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膜界面微尺度力场-浓度场的协同调控实现晶核自动筛选及过程优化

时间:2018-11-30 13:32来源: 作者: 点击:

 

膜界面微尺度力场-浓度场的协同调控实现晶核自动筛选及过程优化

AIChE J.,2018, DOI: 10.1002/aic.16459

膜结晶耦合过程利用膜界面精确的物质选择性传递机制和高效界面诱导成核效应,正在成为极具潜力的结晶过程精准调控技术,有望推动相关高端专用/电子级化学品制备产业的革新和升级。然而,膜结晶过程中初始晶核在膜界面的生长、运动和输送机制尚不明晰,是该技术推广应用亟待解决的关键问题。

大连理工大学新型高效过程耦合强化团队基于对膜结晶过程的控制理论研究(AIChE J., 2016, 62(3), 829; Cryst. Growth Des., 2018, 18, 934, Cover paper),提出建立微孔膜界面晶体颗粒受力-生长动力学耦合模型,定义了可预测不同粒度的晶核在膜表面的“滑移-脱附”判据,揭示了膜界面微流场、流体粘度和浓度梯度对晶核位移-输运的作用机制,并通过自主建立的高速显微摄像系统验证了这一机制(图1)。

1晶核在膜界面滑移-脱附判据的影响因子模拟(A to C)和在线高速显微实验验证结果(DE)。(图片来源:AIChE J., 2018, DOI: 10.1002/aic.16459

这一发现从微尺度颗粒受力-晶体动力学生长的角度很好地解释了膜界面过饱和度、流体动量变化耦合调控晶体颗粒粘附、脱离和生长的控制机制;研究者进一步提出暂时性的晶体粘附可以实现有效的成核响应和检测,只有永久的晶体粘附才导致膜污染。这一发现有效区分了“膜结晶”和“膜污染”两个概念,解释了二者相互转化的内在机制,为削弱潜在的“膜污染”风险、实现“膜结晶”连续运行提供了理论支撑(图2)。

2膜界面微尺度力场-浓度场模型及膜结晶功能分区的示意图。(图片来源:AIChE J., 2018, DOI: 10.1002/aic.16459

在此基础上,研究者指出利用膜界面生长历程中存在高效抑制成核-快速生长调控的功能区域,通过精确调控体系过饱和度分布及晶核空间动态分布,可以使膜界面晶核的自动脱附,完成特定粒度范围的晶核自动筛选,同时有效抑制二次成核域和枝状生长域的形成。这一高效调控的功能区域,可实现晶体表面快速生长和异相杂质组分快速迁移的双向分离过程同步强化,用于快速制备粒度分布集中,超高纯度的晶体产品(图3)。

3膜界面晶核自动筛选机制示意图及晶体产品表征结果。(图片来源:AIChE J., 2018, DOI: 10.1002/aic.16459

以上研究成果发表在国际化工领域顶级期刊AIChE Journal上。该研究工作得到了国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金面上项目(2152781221676043)、科技部重点领域创新团队和大连理工大学星海人才计划支持。

 

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.16459

 

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