离子的设计和筛选具有指导意义.

基于共价有机框架材料的纳滤膜制备研究进展

共价有机框架(COFs)材料是由有机结构单元通过共价键连接形成的多孔纳米材料,具有比表面积大、孔隙率高、结构规整有序、稳定性好的优点,是制备高性能分离膜的理想材料,因而在纳滤膜研究领域引起广泛关注。文章综述了近几年来研究者利用掺杂法、层层组装法、界面聚合法、原位生长法等制备COFs纳滤膜的研究成果,对不同制膜方法的特点进行分析,并指出目前COFs纳滤膜研究中存在的问题,最后对COFs纳滤膜的未来发展前景作出展望。

螺旋卷式膜组件性能分析优化研究进展

膜分离过程可用于包括水处理和气体分离在内的诸多领域,而膜分离过程的实际工业应用需要将分离膜组装为膜组件.螺旋卷式膜组件因其高装填密度和高分离效率,已经得到了广泛应用,如何进一步提高螺旋卷式膜组件的性能成为了人们关注的焦点.目前已有建立理论模型、实验研究、数值模拟计算等一系列方法对膜组件性能进行分析优化.本文总结了螺旋卷式膜组件性能分析优化的相关研究进展,并对螺旋卷式膜组件未来应用前景进行展望.

应用CFD优化螺旋卷式膜组件流道结构

为探究螺旋卷式膜组件流道结构对流体流动和膜组件分离性能的影响,在对螺旋卷式膜组件中流体流动分离过程进行分析后,对膜组件内含有隔网的流道进行简化建模,利用计算流体力学(CFD)方法对流体在流道中的流动分离情况进行三维模拟计算.以隔网编织方式为变量,考察不同隔网编织方式下流体的流动状态和二氧化碳分离传质效果以确定较优的隔网编织方式.结果表明,隔网编织方式通过影响膜组件流道结构进而改变流体流动形态、剪应力分布、速度分布和压力分布.采用部分编织型隔网时,流体流动压降约为60 Pa/m,二氧化碳分离效率为90%左右,可以同时实现膜组件较优的分离性能和较低的流动压降.

大DNA体内组装技术进展

DNA组装技术是合成生物学的关键共性技术。目前,小分子DNA组装大多采用体外组装策略,而大分子DNA的组装则更多地借助宿主自身的重组机制在体内完成,常用的宿主包括酿酒酵母、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌等。本文中,笔者综述了近年来体内大分子DNA组装的研究进展。

膜法捕集CO_(2)技术及工业示范

碳达峰碳中和是全球应对气候变化和低碳转型的世纪大考,也是我国重大战略部署.中国是当前世界上最大的碳排放国,发展CO_(2)捕集、利用和封存(CCUS)技术是目前实现化石能源低碳化利用的仅有的技术选择.燃煤电厂烟道气是CO_(2)排放的主要来源,捕集难度大,因而捕集燃煤电厂烟道气CO_(2)最具代表性,是煤炭清洁高效利用的重要内容.