研究方向二：材料制备的化学工程方法

基本研究思路是利用化学工程学科的理论及方法指导材料的设计与制备，通过对材料生产过程进行系统的化学工程研究，同时发展若干重要新材料的设计与制备方法，奠定新材料产业形成的理论与技术基础。在研究方向的选择上，依据国家重大需求和本实验室的优势研究方向，重点发展生物基高分子材料制备技术，以缓解大宗原材料和重要化学品生产对矿石资源的高度依赖；重点发展水泥生产的绿色制备技术，提供其循环经济的理论基础；建立面向应用过程的无机膜材料设计方法，通过对无机膜材料的功能－结构－制备关系的理论研究，揭示宏观使用性能与材料微结构的定量关系以及材料的微结构形成机理与控制规律，从而建立面向应用过程的陶瓷膜材料设计与制备的理论框架。拟开展如下研究工作：

1）生物基材料研究

以国家石油替代战略目标为导向，研究生物质为原料的大宗高分子基础原材料的制备技术，缓解材料工业对矿石资源过分依赖的局面。用生物化学的理论揭示生物高分子及单体的合成机理、生物高分子性能和工艺参数控制的关系。用现代化学工程手段，解决生物材料制备过程中的若干关键问题，使我国的生物基材料制备技术达到国际先进水平。主要包括：生物催化剂筛选和改造，面向生物材料单体和高聚物制备所需，开展微生物或酶发现的理论和方法学研究，建立和完善生物催化剂的改造方法学，搭建离子束、激光、化学诱变剂常用诱变技术平台，能够在更快时间内，开发出性能更好、更经济的适用生物材料制备的微生物菌种。建立合理分子设计，定向进化改良微生物的方法，在离子束生物技术与分子生物学结合改造微生物方面形成特色，在变种库构建和高通量筛选方法上实现突破。围绕几个大宗聚合物单体制备所需，开展微生物菌种筛选和改造研究，包括聚乳酸单体L-和D-乳酸；被誉为“21世纪大型纤维”PTT生产的关键单体1,3-丙二醇；聚氨基酸单体L-和D-氨基酸，如L-精氨酸，L-丙氨酸及丙酸生产菌种研究。筛选和改造适用于制备聚谷氨酸、聚赖氨酸等聚酰胺类生物高分子和威兰胶多糖类高分子用的生物催化剂；生物高分子材料的生物催化过程：研究生物转化生产单体和高聚物的代谢机理，以生物高分子聚谷氨酸合成代谢途径为研究对象，应用近年来研究相当活跃的同位素示踪分析和代谢工程理论和技术，分析生物代谢途径和网络，阐明生物聚合的关键酶和限速步骤，在此基础上采用分子生物学手段强化代谢中心流，敲除副产物代谢旁路，使微生物菌种朝着聚谷氨酸合成的方向进行代谢，达到超量合成聚谷氨酸的目的。研究单体和高聚物的生物转化过程中调控和优化问题。拟重点研究丁二酸的高密度发酵，放大生产的影响因素，探索生物路线生产丙酸的技术。研究细胞的固定化技术以提高丙酸生产菌种的稳定性和催化活力，综合考虑副产物维生素B12的联产和回收问题，实现丙酸生产过程的利益最大化，并设计反应与分离耦合装置，实现丙酸的连续生产；生物高分子材料的催化合成：生物基平台化合物脱水催化工程的应用技术研究，以生物乙烯及生物基丙烯酸为研究体系，探索以生物发酵得到的生物小分子为原料，通过化学法脱水制得大宗化学品，提高催化剂反应选择性及使用寿命，并通过一系列表征手段探索其改性及反应机理；建立完整的工业催化剂性能评价体系，并进行生物发酵过程与催化脱水工艺过程耦合一体化研究，建立中试规模工艺和装备，进而完成对该工艺的技术经济指标评价，为工业规模化生产提供工业化装备的设计、制造和优化技术。

2）无机膜材料研究

我国过程工业中，资源利用率低、能源消耗高、环境污染严重等问题大都与分离过程中的高能耗和低效率有密切关系，而无机膜材料是解决分离过程中这些问题的有效途径之一。对无机膜材料的设计、制备与应用进行系统的研究，在理论上建立面向应用过程的膜材料设计与制备的理论框架，在方法上建立我国膜材料的设计技术平台和指标评价体系，在技术上解决若干对国民经济有重要影响的特种膜材料的微结构控制和膜形成的关键问题，使得我国无机膜材料制备技术达到国际先进技术水平，为我国无机膜领域的跨越式发展和在国家重大工程中的应用提供基础。主要包括多孔陶瓷膜制备方法与微观结构的关系研究，建立粒子堆积孔径及孔隙率与原料粒子粒径分布之间的关系方程，在理论上揭示膜形成过程中孔道的空间结构变化规律，对膜在多孔载体上热处理过程中颗粒的一维受限变化行为与烧结制度间的关系进行研究，建立多孔载体上薄膜热处理过程中“一维受限烧结机理”，对多孔陶瓷膜中物质传递机理和流体力学进行研究，研究设计结构更加合理的大型陶瓷膜元件，基于掺杂理论，从材料学角度对膜表面性质进行剖析，研究掺杂对膜材料微结构及表面性质的影响，关联膜材料微结构及表面性质与掺杂控制条件的关系，从而获得高性能的陶瓷膜材料；致密金属膜的设计制备与氢气分离集成过程研究，在前期光催化沉积制备钯膜的专利技术基础上，研究开发新型超薄金属合金膜制备方法，通过光催化沉积制备完整致密的金属透氢膜，研究超薄化金属膜的耐久性；混合导体膜材料的设计、制备及应用，研制新的高氧通量、高稳定性的具有自主知识产权的透氧膜材料、继续开展将CO2热分解和CH4部分氧化制合成气耦合在一个致密透氧膜反应器中的膜反应过程，研究反应过程中膜材料结构的演变规律，研制高效、稳定的二氧化碳分解催化剂、制备支撑体和膜层不同种材料的片式/管式担载型混合导体透氧膜，并建立担载型致密透氧膜透氧机理的数学模型、制备中空纤维混合导体致密透氧膜，建立CH4部分氧化制合成气的膜反应器样机、研究膜反应器的设计和管式膜反应器的高温密封材料和技术；有机/陶瓷复合膜的设计、制备及应用，重点开发高性能复合PDMS/陶瓷透醇膜材料及有机/陶瓷复合透水膜，突破复合膜放大制备技术及膜元件、组件以及成套装置工程化放大过程中的若干关键问题，预期形成规模化制备改性PDMS/陶瓷透醇膜的制备技术、渗透汽化膜组件的工业设计技术，以及与膜组件相匹配的成套装备，建立透水、透醇膜一体化测试平台；分子筛膜的制备及其在有机物混合体系中的分离研究，研究支撑体制备技术，分析多孔支撑体微观结构对分子筛晶体成长的影响，从而实现对不同种类的膜进行相对应的支撑体设计与制备；研究分子筛晶体生长机理，建立分子筛膜晶体成长过程与制备控制参数之间的关系；重点研究NaA型分子筛膜的规模制备，并以乙醇/水体系为重点，进行NaA分子筛膜渗透汽化工业装置的研制，达到工业应用的水平。

3）胶凝材料研究

针对我国水泥生产资源消耗量大但有效利用率低下问题，本方向吸纳化学工程理论，通过对水泥制备中机理问题及熟料体系研究，突破传统的硅酸盐水泥熟料矿相体系，提高水泥熟料胶凝性，改善传统水泥制造工艺。本方向的研究可以在我国建立强度与耐久性兼优的高性能水泥材料新体系，实现水泥和水泥基材料的高性能化和生态化。主要包括对高C3S熟料的C3S最佳含量、矿物相匹配和掺杂物质的作用进行研究，制备出高C3S熟料。研究掺杂C3S调制结构，建立与水化活性的关系；研究高C3S熟料、表面活化的天然辅助性胶凝材料和石膏的优化复合来制备高性能水泥，并得到转化应用；基于水泥低水灰比的实际应用和高性能化来开展水泥浆体的组成和结构研究，建立水泥浆体结构模型；针对有害离子侵蚀环境和碱集料反应典型工程应用开展高性能水泥基材料耐久机理研究，建立寿命预测模型，提出高耐久水泥基材料的设计原理。