膜界面微尺度力場(chǎng)-濃度場(chǎng)的協(xié)同調(diào)控實(shí)現(xiàn)晶核自動(dòng)篩選及過程優(yōu)化
膜界面微尺度力場(chǎng)-濃度場(chǎng)的協(xié)同調(diào)控實(shí)現(xiàn)晶核自動(dòng)篩選及過程優(yōu)化
（AIChE J.,2018, DOI: 10.1002/aic.16459）
膜結(jié)晶耦合過程利用膜界面精確的物質(zhì)選擇性傳遞機(jī)制和高效界面誘導(dǎo)成核效應(yīng)，正在成為極具潛力的結(jié)晶過程精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)，有望推動(dòng)相關(guān)高端專用/電子級(jí)化學(xué)品制備產(chǎn)業(yè)的革新和升級(jí)。然而，膜結(jié)晶過程中初始晶核在膜界面的生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)和輸送機(jī)制尚不明晰，是該技術(shù)推廣應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問題。
大連理工大學(xué)新型高效過程耦合強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)基于對(duì)膜結(jié)晶過程的控制理論研究（AIChE J., 2016, 62(3), 829; Cryst. Growth Des., 2018, 18, 934, Cover paper），提出建立微孔膜界面晶體顆粒受力-生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)耦合模型，定義了可預(yù)測(cè)不同粒度的晶核在膜表面的“滑移-脫附”判據(jù)，揭示了膜界面微流場(chǎng)、流體粘度和濃度梯度對(duì)晶核位移-輸運(yùn)的作用機(jī)制，并通過自主建立的高速顯微攝像系統(tǒng)驗(yàn)證了這一機(jī)制（圖1）。
圖1晶核在膜界面滑移-脫附判據(jù)的影響因子模擬（A to C）和在線高速顯微實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果（D、E）。（圖片來(lái)源：AIChE J., 2018, DOI: 10.1002/aic.16459）
這一發(fā)現(xiàn)從微尺度顆粒受力-晶體動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)的角度很好地解釋了膜界面過飽和度、流體動(dòng)量變化耦合調(diào)控晶體顆粒粘附、脫離和生長(zhǎng)的控制機(jī)制；研究者進(jìn)一步提出暫時(shí)性的晶體粘附可以實(shí)現(xiàn)有效的成核響應(yīng)和檢測(cè)，只有永久的晶體粘附才導(dǎo)致膜污染。這一發(fā)現(xiàn)有效區(qū)分了“膜結(jié)晶”和“膜污染”兩個(gè)概念，解釋了二者相互轉(zhuǎn)化的內(nèi)在機(jī)制，為削弱潛在的“膜污染”風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)“膜結(jié)晶”連續(xù)運(yùn)行提供了理論支撐（圖2）。
圖2膜界面微尺度力場(chǎng)-濃度場(chǎng)模型及膜結(jié)晶功能分區(qū)的示意圖。（圖片來(lái)源：AIChE J., 2018, DOI: 10.1002/aic.16459）
在此基礎(chǔ)上，研究者指出利用膜界面生長(zhǎng)歷程中存在高效抑制成核-快速生長(zhǎng)調(diào)控的功能區(qū)域，通過精確調(diào)控體系過飽和度分布及晶核空間動(dòng)態(tài)分布，可以使膜界面晶核的自動(dòng)脫附，完成特定粒度范圍的晶核自動(dòng)篩選，同時(shí)有效抑制二次成核域和枝狀生長(zhǎng)域的形成。這一高效調(diào)控的功能區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)晶體表面快速生長(zhǎng)和異相雜質(zhì)組分快速遷移的雙向分離過程同步強(qiáng)化，用于快速制備粒度分布集中，超高純度的晶體產(chǎn)品（圖3）。
圖3膜界面晶核自動(dòng)篩選機(jī)制示意圖及晶體產(chǎn)品表征結(jié)果。（圖片來(lái)源：AIChE J., 2018, DOI: 10.1002/aic.16459）
以上研究成果發(fā)表在國(guó)際化工領(lǐng)域頂級(jí)期刊AIChE Journal上。該研究工作得到了國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（21527812，21676043）、科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和大連理工大學(xué)“星海”人才計(jì)劃支持。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.16459
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