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膜界面微尺度力場-濃度場的協(xié)同調(diào)控實現(xiàn)晶核自動篩選及過程優(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)選擇性傳遞機制和高效界面誘導成核效應，正在成為極具潛力的結(jié)晶過程精準調(diào)控技術(shù)，有望推動相關高端專用/電子級化學品制備產(chǎn)業(yè)的革新和升級。然而，膜結(jié)晶過程中初始晶核在膜界面的生長、運動和輸送機制尚不明晰，是該技術(shù)推廣應用亟待解決的關鍵問題。

大連理工大學新型高效過程耦合強化團隊基于對膜結(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-生長動力學耦合模型，定義了可預測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、流體粘度和濃度梯度對晶核位移-輸運的作用機制，并通過自主建立的高速顯微攝像系統(tǒng)驗證了這一機制（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）和在線高速顯微實驗驗證結(jié)果（D、E）。（圖片來源：AIChE J., 2018, DOI: 10.1002/aic.16459）

這一發(fā)現(xiàn)從微尺度顆粒受力-晶體動力學生長的角度很好地解釋了膜界面過飽和度、流體動量變化耦合調(diào)控晶體顆粒粘附、脫離和生長的控制機制；研究者進一步提出暫時性的晶體粘附可以實現(xiàn)有效的成核響應和檢測，只有永久的晶體粘附才導致膜污染。這一發(fā)現(xiàn)有效區(qū)分了“膜結(jié)晶”和“膜污染”兩個概念，解釋了二者相互轉(zhuǎn)化的內(nèi)在機制，為削弱潛在的“膜污染”風險、實現(xiàn)“膜結(jié)晶”連續(xù)運行提供了理論支撐（圖2）。

圖2膜界面微尺度力場-濃度場模型及膜結(jié)晶功能分區(qū)的示意圖。（圖片來源：AIChE J., 2018, DOI: 10.1002/aic.16459）

在此基礎上，研究者指出利用膜界面生長歷程中存在高效抑制成核-快速生長調(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態(tài)分布，可以使膜界面晶核的自動脫附，完成特定粒度范圍的晶核自動篩選，同時有效抑制二次成核域和枝狀生長域的形成。這一高效調(diào)控的功能區(qū)域，可實現(xiàn)晶體表面快速生長和異相雜質(zhì)組分快速遷移的雙向分離過程同步強化，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膜界面晶核自動篩選機制示意圖及晶體產(chǎn)品表征結(jié)果。（圖片來源：AIChE J., 2018, DOI: 10.1002/aic.16459）

以上研究成果發(fā)表在國際化工領域頂級期刊AIChE Journal上。該研究工作得到了國家重大科研儀器研制項目、國家自然科學基金面上項目（21527812，21676043）、科技部重點領域創(chuàng)新團隊和大連理工大學“星海”人才計劃支持。

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論文鏈接：

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

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