新闻资讯
NEWS CENTER
30
2026
-
06
膜技术前沿丨北理工赵之平教授团队在渗透汽化醇/水分离传质机理研究领域取得重要进展
作者：
生物醇（乙醇、丁醇）燃料可作为化石燃料的有效替代与补充，主要通过从低浓度发酵液中分离醇类组分获得。相较于精馏等传统化工分离方法，膜法渗透汽化（PV）具有低能耗且不受醇/水溶液共沸限制的优势。目前，基于经典溶解-扩散模型，可将PV过程的分离机理简述为膜表面溶解、膜内扩散及膜下游侧汽化三个串联步骤组成。然而，该模型忽略了膜分离过程中分子吸附行为、扩散模式以及分散形式等纳米尺度信息，使得分子传质机理难以通过该模型*描述。
北京理工大学化学与化工学院赵之平教授团队继2025年7月在Nature Communications发表题为“A fundamental mass transport model based on molecular insights for pervaporation desalination”研究论文之后，2026年3月又在国际顶级化工期刊AIChE Journal上发表题为“A computational study on molecular transport mechanisms and models for alcohol recovery by polymer pervaporation membranes”的PV过程传质机理与模型研究论文。本文北京理工大学为通讯单位，赵之平教授和冯英楠副教授为本论文的共同通讯作者，化学与化工学院25届博士毕业生李申辉为论文第一作者。
图文详解
该研究通过分子动力学（MD）模拟方法在原子大小的空间尺度，探究了膜表面亲疏水性对料液分子（醇、水分子）吸附性能的影响，可视化解析了膜孔道结构对料液分子溶解、扩散行为的作用机制，并提出了一个定量比较PV和精馏分离性能的数学模型。基于平衡MD模拟，系统表征了醇水溶液在9种亲疏水性各异的聚合物膜表面的吸附行为。通过对比接触角与表面能的实验数据，验证了所构建聚合物膜模型在描述表面亲疏水性方面的可靠性。明确料液-疏水膜界面的醇浓度仅略低于气-液平衡值，且亲水基团会降低界面醇富集程度，这说明表面改性对提升醇选择性的作用有限（图1）。不同疏水性的膜中，醇在料液-膜界面和气-液界面的浓度均相近，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较低且对膜孔结构影响甚微（图2）。定量分析了典型膜中溶剂的溶解度、氢键耦合概率与扩散系数，证实低溶解度下溶剂分子主要以单分散态存在、扩散系数基本不依赖溶解度（图3）。基于上述原子层面的机理认识，进一步将影响PV/精馏过程分离因子/相对挥发度的关键因素量化为可直接比较的系数，采用K系数与ΔK系数量化对比渗透汽化与精馏的分离能力，清晰阐明不同聚合物膜分离因子高于或低于相对挥发度的内在原因（图4）。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/9oNHKHie56swQz1NkGsIHA
相关新闻
