杜月嬌

馬滄海參加2022氣體分離產(chǎn)業(yè)大會(huì)并作特邀報(bào)告

多年來，從走出國(guó)門踏入美國(guó)佐治亞理工學(xué)院，到加入法國(guó)科技公司，而后輾轉(zhuǎn)至美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，馬滄?？蒲袌?bào)國(guó)的初心從未改變?！皩W(xué)成歸國(guó)”的家國(guó)情懷一直伴隨他，用以激勵(lì)自我，勇攀高峰。

把成果寫在祖國(guó)大地上

2020年3月，再次踏上祖國(guó)土地那一刻，馬滄海心中涌起陣陣波瀾。闊別故土十余載，其間雖有回國(guó)交流研討、探望家人的時(shí)刻，但沒有一次比這一刻更令人激動(dòng)。以前，為了學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)、吸取國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)、提高自身專業(yè)能力，他不得不頻頻踏上海外漂泊之旅。如今學(xué)有所成，成功入選國(guó)家級(jí)青年人才計(jì)劃，他終于能夠扎下根來，著手實(shí)現(xiàn)自己的理想——把成果寫在祖國(guó)大地上。

馬滄?；貒?guó)的這一年也是意義重大的一年。2020年9月22日，中國(guó)在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上正式提出2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的“雙碳”目標(biāo)。

節(jié)能降碳，科技先行。從源頭替代、過程削減、末端捕集等方面綜合尋找科技創(chuàng)新的新方向，成了科技工作者和社會(huì)企業(yè)的共同發(fā)力點(diǎn)。對(duì)于長(zhǎng)期從事膜分離技術(shù)及應(yīng)用研究的馬滄海來說，這是最好的時(shí)候。

膜分離技術(shù)是利用具有特殊選擇分離性的高分子等材料作為分離元件，在一定的驅(qū)動(dòng)力作用下，使雙元或多元組分因透過膜的速率不同而達(dá)到分離或特定組分富集的目的。

通俗來講，這項(xiàng)技術(shù)的作用就是“過濾”。好比日常生活中過濾豆?jié){，高分子膜材料制成的膜相當(dāng)于豆?jié){機(jī)中的濾網(wǎng)，可以將豆?jié){與豆?jié){渣這樣的不同物質(zhì)分離。但膜分離技術(shù)可比普通濾網(wǎng)強(qiáng)大得多，它具有無相變、能耗低、常溫運(yùn)行、占地面積小、操作簡(jiǎn)便、易于自動(dòng)化、極其適合處理熱敏物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在化工、環(huán)保、生物工程、醫(yī)藥、食品等行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用。生活中常用的凈水器、鋰離子電池隔膜、口罩、果汁等產(chǎn)品就應(yīng)用到了這項(xiàng)分離技術(shù)。不過，這項(xiàng)技術(shù)當(dāng)前最重要的應(yīng)用方向之一還是氣體分離，包括制氮、富氧、提氫、脫碳、有機(jī)蒸汽回收等。而馬滄海專攻的，正是碳捕集方向的膜分離技術(shù)。

膜分離法依靠二氧化碳混合氣體中不同氣體在分離膜兩側(cè)的溶解度或擴(kuò)散率的差異分離出二氧化碳。目前，基于膜技術(shù)的氣體分離主要依賴于具有可定制氣體傳輸特性的合成聚合物材料。超滲透性和選擇性聚合物膜成為工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)氣體產(chǎn)品理想回收率和純度的關(guān)鍵因素，在合成氨工業(yè)氫氣回收、石化含烴尾氣處理等多種系統(tǒng)中均已有成功應(yīng)用案例。

但近年來，隨著氣體膜分離應(yīng)用要求的提高和應(yīng)用環(huán)境的日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)膜材料因氣體滲透性能和選擇性能的羅伯遜（Robeson）上限、老化和塑化等問題，已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的工業(yè)需求。提高聚合物膜的氣體分離性能、開發(fā)新型膜材料并完成從實(shí)驗(yàn)室制造到工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，是氣體膜分離技術(shù)推廣應(yīng)用的當(dāng)務(wù)之急，也是馬滄海當(dāng)前科研工作的重點(diǎn)。

2021年，馬滄海依托大連理工大學(xué)平臺(tái)，聯(lián)合其他多個(gè)院校的合作者提出了通過熱交聯(lián)“縮小孔徑分布和增強(qiáng)分子篩分性能”這一新策略，解決了當(dāng)前膜氣體分離性能不足的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一種通過PIM-BM/TB的多共價(jià)交聯(lián)來設(shè)計(jì)微孔聚合物共混膜的方法。在300℃下熱處理5小時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，具有可定制孔隙率的交聯(lián)PIM-BM/TB分子篩膜顯示出813.6的超高氫氣-甲烷選擇性，同時(shí)保持358Barrer的氫氣滲透性。更重要的是，這種交聯(lián)膜在分離包括氫氣-甲烷、氫氣-氮?dú)?、氧氮在?nèi)的多種混合氣體的表現(xiàn)上，均大大超過了當(dāng)前常規(guī)聚合物膜的性能上限，這項(xiàng)成果被國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）子刊接受發(fā)表。

著眼應(yīng)用，從源頭上進(jìn)行基礎(chǔ)研究創(chuàng)新工作，尋找氣體分離膜的改進(jìn)方法和新材料的制備手段，是馬滄海實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的第一塊重要拼圖。而聚焦前沿，把握行業(yè)未來發(fā)展新趨勢(shì)，深耕新型分離膜材料的同時(shí)積極布局高端分離膜制備及產(chǎn)業(yè)化，在馬滄?？磥硗瑯又匾?。

立足國(guó)情探索科研新方向

中空纖維膜是功能纖維材料與分離膜技術(shù)交叉形成的新型膜產(chǎn)品，是分離膜領(lǐng)域中發(fā)展最快、規(guī)模最大、產(chǎn)值最高的一類新型膜技術(shù)產(chǎn)品。與卷式膜等其他類型分離膜相比，中空纖維膜具備耐壓性能好、無需支撐體、在膜組件內(nèi)裝填密度大、單位體積膜面積大、通量大等優(yōu)勢(shì)。就目前而言，我國(guó)雖然在反滲透、超濾和微濾等膜材料、組件及裝置方面已經(jīng)建立了較為完備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)體系，具有較強(qiáng)的國(guó)際影響力和競(jìng)爭(zhēng)力，但膜科學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用研究與國(guó)際頂尖水平仍有差距，高精度、高性能、特種分離膜產(chǎn)品與國(guó)際一流產(chǎn)品相比仍有較大差距，龐大的高端膜市場(chǎng)仍被國(guó)外企業(yè)壟斷。面對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高端技術(shù)的封鎖局面，推動(dòng)我國(guó)中空纖維膜技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的需求日趨緊迫。

早在2008年，馬滄海就在世界頂級(jí)氣體分離膜研究團(tuán)隊(duì)——威廉·科羅斯（William Koros）院士課題組開始從事中空纖維膜的制備和工業(yè)應(yīng)用研究工作。博士畢業(yè)前夕，馬滄海因過硬的專業(yè)實(shí)力和出色的表現(xiàn)被聘為法國(guó)液化空氣集團(tuán)（Air Liquide）研發(fā)科學(xué)家。這是一家成立于1902年的老牌化工企業(yè)，一個(gè)多世紀(jì)以來始終堅(jiān)守在氣體分離與制備的科學(xué)疆域，在氣體膜分離技術(shù)成果轉(zhuǎn)化方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。本著深入了解實(shí)踐需求、學(xué)習(xí)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)、提升自我專業(yè)技能的想法，馬滄海在這里一待就是5年，其間主要負(fù)責(zé)的便是中空纖維膜的制備及其放大化研究。

當(dāng)前制備中空纖維膜的材料主要包括高分子和無機(jī)材料，高分子膜占據(jù)主要?dú)怏w膜分離市場(chǎng)，但是存在羅伯遜（Robeson）上限問題。采用無機(jī)炭材料制作氣體分離膜，具有“外柔內(nèi)剛”的特性，密度比傳統(tǒng)氧化鋁膜輕，并兼有耐腐蝕、耐疲勞、高性能等優(yōu)勢(shì)。馬滄海指出：“按照未來發(fā)展趨勢(shì)，用戶對(duì)膜使用條件的要求必然越來越高，如耐高溫、耐有機(jī)溶劑、耐酸、耐堿等，其中有些要求是高分子膜材料無法滿足的。相對(duì)的，炭中空纖維膜材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它能夠滿足這些苛刻條件?！?/p>

然而，制備炭中空纖維膜并不是一件容易的事情，僅僅是完成中空纖維原絲的預(yù)炭化這一步驟就困難重重：預(yù)炭化過程中易發(fā)生纖維粘連和糾纏，這不僅損傷纖維表面，而且會(huì)阻礙預(yù)炭化過程中反應(yīng)熱的釋放，造成過熱和纖維斷裂。預(yù)炭化過程中，對(duì)氧氣濃度、加熱速率、炭化溫度和炭化時(shí)間的要求極其嚴(yán)苛，炭化溫度越高，氣體篩分性能越好，但是會(huì)降低其機(jī)械性能，炭化溫度直接影響炭中空纖維膜的力學(xué)性能和氣體分離性能。

國(guó)外長(zhǎng)期從事中空纖維膜開發(fā)的企業(yè)眾多，而且早在20世紀(jì)70年代就開始了研究，在成果轉(zhuǎn)化方面具有先天優(yōu)勢(shì)。而我國(guó)中空纖維膜的研發(fā)依然以高等院校、科研院所為主，大體仍處于基礎(chǔ)研究階段；基礎(chǔ)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)需求往往脫節(jié)，成果轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化存在障礙。在我國(guó)亟須實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重大背景下，面對(duì)社會(huì)日益增長(zhǎng)的節(jié)能減排要求，如何制備性能滿足實(shí)際分離應(yīng)用需求的中空纖維膜，從而大幅降低分離過程的能耗及碳排放，仍是當(dāng)前膜領(lǐng)域面臨的重大難題……這樣的局面讓馬滄海備感憂慮，只是他深知：國(guó)外的中空纖維膜制備技術(shù)已經(jīng)遙遙領(lǐng)先，其經(jīng)驗(yàn)只能借鑒，不能照搬，一切還要立足于我國(guó)實(shí)際情況，以發(fā)展的眼光看待問題，爭(zhēng)取彎道超車，早日成為世界膜強(qiáng)國(guó)。當(dāng)前，如何最大限度地發(fā)揮中空纖維膜的性能、如何制造配套膜組件、采用何種組裝方式才使其具備產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)……這些問題的答案，馬滄海仍在探索。

盡管前路漫漫，但和其他千千萬萬的中國(guó)夢(mèng)建設(shè)者一樣，馬滄海對(duì)我國(guó)高端膜分離技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的未來充滿了信心。在他看來，哪怕只是滄海一粟，只要能為這一領(lǐng)域向前邁進(jìn)做出不懈努力，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)添磚加瓦，他的年華就不算虛度，他的人生便稱得上精彩。