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专访报道

姜晓滨:学术与产业的“结晶”之旅

来源:分析化学 阅读数:155 时间:2021-05-25 13:27:36

在一望无垠的海滩上,海水被拦截在一方方盐池里,太阳把盐水晒干了,海水里溶解的氯化钠结晶出来,形成了粗盐……结晶,就是指固体物质以晶体状态从蒸汽、液体或熔融物中析出的过程。海水晒盐,就是一个典型的利用蒸发进行结晶的例子。通过结晶,能从杂质相当多的溶液或多组元的熔融物中分离出高纯或超纯的晶体,不仅效果显著,耗能较低,而且很少有“三废”排放,有利于环境保护。此外,结晶产品在包装、运输、贮存以及使用上都很方便。因此,这项技术被广泛地运用在食品、医药、海洋化工、石油化工、冶金等多个工业领域。大连理工大学教授姜晓滨,正是工业结晶研究领域的优秀青年代表。“高效工业结晶是制造高端功能材料与产品的共性绿色分离技术,对推动我国生命科学、医药、国防及能源等领域高端化、高质化发展具有重要的战略意义。”姜晓滨说。


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姜晓滨



2007年,在天津大学应用化学专业读完本科后,求知若渴的姜晓滨继续留在母校,直接攻读化学工程专业博士学位,师从工业结晶专家、中国工程院院士王静康教授。谈及导师,姜晓滨有很多话要说:“王老师是新中国工业结晶技术的奠基人之一,她的科研成果使我国工业结晶研发实现了跨越式发展,跻身世界前沿。王老师渊博的学识、严谨的科研态度、执着的探索精神深深地感动了我,使我受益匪浅。能在她的指导下进行工业结晶方面的学习,我倍感荣幸。


姜晓滨回忆起自己做博士课题时,实验进展得很不顺利。当时正值夏天,实验室里也没有空调,环境闷热难耐,大家都比较急躁。这时已经70多岁高龄的王老师赶了过来,与大家一起并肩作战,忙得连中午饭都没顾上吃。在老师的带领下,不准确的实验数据得到了更正,课题项目顺利地开展下去了。“我们在实验时,往往需要多次测定数据。当数据有变动时,就需要重复10次、20次进行测试。直到数据的波动在一个很小的范围内,才算是测准确了。王老师用她的一言一行教会我们,要将耐心、细心、恒心这‘三心’运用在实验中,才能有所突破。”


2012年博士毕业后,姜晓滨来到大连理工大学,开启了他的教学科研生涯。在教书育人的同时,姜晓滨也不忘进行科学研究。“首先,我是一个大学老师,培养人才始终是教师长期的追求,得天下英才而育之是一种快乐,更是本职工作。同时,我也是一名科研工作者,在科技创新中也有一份应尽的责任。”姜晓滨说。


在大连理工大学,姜晓滨的科研工作取得了一系列突破性进展。他通过“理工融合,协同创新”,针对结晶过程的精确调控研究领域,开展了高精度过饱和浓度调控、全色级溶液成核响应、晶体成核和生长耦合控制3个方面的创新研究。相关研究成果以第一或通讯作者在化工三大期刊(AIChE J.、Chem. Eng. Sci.、Ind. Eng. Chem. Res.)、ACS Nano、J. Membrane Sci. Cryst. Growth Des.、Lab Chip等期刊发表论文30多篇。此外,他还主持了国家重大科研仪器研制项目子课题、国家自然科学基金项目、优秀青年科学基金项目、大连市高端人才培养计划、企业研发项目等20余项,授权中国、美国、日本发明专利累计15项。由于其卓越贡献,姜晓滨获得了“侯德榜化工青年科技奖”“中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖”“全国石油和化工行业优秀科技工作者”“兴辽英才计划人才”“大连市青年科技之星”等荣誉称号。


单丝不成线,独木不成林。姜晓滨坦言,成绩的取得离不开整个科研团队的支持和帮助。“化工是一个多学科交叉的研究领域,涉及化学、物理、数学、材料科学等各个方面的学科知识。因此,在进行科研成果的开发过程中,我们将不同学科专业的优秀老师和学生集结起来,共同思考与研究,在多学科的相互协助下,实现课题项目的创新突破。”姜晓滨介绍说,交叉学科课题的提出,实现了个性与共性的巧妙融合,十分有利于人才的培养与发展。由于每个人的研究方向各不相同,因此研究思路、方法也各异,这给予了个人充足的成长空间,也避免了因研究方向类似造成的人才浪费。同时,由于学科上的交集,成员间需要进行一定交流与合作,这既有利于团队精神的培养,也有力推动了项目的整体发展。



工业结晶科学看似陌生,实则与我们的生活息息相关。例如,高浓度尿酸盐在人体内结晶是痛风产生的根源,探明抑制尿酸盐结晶的机理,研发出精确调控尿酸盐结晶的方法,将有助于痛风的治疗。此外,在与生命健康相关的制药工业中,85%以上的产品(包括中间体等)为固体,绝大部分都采用了工业结晶技术进行分离和精制。如头孢类抗生素的制备,就需要通过青霉素G钾盐结晶、头孢G酸结晶等多种结晶作用……工业结晶技术如此重要,但要精确掌握它并非易事。“我发现,晶体成核和成长的过程很难去测定与调控。这个问题,从我求学的那一刻开始便深深地留在了脑子里,我一直想要攻克它。”


姜晓滨解释道,结晶的首要条件是过饱和溶液的形成。溶液在一定的过饱和状态下,会从中析出晶体,其析出过程包括两种基本现象:第一,成核。在溶液中不存在任何晶体,当溶液达到一定的过饱和状态,溶液中的溶质会形成细小的晶体,科学家称这样的过程为成核过程(初级成核),或在更广泛的意义上讲,所有形成可供晶体成长的过程为成核过程。第二,成长。在一定过饱和溶液(介质)中的晶体都会发生成长,晶体从小变大的过程就叫作成长过程。结晶过程的研发实际上就是以精确测定介稳区等基础数据为前提,以严格调控体系过饱和度为保证的。因此,开发对结晶成核具有高灵敏响应,并能精确调控体系浓度的方法和仪器,一直是结晶过程研究的热点和重点。


“现阶段使用最广的光学法,无法检测不透明溶液的成核;同时,可见光基于衍射原理,只能检测300nm左右的晶核,这是该类方法的极限,而一般的初始晶核要小于100nm。”姜晓滨说。


姜晓滨所在的“新型高效膜分离过程”学术团队通过3年的研究,将微孔膜蒸馏与结晶过程耦合,提出“基于微孔膜蒸馏的结晶介稳区测定和过程调控”课题。项目组创新性地提出利用微孔膜蒸馏选择性脱除溶剂,溶质浓缩并在膜孔区域成核,导致跨膜通量骤减的效应,以微孔膜作为响应界面检测成核。该检测原理突破了现有光学法在不透明体系中光强信号弱、无法检测成核的关键瓶颈。


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指导学生科研实验


在研究中,团队将膜蒸馏过程中“晶体成核—膜孔堵塞—溶剂膜通量骤降”的连锁效应,应用于结晶介稳区测定,建立了一种不受溶液透光率限制的结晶成核响应新机制。研究结果表明,对于经典的结晶体系KNO3水溶液体系,激光法与微孔膜响应法的介稳区宽度测定结果吻合,计算拟合成核指数一致;对低透光度无机盐体系,当溶液浓度接近饱和时,激光光强信号衰减为初始值的1/50~1/20,不能响应溶液中的成核。而利用微孔膜的溶剂通量衰减拐点,可以响应晶体成核,完成介稳区宽度的测定。采用这一创新方法,团队首次实现了CoSO4水溶液体晶介稳区宽度的直接测定,并进一步在数十个溶液结晶体系中得到应用。


同时,团队发现跨膜通量在大量成核前还有一个更早的拐点,该拐点正是初始晶核在膜孔道区域形成,导致传质通道局部收窄引起的通量衰减。这一重要发现,同时突破了光学法的300nm晶核检测精度极限:初始成核的响应拐点标志着膜界面(膜平均孔径<100nm)检测原理可更早响应成核现象,更准确测定体系的临界成核状态,为结晶的精确调控奠定了基础。该成核检测原理与国际先进的光学技术相比,适用范围、检测精度、有效检测区域等核心指标都具有显著优势。


基于该项创新研究,团队获批国家重大科研仪器研制项目,姜晓滨担任项目组副组长,成功研发了具有完全自主知识产权的膜界面成核检测原理性样机,被国家自然科学基金委、科学网等专题报道。



近年来,随着现代化和工业化的进程不断加快,我国经济实现了快速发展,人民的生活水平也日益提高,但同时引起的环境污染问题也越来越严重。这其中,大气污染是极为重要的一方面。而石油、化工、建材、机械等行业排放的挥发性有机气体(VOCs),是雾霾和大气污染的重要根源,对其减排已成为我国环境保护的重要任务。


立足时代需要,姜晓滨作为“高效气体分离膜与膜过程”科研团队的核心骨干,通过多年的研发攻关,建立了一条不同于简单销毁/降解方法的全新技术路线,通过膜回收技术解决化工行业VOCs问题,实现高效回收与减排的“双赢”。“VOCs虽然是一种有害气体,但它又是一种高价值资源,我们利用膜分离对其进行高效回收,既可以有效减排,又可以变废为宝,创造可观的经济效益。”姜晓滨解释道。


利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于,膜可以在分子范围内进行分离,并且这个过程是一种物理过程,不须发生相的变化和添加助剂。“VOCs分离膜会优先透过大分子,这与以往在炼厂气回收过程中使用的优先透过小分子的氢膜,在材料和渗透机理等方面完全不同。”姜晓滨说,由于VOCs膜发展历程短,其工业制备和应用存在膜材料、膜组件和工艺流程等一系列难题:微米级超薄分离层在生产过程中极易出现缺陷,选择性降低,在VOCs体系中易蠕变,寿命短;膜分离器静电积累,易引起含氧体系燃烧爆炸;VOCs回收减排过程压力低、成本高,分离器和过程亟须优化,提高能效。


除了这些科技难题,科研工作者们还要面对其他国家对我国的技术封锁。在“膜法高效回收与减排化工行业挥发性有机气体”项目立项时,全球仅美国MTR和德国BORSIG公司实现了VOCs膜的规模化生产和应用,并全球垄断,对我国封锁材料、制备方法和工艺包等。由于缺乏自主知识产权的技术,我国膜法回收减排VOCs只能高价购入成套装置,严重制约了化工行业环境保护和绿色化生产进程。


姜晓滨说:“我们根据膜分离需求,以分子设计为指导,开发新的膜材料,调控膜的微结构,制备高性能膜,建立膜分离过程的热力学优化判据,优化设计膜耦合流程及膜的新应用,在膜研制、膜分器制备和工艺包开发3方面攻坚克难,取得了具有完全知识产权的创新科技成果。”


最终,课题组成功将VOCs通过高性能膜及装备回收、浓缩加工成重要的化工原料,这对于环境保护和资源利用具有十分重要的意义。同时,他们还将膜分离、吸收、吸附和浅冷等多技术耦合集成,提高了污染控制的效率,可使排放气中苯浓度降低到4mg/m3,实现环保达标排放。


只有促进产学研的合作创新,才能加速相关行业企业的转型升级,实现我国经济又快又好发展。基于研究成果,项目组还研制出高性能、长寿命的VOCs分离膜及VOCs本质安全、低流阻的高效膜分离器,并成功产业化,在近400项工业项目中应用,累计回收烯烃78万吨、油气10万吨,创经济效益30多亿元,13套装备出口到美国、日本、韩国和尼日利亚等国家,使我国成为全球最大的工业生产和应用VOCs膜的国家。以上成果,荣获2018年度国家科技进步奖二等奖。基于在化工分离技术和耦合强化领域的突出贡献,姜晓滨教授于2020年荣获国际杰出青年化学工程师奖,是该年度唯一一名获奖者。


“化工分离过程的科学研究最终还是要落到实际的产业化应用上来。”姜晓滨说,“研究成果不应仅仅是一篇篇文章发表在学术期刊上,我希望将它们变成一个个实际的应用装备和技术,为企业节能降耗、高效减排做出贡献!”


来源:科学中国人