邢卫红（左二）指导团队开展工作。受访者供图

■本报记者 甘晓

在现代化工生产中，物质精准分离离不开能在高温、高盐、强腐蚀环境下稳定工作的“筛子”——特种分离膜。这类功能膜材料形态丰富、品类多元，既有薄如蝉翼的高分子薄膜，也有坚硬致密的无机陶瓷管，还有细如发丝的中空纤维束，可适配不同工业场景的分离需求。

这些形态各异的特种分离膜可在分子尺度准确地“挑出”目标物质，无需加热和燃烧等工序，节能又环保，让工业分离变得更清洁、高效、经济。

自2020年起，在国家自然科学基金创新研究群体项目“特种分离膜”（以下简称创新研究群体项目）的支持下，南京工业大学研究员邢卫红带领团队以“设计膜、做好膜、用好膜”为主线，构建起从基础研究到工程化应用的全链条创新体系，形成国际一流研究队伍，持续引领我国特种分离膜领域发展。

近日，在接受《中国科学报》采访时，邢卫红表示：“我们的核心使命是持续攻克基础研究关键科学问题，研发化工节能减碳与高质量发展中用得上、用得起、用得好的特种分离膜。”

直面瓶颈，找准科学方向

我国是化工制造大国，分离过程能耗占比高，传统工艺普遍存在高耗能、高排放、效率偏低等问题。而膜材料需要面对高温、强酸强碱、有机溶剂、复杂烟气等极端工况，普通膜材料极易失效，难以实现长期稳定运行。

“无膜可用”，这是创新研究群体项目立项之初，邢卫红深入企业一线调研时听到最多的行业呼声。膜领域普遍存在“跷跷板效应”，即膜的渗透通量与分离选择性相互制衡，往往通量越高选择性越低、选择性越高则通量越低，成为高性能膜材料研发的固有难题。

团队深入剖析发现，彼时我国特种分离膜产业发展面临多重现实瓶颈。例如，膜结构、制备工艺与使用性能之间的匹配关系尚不清晰，膜材料设计缺少理论支撑，微结构精密构筑方法亟待发展；高端苛刻应用场景长期面临膜性能不达标、无法规模化应用的困境，难以支撑化工、环保、能源等行业绿色转型升级。

面向国家重大需求与产业现实挑战，邢卫红团队于2019年获得创新研究群体项目立项支持，由邢卫红担任学术带头人，会聚南京工业大学化工学院教授陆小华、金万勤、范益群、汪勇、暴宁钟等骨干成员，共同开展研究。

团队凝练提出三大核心科学目标，即膜传质模型构建、膜微结构精密构筑、膜微结构稳定性控制。邢卫红解释，三者构成互为支撑、紧密衔接的逻辑体系。膜传质模型构建解决“如何科学设计膜”的基础问题，膜微结构精密构筑解决“如何高质量做好膜”的技术问题，膜微结构稳定性控制解决“如何高效用好膜”的工程问题。

“膜传质模型为膜制备、膜应用提供理论支持，膜制备、膜应用反馈数据，为膜传质模型提供验证；膜制备为膜应用提供核心膜材料，膜应用的稳定性为膜制备方法调控提供依据。”她表示。

几年来，在创新研究群体项目的支持下，科研团队在三大方向协同发力，将膜传质机理研究从传统多孔传质拓展至纳微结构限域传质，同时提出固态溶剂调控新策略，实现膜材料微观结构的精准设计与可控构筑。相关基础研究成果达到国际先进水平。

三步创新，锻造膜材料利器

在创新研究群体项目支持下，邢卫红团队系统推进“设计膜、做好膜、用好膜”全链条创新，把基础研究突破转化为可制造、可应用、可推广的膜材料与成套技术。

在“设计膜”方面，团队聚焦限域传质机理，打破膜渗透性能与分离性能之间的“跷跷板效应”，实现膜结构按需定制。

“我们发现，当膜孔径缩小到一定尺度时，分子在孔道内的传递会产生滑移效应，推动分离性能实现大幅提升。”邢卫红介绍说。而“限域传质理论模型”就是在这一机理的基础上建立起来的，用以指导分离分子、膜孔道及孔壁界面间的协同设计，为高性能膜材料研发筑牢了理论根基。

在“做好膜”方面，科研团队对膜的微观结构进行精细调控，全面提升膜综合性能。

团队开发了固态溶剂、纳米胶囊封装等原创策略，攻克膜微结构精准调控难题，成功研发出新型功能膜，在国际上率先实现技术突破。通过调控膜从表面到断面的荷电状态，团队设计构筑荷电渐变层级结构膜，显著提升了膜分离效能。

例如，团队成员、南京工业大学教授孙世鹏率先提出“纳米胶囊封装”方法，将改性剂定量封装并在成膜过程中可控释放，制备耐酸、耐碱、耐有机溶剂的特种纳滤膜，建成年产50万平方米规模化生产线。2022年6月，这项前沿技术吸引社会资本入局，催生了一家高科技产业化企业。投资方高度看好这项中空纤维纳滤膜技术，尤其是其突出的拉伸力学性能和分离性能。“达到这一性能水平的同类产品，在国际上也十分稀缺。”邢卫红表示。因此，投资方投入1500余万元成立产业化公司，落地建设专业化生产线，推动成果快速转化。

而“用好膜”则重在提升膜在复杂工况下的抗污染能力、结构稳定性与综合使用效能。团队围绕工业实际场景开展系统集成研究，解决了膜污染、性能衰减、结构脆裂等长期制约规模化应用的痛点。他们在高温工况中发现膜材料自愈合现象，通过温度与气氛协同调控实现膜结构在应力作用下的自我修复，大幅提升膜材料的使用寿命与运行可靠性。

一系列关键技术难题的攻克让高性能膜材料真正走出实验室，进入大型工业装置并实现长期稳定运行。

基础研究的持续创新，也推动了我国膜领域学术平台建设。在创新研究群体项目立项之前，有学者看到，我国膜产业与膜科学研究已跻身国际前列，却始终缺少一本由本土主办的国际英文期刊。依托创新研究群体项目的诸多高水平成果，团队于2021年创办英文学术期刊《先进膜》（Advanced Membranes）。

“事实上，我国膜领域学术论文发表量、引用量均位居全球首位，却没有属于自己的国际专业期刊，与行业学术地位和产业发展格局并不匹配。”邢卫红表示。

于是，团队牵头倡议，凝聚全球华人膜领域学者力量，携手创办中国人自主主导的国际学术期刊，得到学界广泛支持。如今，期刊创办三年多，影响力已超过国际传统同类顶刊，成为展示中国膜领域原创成果的重要窗口。

邢卫红说：“我们实现了把高质量科研成果发表在中国期刊上！”

扎根产业 建强梯队

依托创新研究群体项目的基础理论创新，团队接连攻克多个行业关键技术难题。

面向石油炼制行业“双碳”转型与“油转化”升级需求，团队创制“Janus结构陶瓷膜”。这一成果利用膜两侧亲水疏水的不对称界面特性，优化强化重油催化裂化反应过程。该技术已在280万吨级重油催化裂化装置落地应用，提升了轻质油收率，为炼油行业节能增效、绿色低碳转型开辟了全新路径。

针对化工、制药、半导体行业含氯挥发性有机物治理难题，团队研发耐氯型聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜成套技术，建成专业化、规模化生产线，相关技术装备已在行业推广应用100余套，溶剂回收效率与节能降碳成效十分突出。相关成果荣获2023年度国家科学技术进步奖二等奖。

邢卫红认为，工科领域重大原创突破，离不开一代又一代科研人员的接续奋斗。自1994年南京工业大学膜科学技术研究所成立以来，团队始终秉持“靠近科学、靠近工程”的发展理念。

“科研选题必须源于产业真实需求。”邢卫红强调。团队坚持将企业一线技术难题凝练为前沿科学问题，把产业发展刚需确立为研究方向，针对不同品类、不同应用场景的膜材料，实行分阶段、差异化研发布局，精准对接市场实际需求。

团队构建起老中青梯次搭配、结构合理、富有活力的科研人才梯队。“我们建立以重大任务为导向的青年人才激励机制，大力支持青年骨干牵头承担重点科研攻关任务。”邢卫红表示。

与此同时，依托创新研究群体项目的培育支撑，团队整合国家特种分离膜工程技术研究中心、江苏省膜材料与膜过程协同创新中心平台资源，推行“一所两制、统一管理”，组建高校科研人员与产业化平台人员深度融合的研究队伍，有力促进了科技创新和产业创新深度融合发展。在这一培养体系下，一大批既深耕基础理论又通晓产业工程的复合型青年人才迅速成长、脱颖而出。

比如，南京工业大学化工学院教授仲兆祥针对大气污染物PM2.5超低排放面临的问题，研制出满足化工烟气高效治理的改性聚四氟乙烯（PTFE）和高温碳化硅膜产品并实现了规模化应用，烟气净化后达到国家超低排放标准，运行能耗降低1/3以上，减污降碳效果显著，为化工企业烟气治理提供了技术支撑。南京工业大学化工学院教授潘宜昌则聚焦石油化工轻烃分离能耗高的问题，研制出丙烯丙烷分离用沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）膜材料，并提出微空间转化策略，实现了ZIF-8膜的规模化制备，并进一步建成验证性侧线分离装置，为膜法同碳数烃的高效分离提供了一条具有实际应用前景的技术路径。

在团队成员看来，创新研究群体项目给予了长期稳定、聚焦前沿的科研保障，让科研人员能够潜心钻研、深耕细作，开展长周期系统性科研攻关。

邢卫红介绍，团队还特别注重学生的培养，鼓励学生以科研成果参加创新创业竞赛。近年来，多名学生在中国国际大学生创新大赛、“挑战杯”全国大学生竞赛等活动中取得优异成绩。

面向未来，邢卫红团队将继续深化限域传质理论研究，攻克高端膜材料与分子分离/离子分离关键技术难题，持续拓展特种分离膜在新能源、环境治理、医药健康、绿色化工等领域的应用，推动原创成果工程化、产业化。