姜曉濱：學術與產業的“結晶”之旅

干思思

姜曉濱

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晶出來，形成了粗鹽……結晶，就是指固體物質以晶體狀態從蒸汽、液體或熔融物中析出的過程。海水曬鹽，就是一個典型的利用蒸發進行結晶的例子。通過結晶，能從雜質相當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，有利于環境保護。此外，結晶產品在包裝、運輸、貯存以及使用上都很方便。因此，這項技術被廣泛地運用在食品、醫藥、海洋化工、石油化工、冶金等多個工業領域。大連理工大學教授姜曉濱，正是工業結晶研究領域的優秀青年代表。“高效工業結晶是制造高端功能材料與產品的共性綠色分離技術，對推動我國生命科學、醫藥、國防及能源等領域高端化、高質化發展具有重要的戰略意義。”姜曉濱說。

效仿恩師，投身化工分離過程領域

2007年，在天津大學應用化學專業讀完本科后，求知若渴的姜曉濱繼續留在母校，直接攻讀化學工程專業博士學位，師從工業結晶專家、中國工程院院士王靜康教授。談及導師，姜曉濱有很多話要說：“王老師是新中國工業結晶技術的奠基人之一，她的科研成果使我國工業結晶研發實現了跨越式發展，躋身世界前沿。王老師淵博的學識、嚴謹的科研態度、執著的探索精神深深地感動了我，使我受益匪淺。能在她的指導下進行工業結晶方面的學習，我倍感榮幸。”

姜曉濱回憶起自己做博士課題時，實驗進展得很不順利。當時正值夏天，實驗室里也沒有空調，環境悶熱難耐，大家都比較急躁。這時已經70多歲高齡的王老師趕了過來，與大家一起并肩作戰，忙得連中午飯都沒顧上吃。在老師的帶領下，不準確的實驗數據得到了更正，課題項目順利地開展下去了。“我們在實驗時，往往需要多次測定數據。當數據有變動時，就需要重復10次、20次進行測試。直到數據的波動在一個很小的范圍內，才算是測準確了。王老師用她的一言一行教會我們，要將耐心、細心、恒心這‘三心’運用在實驗中，才能有所突破。”

2012年博士畢業后，姜曉濱來到大連理工大學，開啟了他的教學科研生涯。在教書育人的同時，姜曉濱也不忘進行科學研究。“首先，我是一個大學老師，培養人才始終是教師長期的追求，得天下英才而育之是一種快樂，更是本職工作。同時，我也是一名科研工作者，在科技創新中也有一份應盡的責任。”姜曉濱說。

在大連理工大學，姜曉濱的科研工作取得了一系列突破性進展。他通過“理工融合，協同創新”，針對結晶過程的精確調控研究領域，開展了高精度過飽和濃度調控、全色級溶液成核響應、晶體成核和生長耦合控制3個方面的創新研究。相關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等期刊發表論文30多篇。此外，他還主持了國家重大科研儀器研制項目子課題、國家自然科學基金項目、優秀青年科學基金項目、大連市高端人才培養計劃、企業研發項目等20余項，授權中國、美國、日本發明專利累計15項。由于其卓越貢獻，姜曉濱獲得了“侯德榜化工青年科技獎”“中國石油和化學工業聯合會青年科技突出貢獻獎”“全國石油和化工行業優秀科技工作者”“興遼英才計劃人才”“大連市青年科技之星”等榮譽稱號。

單絲不成線，獨木不成林。姜曉濱坦言，成績的取得離不開整個科研團隊的支持和幫助。“化工是一個多學科交叉的研究領域，涉及化學、物理、數學、材料科學等各個方面的學科知識。因此，在進行科研成果的開發過程中，我們將不同學科專業的優秀老師和學生集結起來，共同思考與研究，在多學科的相互協助下，實現課題項目的創新突破。”姜曉濱介紹說，交叉學科課題的提出，實現了個性與共性的巧妙融合，十分有利于人才的培養與發展。由于每個人的研究方向各不相同，因此研究思路、方法也各異，這給予了個人充足的成長空間，也避免了因研究方向類似造成的人才浪費。同時，由于學科上的交集，成員間需要進行一定交流與合作，這既有利于團隊精神的培養，也有力推動了項目的整體發展。

指導學生科研實驗

突破瓶頸，實現晶體成核的精確調控

工業結晶科學看似陌生，實則與我們的生活息息相關。例如，高濃度尿酸鹽在人體內結晶是痛風產生的根源，探明抑制尿酸鹽結晶的機理，研發出精確調控尿酸鹽結晶的方法，將有助于痛風的治療。此外，在與生命健康相關的制藥工業中，85%以上的產品（包括中間體等）為固體，絕大部分都采用了工業結晶技術進行分離和精制。如頭孢類抗生素的制備，就需要通過青霉素G鉀鹽結晶、頭孢G酸結晶等多種結晶作用……工業結晶技術如此重要，但要精確掌握它并非易事。“我發現，晶體成核和成長的過程很難去測定與調控。這個問題，從我求學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下，會從中析出晶體，其析出過程包括兩種基本現象：第一，成核。在溶液中不存在任何晶體，當溶液達到一定的過飽和狀態，溶液中的溶質會形成細小的晶體，科學家稱這樣的過程為成核過程（初級成核），或在更廣泛的意義上講，所有形成可供晶體成長的過程為成核過程。第二，成長。在一定過飽和溶液（介質）中的晶體都會發生成長，晶體從小變大的過程就叫作成長過程。結晶過程的研發實際上就是以精確測定介穩區等基礎數據為前提，以嚴格調控體系過飽和度為保證的。因此，開發對結晶成核具有高靈敏響應，并能精確調控體系濃度的方法和儀器，一直是結晶過程研究的熱點和重點。

“現階段使用最廣的光學法，無法檢測不透明溶液的成核；同時，可見光基于衍射原理，只能檢測約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。”姜曉濱說。

姜曉濱所在的“新型高效膜分離過程”學術團隊通過3年的研究，將微孔膜蒸餾與結晶過程耦合，提出“基于微孔膜蒸餾的結晶介穩區測定和過程調控”課題。項目組創新性地提出利用微孔膜蒸餾選擇性脫除溶劑，溶質濃縮并在膜孔區域成核，導致跨膜通量驟減的效應，以微孔膜作為響應界面檢測成核。該檢測原理突破了現有光學法在不透明體系中光強信號弱、無法檢測成核的關鍵瓶頸。在研究中，團隊將膜蒸餾過程中“晶體成核—膜孔堵塞—溶劑膜通量驟降”的連鎖效應，應用于結晶介穩區測定，建立了一種不受溶液透光率限制的結晶成核響應新機制。研究結果表明，對于經典的結晶體系KNO3水溶液體系，激光法與微孔膜響應法的介穩區寬度測定結果吻合，計算擬合成核指數一致；對低透光度無機鹽體系，當溶液濃度接近飽和時，激光光強信號衰減為初始值的1/50～1/20，不能響應溶液中的成核。而利用微孔膜的溶劑通量衰減拐點，可以響應晶體成核，完成介穩區寬度的測定。采用這一創新方法，團隊首次實現了CoSO4水溶液體晶介穩區寬度的直接測定，并進一步在數10個溶液結晶體系中得到應用。

同時，團隊發現跨膜通量在大量成核前還有一個更早的拐點，該拐點正是初始晶核在膜孔道區域形成，導致傳質通道局部收窄引起的通量衰減。這一重要發現，同時突破了光學法的300nm晶核檢測精度極限：初始成核的響應拐點標志著膜界面（膜平均孔徑＜100nm）檢測原理可更早響應成核現象，更準確測定體系的臨界成核狀態，為結晶的精確調控奠定了基礎。該成核檢測原理與國際先進的光學技術相比，適用范圍、檢測精度、有效檢測區域等核心指標都具有顯著優勢。

基于該項創新研究，團隊獲批國家重大科研儀器研制項目，姜曉濱擔任項目組副組長，成功研發了具有完全自主知識產權的膜界面成核檢測原理性樣機，被國家自然科學基金委、科學網等專題報道。

一舉兩得，用“膜”法變廢為寶

近年來，隨著現代化和工業化的進程不斷加快，我國經濟實現了快速發展，人民的生活水平也日益提高，但同時引起的環境污染問題也越來越嚴重。這其中，大氣污染是極為重要的一方面。而石油、化工、建材、機械等行業排放的揮發性有機氣體（VOC s），是霧霾和大氣污染的重要根源，對其減排已成為我國環境保護的重要任務。

立足時代需要，姜曉濱作為“高效氣體分離膜與膜過程”科研團隊的核心骨干，通過多年的研發攻關，建立了一條不同于簡單銷毀/降解方法的全新技術路線，通過膜回收技術解決化工行業VOC s問題，實現高效回收與減排的“雙贏”。“VOC s雖然是一種有害氣體，但它又是一種高價值資源，我們利用膜分離對其進行高效回收，既可以有效減排，又可以變廢為寶，創造可觀的經濟效益。”姜曉濱解釋道。

利用膜的選擇性分離實現料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳統過濾的不同在于，膜可以在分子范圍內進行分離，并且這個過程是一種物理過程，不須發生相的變化和添加助劑。“VOC s分離膜會優先透過大分子，這與以往在煉廠氣回收過程中使用的優先透過小分子的氫膜，在材料和滲透機理等方面完全不同。”姜曉濱說，由于VOC s膜發展歷程短，其工業制備和應用存在膜材料、膜組件和工藝流程等一系列難題：微米級超薄分離層在生產過程中極易出現缺陷，選擇性降低，在VOC s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化，提高能效。

除了這些科技難題，科研工作者們還要面對其他國家對我國的技術封鎖。在“膜法高效回收與減排化工行業揮發性有機氣體”項目立項時，全球僅美國M T R和德國BORSIG公司實現了VOCs膜的規模化生產和應用，并全球壟斷，對我國封鎖材料、制備方法和工藝包等。由于缺乏自主知識產權的技術，我國膜法回收減排V OCs只能高價購入成套裝置，嚴重制約了化工行業環境保護和綠色化生產進程。

姜曉濱說：“我們根據膜分離需求，以分子設計為指導，開發新的膜材料，調控膜的微結構，制備高性能膜，建立膜分離過程的熱力學優化判據，優化設計膜耦合流程及膜的新應用，在膜研制、膜分器制備和工藝包開發3方面攻堅克難，取得了具有完全知識產權的創新科技成果。”

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，這對于環境保護和資源利用具有十分重要的意義。同時，他們還將膜分離、吸收、吸附和淺冷等多技術耦合集成，提高了污染控制的效率，可使排放氣中苯濃度降低到4mg/m3，實現環保達標排放。

只有促進產學研的合作創新，才能加速相關行業企業的轉型升級，實現我國經濟又快又好發展。基于研究成果，項目組還研制出高性能、長壽命的VOCs分離膜及VOC s本質安全、低流阻的高效膜分離器，并成功產業化，在近400項工業項目中應用，累計回收烯烴78萬噸、油氣10萬噸，創經濟效益30多億元，13套裝備出口到美國、日本、韓國和尼日利亞等國家，使我國成為全球最大的工業生產和應用VOC s膜的國家。以上成果，榮獲2018年度國家科技進步獎二等獎。基于在化工分離技術和耦合強化領域的突出貢獻，姜曉濱教授于2020年榮獲國際杰出青年化學工程師獎，是該年度唯一一名獲獎者。

“化工分離過程的科學研究最終還是要落到實際的產業化應用上來。”姜曉濱說，“研究成果不應僅僅是一篇篇文章發表在學術期刊上，我希望將它們變成一個個實際的應用裝備和技術，為企業節能降耗、高效減排做出貢獻！”