工艺：离子膜法 物理属性：纯品为无色透明液体，吸湿性很强，腐蚀性强。 主要用途：是重要的化工基础原料，广泛用于纺织印染、冶炼、医药、涂料等行业。同时具有食品级的生产许可证，可作为食品添加剂使用。 技术指标 序号 项目 液碱 优等品 一等品 1 浓度 32% 熔点(℃) 318.4 沸点(℃)  1390 相对密度(水=1)  2.130 2 氢氧化钠          ≥ 32.0 3 碳酸钠           ≤ 0.04 0.06 4 氯化钠           ≤ 0.004 0.007 5 三氧化二铁         ≤ 0.0003 0.0005 6 二氧化硅          ≤ 0.0015 0.003 7 氯酸钠           ≤ 0.001 0.002 8 硫酸钠           ≤ 0.001 0.002 9 三氧化二铝         ≤ 0.0004 0.0006 10 氧化钙           ≤ 0.0001 0.0005

中国科学技术大学徐铜文教授团队在新型多孔材料分离膜精密构筑方面取得突破性进展，报道了一种具有多层次通道结构的多孔有机笼（POC）离子分离膜。

首先预处理除去非离子大分子，防止其对离子分离膜的污染，如采用微滤膜、反渗透膜、超滤膜等。再采用一种特殊的、具有选择性透过功能的薄层高分子，它能使流体内的一种或几种带正电荷或负电荷的离子透过，其他非离子不透过，从而起到浓缩和分离的作用。此薄层高分子由聚合物或高分子复合材料制得，具有分离流体混合物的功能，此分离膜亦称为隔离器，在电位差的推动力下，借流体混合物中各组分透过膜的迁移速率不同，使之在膜的两侧分别富集。离子分离原理：在外加直流电场的驱动下，利用离子膜的选择透过性(即阳离子可以透过阳膜，阴离子可以透过阴膜)，阴、阳离子分别向阳极和阴极移动。离子迁移过程中，若膜的固定电荷与离子的电荷相反，则离子将通过；若电荷相同，则离子被排斥，从而实现溶液淡化、分离、浓缩、精制、纯化和回收利用的目的。离子分离膜的制备可采用共混、嵌段或接枝共聚法。制备方法可采用流延法、溶胶凝胶法或中空纤维法。由于采用二步法膜分离，其预处理可以除去非离子杂质对离子膜的污染，项目的实施可以提高膜的分离效率、选择性和使用寿命；项目作为千瓦级沼气燃料电池的研制(编号 06088018)项目的成果之一，已于 2009 年通过省科技厅专家验收，现属于应用推广阶段。

成果与项目的背景及主要用途：用于 CO2 分离的膜技术在天然气、沼气的 净化，三次采油中的 CO2 回收，密闭空间中的 CO2 脱除以及减轻温室效应等领 域有广阔的应用性前景。与传统的 CO2 分离技术相比，膜分离方法具有投资少， 能耗低，环境友好，设备简单紧凑、节约空间、高效灵活、易于操作等优点，而 且 CO2 浓度越高，膜法分离越经济，即使 CO2 浓度低于 5%，用膜法的费用也 仅为吸收法的 64.7%。 18天津大学科技成果选编 19 可以用于脱除酸性气体的膜主要有液膜、无机膜和高分子膜，实际应用中满 足气体分离要求的目前只有高分子膜。但普通的高分子膜也存在高的渗透性和选 择性不能兼得的缺点。含有固定载体的促进传递膜兼具液膜和普通高分子膜的优 势，能同时具有高的分离系数和透过速率，而且稳定性好，是一类很有发展前途 的气体分离膜，已引起国际上研究者们的极大关注。 技术原理与工艺流程简介：本研究成果合成了几种对 CO2 具有促进传递作 用的固定载体膜材料，通过载体与 CO2 的相互作用促进 CO2 在膜内的传递，因 而具有较高的渗透选择性。同时由于载体是以化学键固定在高分子上，因此具有 很好的稳定性。 本成果以自主开发的固定载体膜材料为分离层，以多种材质的超滤膜为基膜， 制备了用于 CO2 分离的固定载体复合膜。所研制的复合膜，其 CO2/CH4 透过分 离性能处于世界领先水平。 技术水平及专利与获奖情况：所制备的固定载体复合膜 CO2/CH4 分离因子 可达 100～300，CO2 渗透速率可达 10-6～10-5 cm3(STP)/cm2·s·cmHg。 本研究成果共获得发明专利 3 项，分别为： 1. 用于酸性气体分离的固定载体复合膜制备方法（专利号：ZL02148632.8） 2. CO2 气体分离复合膜的制备方法（专利号：01144974.8） 3. 用于分离酸性气体的固定载体复合膜制备方法（专利号：ZL02158530.X） 本成果与所在课题组其他成果一起，获 2004 年度天津市自然科学奖一等奖 应用前景分析及效益预测：本研究成果所开发的 CO2 分离膜制备技术其经 济效益是明显的。首先，采用 CO2 膜分离可以降低我国能源生产的成本。我国 目前的天然气产量已经超过 300 亿 m3，若其中的 10%以膜分离方法来进行净化， 则需要约 12 万 m2 的膜才能满足需要，与传统方法相比每年可节约 4000 万元。 此外，由于可持续发展和环境保护的需要，采用城市生活垃圾和其他工业垃圾生 产沼气近年来得到了迅速发展。至今，我国已建设了大中型沼气池 3 万多个，总 容积超过 137 万 m3，年产沼气 5.5 亿 m3，采用膜分离技术处理这些沼气也需要 大量的 CO2 分离膜。最后，随着海上油气资源的开发以及农业生产中气肥的大 量使用，对 CO2 分离膜的需求和产生的效益也很大。天津大学科技成果选编 应用领域： 1. 天然气、沼气的净化； 2. 三次采油中的 CO2 回收； 3. 密闭空间中的 CO2 脱除； 4. 农业生产中气肥的使用。 该项目需要以下条件： 1. 聚合物合成的相关设备及原料：反应釜，冷却装置等。 2. 复合膜加工设备及原料：涂膜机，干燥器，膜交联设备，交联剂等。 3. 膜组件加工设备及原料。 4. 需要厂房面积大于 1000m2。 合作方式及条件： 由天津大学提供膜材料合成、复合膜制备、交联等相关技术，由合作方提供 厂房、设备、原材料及相关的人员配套。 

气体分离膜材料在农业领域开发出多种应用如：膜覆盖式养殖畜禽粪便高温好氧发酵；气体分离膜在农用产品包装领域的应用；气体分离膜在活鱼运输上的应用。

用于CO2分离的膜技术在天然气、沼气的净化，三次采油中的CO2回收，密闭空间中的CO2 脱除以及减轻温室效应等领域有广阔的应用性前景。与传统的CO2分离技术相比，膜分离方法具有投资少，能耗低，环境友好，设备简单紧凑、节约空间、高效灵活、易于操作等优点，而且CO2浓度越高，膜法分离越经济，即使CO2浓度低于5%，用膜法的费用也仅为吸收法的64.7%。可以用于脱除酸性气体的膜主要有液膜、无机膜和高分子膜，实际应用中满足气体分离要求的目前只有高分子膜。但普通的高分子膜也存在高的渗透性和选择性不能兼得的缺点。含有固定载体的促进传递膜兼具液膜和普通高分子膜的优势，能同时具有高的分离系数和透过速率，而且稳定性好，是一类很有发展前途的气体分离膜，已引起国际上研究者们的极大关注。本研究成果合成了几种对CO2具有促进传递作用的固定载体膜材料，通过载体与CO2的相互作用促进CO2在膜内的传递，因而具有较高的渗透选择性。同时由于载体是以化学键固定在高分子上，因此具有很好的稳定性。本成果以自主开发的固定载体膜材料为分离层，以多种材质的超滤膜为基膜，制备了用于CO2分离的固定载体复合膜。所研制的复合膜，其CO2/CH4透过分离性能处于世界领先水平。

本成果研制的超薄复合膜由多孔的中空纤维基膜和致密的超薄选择层组成，通过采用一系列亲水基团（有机磷酸、羧酸、磺酸）、改性环糊精以及其金属络合物对选择层进行表面修饰，调控选择层表面的亲水性与交联程度，极大提升了该薄膜复合膜渗透汽化脱水的分离性能。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 渗透汽化分离是一种新型膜分离技术，其利用致密高聚物膜对液体混合物中组分的溶解扩散性能的不同实现组分分离的一种膜过程，其突出的优点事能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸收等传统方法难以完成的分离任务。本成果研制的超薄复合膜由多孔的中空纤维基膜和致密的超薄选择层组成，通过采用一系列亲水基团（有机磷酸、羧酸、磺酸）、改性环糊精以及其金属络合物对选择层进行表面修饰，调控选择层表面的亲水性与交联程度，极大提升了该薄膜复合膜渗透汽化脱水的分离性能。本成果对薄膜复合膜选择层进行表面修饰的操作简易可行，明显优于目前市场上的大部分同类膜。

纳米孔道的离子输运现象是材料科学和生物物理等领域研究的热点。当纳米孔道的尺度达到纳米即接近分子大小时，将会出现许多奇异的输运现象。研究这些输运现象对于了解细胞膜离子通道机制，制备新型高效分离设备淡化海水、处理污水，探索新型DNA测序方法等都有重要意义。基于核径迹高分子膜制备的纳米孔具有结构坚韧富有柔性并且可以高效大规模制备的优点，但是由于已沿用六十多年的传统化学蚀刻制备法不便可靠控制蚀刻速率，无法达到亚纳米尺度。刘峰和王宇钢课题组基于多年来核径迹纳米孔研究工作的基础（JACS，2008,2009；AFM, 2010,2011; EES, 2011等），首次通过高能重离子轰击高分子膜并进行充分紫外线照射，不进行蚀刻而成功制备亚纳米尺度的核孔膜 （Qi Wen, et al., Advanced Functional Materials，2016, Cover Highlights)。该膜具有超高离子选择性，比如阴阳离子选择性高达108，但导通量离实际应用尚有一定距离。事实上，选择性和通量对于所有离子分离膜都是一对难以调和的矛盾。2017年《Science》专门就此发表题为“Maximizing the right stuff: The trade-off between membrane permeability and selectivity”的长篇评述文章，指出分离膜研究的正确方向是要同时具有高选择性和高通量。通过优选高分子膜并利用新的制备工艺，刘峰、王宇钢课题组所获得的新型纳米尺度核孔膜，在保持碱金属离子与重金属离子高选择性的同时，将离子的输运率提高了3个数量级 （图A）。 这种纳米核孔膜的优异分离性能突破了传统的分离膜和氧化石墨烯等新型分离膜的局限 （图B）。与此同时，他们还建立了高分子纳米孔模型并通过分子动力学模拟揭示，一方面由于孔的半径在0.5纳米左右极大减少了脱水势垒的阻碍从而极大提高了输运量，同时由于部分脱水的离子和表面吸附的电荷之间的相互作用而保持了高选择性 （图C）。 这项研究揭示了纳米孔道的离子输运新机制，并且为突破高选择性和高输运率的矛盾提供了新的思路。通过该方法所制备的高分子膜在过滤重金属元素的水净化，制备新型电池等方面也有重要应用价值。

本发明公开了一种凝胶复合分离膜的制备方法。它包括如下步骤：1）将制膜聚合物、凝胶聚合物、致孔剂与溶剂混合，经机械搅拌充分溶解，脱泡、过滤后得到铸膜液，各组分重量百分比含量如下：制膜聚合物为10～30%；凝胶聚合物为1～5%；致孔剂为0～10%；溶剂为55～89%；2）将铸膜液经过成膜机涂布或挤出，浸入纯水浴中固化成型，得到初生聚合物膜；3）将初生聚合物膜在去离子水中充分清洗，再在空气中晾干，得到凝胶复合分离膜。本发明工艺简单，成本低，得到的凝胶复合分离膜在污水处理、水质净化、油水分离、蛋白质分离、微生物过滤、染料分离等膜分离领域具有广阔的应用前景。

本发明公开了一种离子交换性能的膜材料，该膜材料为致密结构或微孔结构，由具有离子交换性能的高聚物和非离子交换性能的高聚物共混而成，其中离子交换性能的高聚物和非离子交换性能的高聚物之间的质量比为5％/95％～95％/5％。本发明还公开了这种膜材料在阴离子和阳离子的分离和回收的膜萃取方面、在脱除气体中的水蒸气方面和在非压力推动正渗透过程中对水体系的脱盐方面的应用。本发明的膜材料摆脱了支撑液膜的支撑的概念，其化学稳定性高，对离子的传质阻力低。该材料不仅在液膜离子分离过程中提供长期稳定性，而且在其他诸多分离领域中找到应用点。