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Nature Materials专访膜界大牛:从学术到工业的膜

2017-09-12 20:28:16 迈特尔膜技术有限公司 阅读

近日,Nature Materials专访了伦敦帝国学院的Andrew Livingston和 美国Membrane Technology and ResearchMTR) 公司的Richard Baker,探讨在膜研究和发展过程中的收获和陷阱,以及新的Barrer中心是怎样引领新一代的分离技术。相关采访文章《Membrans from academia to industry》发表于Nature Materials,记者Jim Hennessydoi:10.1038/nmat4861

 

背景简介:

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Andrew Livingston (left) and Richard Baker (right)


Andrew Livingston:伦敦帝国学院教授,2009年获英国皇家工程学院银奖,Journal of membrane science编辑之一。研究领域为聚合物和陶瓷膜的制备、设计、组建和测试等,以及膜运输和过程中的模型构建和理解。

 

Richard Baker:美国Membrane Technology and Research公司总裁,著书多本。MTR公司为石油化工厂、精炼厂和气体处理设备提供气体分离方案。

 

Richard Maling Barrer1910-1996):新西兰出生的英国化学家。研究领域包括膜的气体渗透和沸石科学(大量开创性研究),Barrer中心以他名字命名。

 

请谈谈你们的科研背景以及为什么致力于膜的研究。

 

AL:在我获得化学工程学位后,我在新西兰的工业领域工作了几年。在好奇心的驱使下我去剑桥大学开展我的博士研究,我尝试用特制的细菌来生物降解废水中的有机污染物,但是前后质量平衡很差,废水中的许多组分消失了。但我意识到它们不是降解了,而是通过硅橡胶管进入到我的生物反应器进料线中。于是我用聚四氟乙烯来代替,取得了较高的质量平衡,由此获得了我的博士学位。随后在伦敦帝国学院作教员时,我还是在尝试降解有机组分,但是待处理工业废水中的高浓度盐很麻烦。我想起了以前的硅橡胶,意识到如果将废水泵进管中,细菌在外侧,废水中的有机成分会扩散过管道被降解,同时无机盐还不会影响细菌。我把这个叫做提取膜生物反应器,于是我的膜研究开始了。

 

RB:我很偶然地进入到膜领域。完成学士学位后想去物理化学领域工作。Richard Barrer教授给了我一个伦敦帝国学院的硕士奖学金的机会,方向是通过多孔膜进行气体分离。看上去很有趣,我也想留在伦敦,津贴也很丰厚,每年有500英镑。当我完成博士学位后,我想去看看世界,于是设法在波士顿开发了第一个超滤膜的30人小公司阿米康(Amicon)工作,Amicon在实验室生物分离方面发现了膜的应用。我的工作是开拓膜的工业应用。将膜从实验室扩展到工业应用和做一些有用的事的理念吸引了我,自此我一直在工业领域打拼。

 

什么样的材料是有用的膜材料?


AL:任何具有稳定性、选择性和渗透性,能够以经济的价格制备出的材料。现在有两种膜:一种是我工作的领域,即合成膜;另一种是生物膜,如细胞膜。我们都在尝试用一切东西,从脂质、蛋白质、聚合物和石墨烯等来制备和研究膜。

RB:你几乎可以用一切东西来制备膜:碳、金属、陶瓷、沸石等,但是工业市场95%的都是聚合物膜。主要问题是放大(scale-up)。如果你能制备出50 cm2的膜,就足够写出一个很好的论文发表了,但是工业膜设备可能需要百万平米的膜。目前,只有聚合物膜能够达到这个规模,大多数的方法是常规的聚合物化学(尽管很好的杂志上有成千上万的新材料膜)。

 

你认为膜领域目前的挑战是什么?


AL:一个挑战是开发出纳米和分子尺寸的功能膜组件。需要有高稳定性的、能够在严苛化学和热环境中操作而不会老化和降解的膜材料,这些新材料还要能够提高膜的分子选择性和渗透性。另一个重要的挑战是膜工程——提高在膜组件中的流体力学和质量传输,理解和减少应用时膜组件的结垢和堵塞,新的膜组件的设计,并搞清楚膜和组件怎样合适地安装,以及怎样扩展到大型系统。相比膜技术中的材料,这些问题很少受人关注,但是在我看来同样是很重要的。最后,我想我们需要跨越目前已经建立的比较成熟的领域,寻找还没有广泛应用的膜应用场景。比如在传感器和化验中的可转换和响应膜(switchable and responsive),利用太阳能的人工叶片装置中的膜,和有机液体处理中的膜。


RB:大多数的学术研究集中于新材料,但是发现一种新材料只是开发出有用过程中的第一步。真正的挑战,同时也是问题频发的,是搞清楚在使用时怎样让膜稳定,制备出非常薄(小于0.2um厚)和无缺陷的大尺寸膜,并装备出膜组件。而且,膜工艺几乎没有独立单元操作,膜设备通常需要将各种前处理、压缩、污染控制与其它配套设备和膜组件集成,并保证整个过程的经济性。

 

能够谈谈Barrer Center,以及它是怎样战胜这些挑战的吗?


ALBarrer 中心依托帝国学院悠久的分离材料研究传统,最初是由Richard Barrer在橡胶和沸石材料扩散领域发展而来。中心拥有超过15个多学科学者,和工业伙伴一起,致力于通过多学科方法,包括材料合成、膜、吸附剂、组件制备、先进表征手段和模拟技术等,注重于新的和扩大应用领域,来实现分离材料、科学和工程的突破。我们刚刚讨论的那些挑战通过这个方法能够解决,我们对于这种合作方式非常兴奋,特别是我们研究团队的合作能够产生效用。


RBAndrew已经做的很好了,最大的影响是如果中心能够将大学的材料研究方便地过渡到工业化的技术研究,不是一件简单的事。

 

学术-工业合作有没有碰到压力或者瓶颈?它们能够解决吗?


AL:学术和工业的不同目的之间的冲突会有一些压力。学术的目的是发明新的、令人兴奋的能够发表的想法,而工业更关注于能够应用于实际过程中的新的想法。很多时候两者的目标是完全或者相容的,即使有一些差异也很容易管理。可能有瓶颈的主要是放大和测试系统。学术研究往往是相对较小的规模,可能只有一张A4纸或者更小的膜,或者在很短的时间里用几克的吸附剂处理明确的混合物或纯组分。而工业需要大量的材料用来测试,并且更倾向于在工业应用中用料液(不明确组分,不纯的)进行长期的测试。


RB:许多学术研究在测量完一个100微米厚的聚合物膜的渗透性后就结束了,工业用膜都是有一个0.1-0.2微米的选择层的多层结构。这些膜都是大批量生产的,每个装配的膜组件都有10-100平米,一个设备可能包含几千个组件。从工业角度,当你有一种新颖的膜材料,这只是膜开发过程中的起点,不是终点。有少量公司的膜开发基于一些教授的样品测试结果。如果学术想要将它们的新的膜材料应用,所做的努力可能要比过去所做的更加的多。

 

重现性是一个大问题。你们认为现在有一些标准化的规范能够解决这个吗?


AL:肯定有一些标准的测试方法报告,杂志的编辑和审稿人扮演了重要的角色,他们坚持新的膜和吸附剂需要用同样的方法和以前报道的膜进行比对。例如,在用渗透性表征气体分离膜时,再附上渗透数据,其它人就可以了解这种新材料的潜力了。

 

RB:我同意渗透的数据比单独的渗透性更加有用,问题的关键不是本身的重现性,因为复制条件数据相当容易。问题在于人们总是测量错误的东西,例如膜的气体选择性最广泛的测试方法是两种气体渗透率的比值,每个在低压条件用纯气体单独测量。用这种测试方法,醋酸纤维素的纯CO2/CH4选择性约为35。一个更有意义的测试方法是在40 bar50℃下用混合气体(20% CO280% CH4)测试,选择性约为15。用含有二氧化碳的天然气(大部分是甲烷,也含有其它污染物)测试后的选择性是10。纯气体的选择性很容易测量,所以这个报道的数据就有问题。

 

操作可行性是另外一个重要的考虑方面。你认为什么样的性能能够表明膜的实用性?


AL:我用一个螺旋卷式膜组件来检查实用性,甚至是一个小型的1.8×1.2英寸的组件。做一个组件,需要在卷对卷机器上制备出需要的膜,包装进组件,这步需要粘合剂、垫片和其它部件。如果能够装配出一个可以工作的小型的卷式组件,放大到大尺寸后还能够正常运行。我想相似的方法也存在于中空纤维膜中。


RB:是用薄膜(小于1微米厚)还是用膜(100微米厚)得到的数据?数据测量的条件是在实际操作(温度、压力、进料组成)的条件下吗?在持续超过一周的实验中,膜表现如何?并且就像Andrew提到的,用整个组件来测试,而不是单纯的膜,这是必不可少的。

 

商业化容易吗?在膜商业化方面你会给其它人什么建议?


AL:我非常幸运的从我大学研究的领域衍生创建了一个膜公司,并成长为一个盈利的公司被一个大型的化学公司(赢创,Evonik)收购(acquired),我仍然在那里工作。我并不认为这很容易,任何小公司都会经历起伏。作为创始人和管理者,有时会觉得所有事都会向你扑来,并且许多你必须处理的事都不是你作为教授会碰到的。但是,这真的有巨大的吸引力,面对无休止的挑战和一种真正的、快乐的、改变生活的经历——在经营自己的事业时会有极大的自由的感觉。我的建议是:倾听每个人的想法,为自己思考。


RB:商业化很难,且很费时,可能需要很多年。只有很少的企业能够拥有坚持到最后的耐心和承诺。许多公司尝试了,但很少走到最后。试着和那些有耐力走到最后的人和组织一起工作。

 

年轻的科学家从专业的膜研究中能够获得什么?


AL:攻克材料科学和其它领域的最新研究的问题非常实用,同样可以用来处理社会相关的问题。这样你就可以发表出高质量的论文并建立新的流程和产品;而对于那些有企业心态的人来说,膜领域是一个很好的衍生出公司的领域。


RB:需要血、汗和眼泪,但是这个领域具有改变工业过程的潜力。

 

你们认为在这个领域最有可能的突破是什么?很快会到来吗?


AL:啊哈,如果只有我知道。我的预期是通过缓慢的施加更精确的控制膜的分子尺寸,会衍生更多的新的应用领域以及实现现有应用的进步。我认为在未来35年内会看到分子分离的重大进步。


RB:最近的重大突破是市政水处理厂中的浸没式膜(submerged membranes)组件。这是一个数十亿美元的应用领域,正在改变水处理和利用的方式。这项技术很可能会在全世界改变水的再用。另一个拥有巨大潜力的应用是电厂烟气中的二氧化碳捕获,可以在未来几年实现,取决于世界各国政府是怎样改善全球变暖的。长期来说,我认为蒸汽混合物的分离代替蒸馏的可能性很大。已经有小规模的乙醇-水混合物的分离完成了,但是需要膜能够在100-150℃的蒸汽混合物条件下运行——不容易,但是可能。