姜曉濱：學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)的“結(jié)晶”之旅

干思思

在一望無垠的海灘上，海水被攔截在一方方鹽池里，太陽把鹽水曬干了，海水里溶解的氯化鈉結(jié)晶出來，形成了粗鹽……結(jié)晶，就是指固體物質(zhì)以晶體狀態(tài)從蒸汽、液體或熔融物中析出的過程。海水曬鹽，就是一個(gè)典型的利用蒸發(fā)進(jìn)行結(jié)晶的例子。通過結(jié)晶，能從雜質(zhì)相當(dāng)多的溶液或多組元的熔融物中分離出高純或超純的晶體，不僅效果顯著，耗能較低，而且很少有“三廢”排放，有利于環(huán)境保護(hù)。此外，結(jié)晶產(chǎn)品在包裝、運(yùn)輸、貯存以及使用上都很方便。因此，這項(xiàng)技術(shù)被廣泛地運(yùn)用在食品、醫(yī)藥、海洋化工、石油化工、冶金等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。大連理工大學(xué)教授姜曉濱，正是工業(yè)結(jié)晶研究領(lǐng)域的優(yōu)秀青年代表?！案咝ЧI(yè)結(jié)晶是制造高端功能材料與產(chǎn)品的共性綠色分離技術(shù)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)生命科學(xué)、醫(yī)藥、國(guó)防及能源等領(lǐng)域高端化、高質(zhì)化發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義?！苯獣詾I說。

效仿恩師，

投身化工分離過程領(lǐng)域

2007年，在天津大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)讀完本科后，求知若渴的姜曉濱繼續(xù)留在母校，直接攻讀化學(xué)工程專業(yè)博士學(xué)位，師從工業(yè)結(jié)晶專家、中國(guó)工程院院士王靜康教授。談及導(dǎo)師，姜曉濱有很多話要說：“王老師是新中國(guó)工業(yè)結(jié)晶技術(shù)的奠基人之一，她的科研成果使我國(guó)工業(yè)結(jié)晶研發(fā)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，躋身世界前沿。王老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度、執(zhí)著的探索精神深深地感動(dòng)了我，使我受益匪淺。能在她的指導(dǎo)下進(jìn)行工業(yè)結(jié)晶方面的學(xué)習(xí)，我倍感榮幸?！?/p>

姜曉濱回憶起自己做博士課題時(shí)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)展得很不順利。當(dāng)時(shí)正值夏天，實(shí)驗(yàn)室里也沒有空調(diào)，環(huán)境悶熱難耐，大家都比較急躁。這時(shí)已經(jīng)70多歲高齡的王老師趕了過來，與大家一起并肩作戰(zhàn)，忙得連中午飯都沒顧上吃。在老師的帶領(lǐng)下，不準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了更正，課題項(xiàng)目順利地開展下去了?！拔覀?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)，往往需要多次測(cè)定數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)有變動(dòng)時(shí)，就需要重復(fù)10次、20次進(jìn)行測(cè)試。直到數(shù)據(jù)的波動(dòng)在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，才算是測(cè)準(zhǔn)確了。王老師用她的一言一行教會(huì)我們，要將耐心、細(xì)心、恒心這‘三心運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)中，才能有所突破。”

2012年博士畢業(yè)后，姜曉濱來到大連理工大學(xué)，開啟了他的教學(xué)科研生涯。在教書育人的同時(shí)，姜曉濱也不忘進(jìn)行科學(xué)研究?！笆紫?，我是一個(gè)大學(xué)老師，培養(yǎng)人才始終是教師長(zhǎng)期的追求，得天下英才而育之是一種快樂，更是本職工作。同時(shí)，我也是一名科研工作者，在科技創(chuàng)新中也有一份應(yīng)盡的責(zé)任?！苯獣詾I說。

在大連理工大學(xué)，姜曉濱的科研工作取得了一系列突破性進(jìn)展。他通過“理工融合，協(xié)同創(chuàng)新”，針對(duì)結(jié)晶過程的精確調(diào)控研究領(lǐng)域，開展了高精度過飽和濃度調(diào)控、全色級(jí)溶液成核響應(yīng)、晶體成核和生長(zhǎng)耦合控制3個(gè)方面的創(chuàng)新研究。相關(guān)研究成果以第一或通訊作者在化工三大期刊（AIChE J.、Chem. Eng. Sci.、Ind. Eng. Chem. Res.）、ACS Nano、J. Membrane Sci. Cryst. Growth Des.、Lab Chip等期刊發(fā)表論文30多篇。此外，他還主持了國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目子課題、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、大連市高端人才培養(yǎng)計(jì)劃、企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目等20余項(xiàng)，授權(quán)中國(guó)、美國(guó)、日本發(fā)明專利累計(jì)15項(xiàng)。由于其卓越貢獻(xiàn)，姜曉濱獲得了“侯德榜化工青年科技獎(jiǎng)”“中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)青年科技突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”“全國(guó)石油和化工行業(yè)優(yōu)秀科技工作者”“興遼英才計(jì)劃人才”“大連市青年科技之星”等榮譽(yù)稱號(hào)。

單絲不成線，獨(dú)木不成林。姜曉濱坦言，成績(jī)的取得離不開整個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的支持和幫助?！盎な且粋€(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，涉及化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、材料科學(xué)等各個(gè)方面的學(xué)科知識(shí)。因此，在進(jìn)行科研成果的開發(fā)過程中，我們將不同學(xué)科專業(yè)的優(yōu)秀老師和學(xué)生集結(jié)起來，共同思考與研究，在多學(xué)科的相互協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)課題項(xiàng)目的創(chuàng)新突破?！苯獣詾I介紹說，交叉學(xué)科課題的提出，實(shí)現(xiàn)了個(gè)性與共性的巧妙融合，十分有利于人才的培養(yǎng)與發(fā)展。由于每個(gè)人的研究方向各不相同，因此研究思路、方法也各異，這給予了個(gè)人充足的成長(zhǎng)空間，也避免了因研究方向類似造成的人才浪費(fèi)。同時(shí)，由于學(xué)科上的交集，成員間需要進(jìn)行一定交流與合作，這既有利于團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，也有力推動(dòng)了項(xiàng)目的整體發(fā)展。

突破瓶頸，

實(shí)現(xiàn)晶體成核的精確調(diào)控

工業(yè)結(jié)晶科學(xué)看似陌生，實(shí)則與我們的生活息息相關(guān)。例如，高濃度尿酸鹽在人體內(nèi)結(jié)晶是痛風(fēng)產(chǎn)生的根源，探明抑制尿酸鹽結(jié)晶的機(jī)理，研發(fā)出精確調(diào)控尿酸鹽結(jié)晶的方法，將有助于痛風(fēng)的治療。此外，在與生命健康相關(guān)的制藥工業(yè)中，85%以上的產(chǎn)品（包括中間體等）為固體，絕大部分都采用了工業(yè)結(jié)晶技術(shù)進(jìn)行分離和精制。如頭孢類抗生素的制備，就需要通過青霉素G鉀鹽結(jié)晶、頭孢G酸結(jié)晶等多種結(jié)晶作用……工業(yè)結(jié)晶技術(shù)如此重要，但要精確掌握它并非易事?！拔野l(fā)現(xiàn)，晶體成核和成長(zhǎng)的過程很難去測(cè)定與調(diào)控。這個(gè)問題，從我求學(xué)的那一刻開始便深深地留在了腦子里，我一直想要攻克它。”

姜曉濱解釋道，結(jié)晶的首要條件是過飽和溶液的形成。溶液在一定的過飽和狀態(tài)下，會(huì)從中析出晶體，其析出過程包括兩種基本現(xiàn)象：第一，成核。在溶液中不存在任何晶體，當(dāng)溶液達(dá)到一定的過飽和狀態(tài)，溶液中的溶質(zhì)會(huì)形成細(xì)小的晶體，科學(xué)家稱這樣的過程為成核過程（初級(jí)成核），或在更廣泛的意義上講，所有形成可供晶體成長(zhǎng)的過程為成核過程。第二，成長(zhǎng)。在一定過飽和溶液（介質(zhì)）中的晶體都會(huì)發(fā)生成長(zhǎng)，晶體從小變大的過程就叫作成長(zhǎng)過程。結(jié)晶過程的研發(fā)實(shí)際上就是以精確測(cè)定介穩(wěn)區(qū)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為前提，以嚴(yán)格調(diào)控體系過飽和度為保證的。因此，開發(fā)對(duì)結(jié)晶成核具有高靈敏響應(yīng)，并能精確調(diào)控體系濃度的方法和儀器，一直是結(jié)晶過程研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

“現(xiàn)階段使用最廣的光學(xué)法，無法檢測(cè)不透明溶液的成核;同時(shí)，可見光基于衍射原理，只能檢測(cè)約300nm左右的晶核，這是該類方法的極限，而一般的初始晶核要小于100nm?！苯獣詾I說。

姜曉濱所在的“新型高效膜分離過程”學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)通過3年的研究，將微孔膜蒸餾與結(jié)晶過程耦合，提出“基于微孔膜蒸餾的結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)測(cè)定和過程調(diào)控”課題。項(xiàng)目組創(chuàng)新性地提出利用微孔膜蒸餾選擇性脫除溶劑，溶質(zhì)濃縮并在膜孔區(qū)域成核，導(dǎo)致跨膜通量驟減的效應(yīng)，以微孔膜作為響應(yīng)界面檢測(cè)成核。該檢測(cè)原理突破了現(xiàn)有光學(xué)法在不透明體系中光強(qiáng)信號(hào)弱、無法檢測(cè)成核的關(guān)鍵瓶頸。在研究中，團(tuán)隊(duì)將膜蒸餾過程中“晶體成核—膜孔堵塞—溶劑膜通量驟降”的連鎖效應(yīng)，應(yīng)用于結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)測(cè)定，建立了一種不受溶液透光率限制的結(jié)晶成核響應(yīng)新機(jī)制。研究結(jié)果表明，對(duì)于經(jīng)典的結(jié)晶體系KNO3水溶液體系，激光法與微孔膜響應(yīng)法的介穩(wěn)區(qū)寬度測(cè)定結(jié)果吻合，計(jì)算擬合成核指數(shù)一致;對(duì)低透光度無機(jī)鹽體系，當(dāng)溶液濃度接近飽和時(shí)，激光光強(qiáng)信號(hào)衰減為初始值的1/50～1/20，不能響應(yīng)溶液中的成核。而利用微孔膜的溶劑通量衰減拐點(diǎn)，可以響應(yīng)晶體成核，完成介穩(wěn)區(qū)寬度的測(cè)定。采用這一創(chuàng)新方法，團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了CoSO4水溶液體晶介穩(wěn)區(qū)寬度的直接測(cè)定，并進(jìn)一步在數(shù)10個(gè)溶液結(jié)晶體系中得到應(yīng)用。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)跨膜通量在大量成核前還有一個(gè)更早的拐點(diǎn)，該拐點(diǎn)正是初始晶核在膜孔道區(qū)域形成，導(dǎo)致傳質(zhì)通道局部收窄引起的通量衰減。這一重要發(fā)現(xiàn)，同時(shí)突破了光學(xué)法的300nm晶核檢測(cè)精度極限：初始成核的響應(yīng)拐點(diǎn)標(biāo)志著膜界面（膜平均孔徑<100nm）檢測(cè)原理可更早響應(yīng)成核現(xiàn)象，更準(zhǔn)確測(cè)定體系的臨界成核狀態(tài)，為結(jié)晶的精確調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。該成核檢測(cè)原理與國(guó)際先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)相比，適用范圍、檢測(cè)精度、有效檢測(cè)區(qū)域等核心指標(biāo)都具有顯著優(yōu)勢(shì)。

基于該項(xiàng)創(chuàng)新研究，團(tuán)隊(duì)獲批國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目，姜曉濱擔(dān)任項(xiàng)目組副組長(zhǎng)，成功研發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的膜界面成核檢測(cè)原理性樣機(jī)，被國(guó)家自然科學(xué)基金委、科學(xué)網(wǎng)等專題報(bào)道。

一舉兩得，

用“膜”法變廢為寶

近年來，隨著現(xiàn)代化和工業(yè)化的進(jìn)程不斷加快，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，人民的生活水平也日益提高，但同時(shí)引起的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重。這其中，大氣污染是極為重要的一方面。而石油、化工、建材、機(jī)械等行業(yè)排放的揮發(fā)性有機(jī)氣體（VOCs），是霧霾和大氣污染的重要根源，對(duì)其減排已成為我國(guó)環(huán)境保護(hù)的重要任務(wù)。

立足時(shí)代需要，姜曉濱作為“高效氣體分離膜與膜過程”科研團(tuán)隊(duì)的核心骨干，通過多年的研發(fā)攻關(guān)，建立了一條不同于簡(jiǎn)單銷毀/降解方法的全新技術(shù)路線，通過膜回收技術(shù)解決化工行業(yè)VOCs問題，實(shí)現(xiàn)高效回收與減排的“雙贏”?！癡OCs雖然是一種有害氣體，但它又是一種高價(jià)值資源，我們利用膜分離對(duì)其進(jìn)行高效回收，既可以有效減排，又可以變廢為寶，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。”姜曉濱解釋道。

利用膜的選擇性分離實(shí)現(xiàn)料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳統(tǒng)過濾的不同在于，膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)行分離，并且這個(gè)過程是一種物理過程，不須發(fā)生相的變化和添加助劑?！癡OCs分離膜會(huì)優(yōu)先透過大分子，這與以往在煉廠氣回收過程中使用的優(yōu)先透過小分子的氫膜，在材料和滲透機(jī)理等方面完全不同?！苯獣詾I說，由于VOCs膜發(fā)展歷程短，其工業(yè)制備和應(yīng)用存在膜材料、膜組件和工藝流程等一系列難題：微米級(jí)超薄分離層在生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)缺陷，選擇性降低，在VOCs體系中易蠕變，壽命短;膜分離器靜電積累，易引起含氧體系燃燒爆炸;VOCs回收減排過程壓力低、成本高，分離器和過程亟須優(yōu)化，提高能效。

除了這些科技難題，科研工作者們還要面對(duì)其他國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖。在“膜法高效回收與減排化工行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)氣體”項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)，全球僅美國(guó)MTR和德國(guó)BORSIG公司實(shí)現(xiàn)了VOCs膜的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用，并全球壟斷，對(duì)我國(guó)封鎖材料、制備方法和工藝包等。由于缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，我國(guó)膜法回收減排VOCs只能高價(jià)購入成套裝置，嚴(yán)重制約了化工行業(yè)環(huán)境保護(hù)和綠色化生產(chǎn)進(jìn)程。

姜曉濱說：“我們根據(jù)膜分離需求，以分子設(shè)計(jì)為指導(dǎo)，開發(fā)新的膜材料，調(diào)控膜的微結(jié)構(gòu)，制備高性能膜，建立膜分離過程的熱力學(xué)優(yōu)化判據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)膜耦合流程及膜的新應(yīng)用，在膜研制、膜分器制備和工藝包開發(fā)3方面攻堅(jiān)克難，取得了具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新科技成果?！?/p>

最終，課題組成功將VOCs通過高性能膜及裝備回收、濃縮加工成重要的化工原料，這對(duì)于環(huán)境保護(hù)和資源利用具有十分重要的意義。同時(shí)，他們還將膜分離、吸收、吸附和淺冷等多技術(shù)耦合集成，提高了污染控制的效率，可使排放氣中苯濃度降低到4mg/m3，實(shí)現(xiàn)環(huán)保達(dá)標(biāo)排放。

只有促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研的合作創(chuàng)新，才能加速相關(guān)行業(yè)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)又快又好發(fā)展。基于研究成果，項(xiàng)目組還研制出高性能、長(zhǎng)壽命的VOCs分離膜及VOCs本質(zhì)安全、低流阻的高效膜分離器，并成功產(chǎn)業(yè)化，在近400項(xiàng)工業(yè)項(xiàng)目中應(yīng)用，累計(jì)回收烯烴78萬噸、油氣10萬噸，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益30多億元，13套裝備出口到美國(guó)、日本、韓國(guó)和尼日利亞等國(guó)家，使我國(guó)成為全球最大的工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用VOCs膜的國(guó)家。以上成果，榮獲2018年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)?；谠诨し蛛x技術(shù)和耦合強(qiáng)化領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，姜曉濱教授于2020年榮獲國(guó)際杰出青年化學(xué)工程師獎(jiǎng)，是該年度唯一一名獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

“化工分離過程的科學(xué)研究最終還是要落到實(shí)際的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上來。”姜曉濱說，“研究成果不應(yīng)僅僅是一篇篇文章發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上，我希望將它們變成一個(gè)個(gè)實(shí)際的應(yīng)用裝備和技術(shù)，為企業(yè)節(jié)能降耗、高效減排做出貢獻(xiàn)！”