环境产业创新研究院项目建议书.docx

南京理工大学内蒙古环境产业创新研究院项目建议书2022.7.12一、项目提出的背景、目的、意义11.1 项目背景11.2 项目目的及意义21.2.1 项目总体目标21.2.2 项目意义21.3 南京理工大学核心技术研究基础31.3.1 电化学高级氧化技术31.3.2 基于石墨烯的新型环境功能材料的制备技术121.3.3 膜制备技术13二、项目立项的必要性和可行性172.1 项目立项的必要性172.1.1 电化学高级氧化技术182.1.2 膜材料产业212.2 项目建设的可行性242.2.1 国家政府的产业支持政策242.2.2 拟建新型研发机构基本情况272.2.3 已具备的基础条件27三、拟组建研究院公司的定位28四、新型研发机构的基本构想284.1 公司基本情况284.2 具体平台建设设想和建设思路294.3 体制机制建设构想31五、新公司的运作思路33六、工作计划实施步骤、经费预算和预期收益346.1 建设期5年阶段步骤346.2 经费预算情况35七、项目实施的风险分析3737八、对方案的总体评价及建议一、项目提出的背景、目的、意义1.1 项目背景环境保护科学技术与环境新材料产业是国家重点发展的战略性新兴技术和产业。目前，国内大多数环境科技与材料企业自主开发和原始创新能力不够，即使少数大企业,在巨大的市场需求面前,往往偏重于扩大产能,创新效率并不高。特别是在废水深度处理膜材料和高级氧化催化材料，以及电化学氧化电极材料的研发等方面。在当前国家高新技术企业创办大力推进大好形势下，环境创新研究院的建立和运营，有利于在水处理高级氧化、膜材料、环境功能材料等方面研究得到长足发展。随着开发研究深入、技术转化和推广，必将极大地促进国内新材料产业，特别是环境功能材料等产业迅猛发展，提高产业研发能力和水平，提高产品性能和质量，提高材料产业的竞争力，带动相关行业、上下游产业的发展和进步，并形成巨大的经济和社会效益。环境创新研究院的建设和运营，将以其强大的资源整合能力、研发功能和公共技术服务功能弥补环境保护新材料企业创新能力的不足，提升企业的核心竞争力。研究院将对推动国内新材料科技产业的科进步、提升产业核心竞争力具有重要的作用。对促进地区招商引资、招才引智、新材料产业跨越发展具有深远的积极意义。为贯彻落实党的十九大精神，深入实施创新驱动发展战略，在“聚力创新”的新一轮发展中，着力推动“两落地、一融合”（科技成果项目落地、新型研发机构落地，校地融合发展），鼓励新型研发机构的建立。按照国家要求，成立环境创新研究院有限公司这一新型研发机构，研究院的建设符合国家加快推进自主创新示范区建设的总体要求，对培育壮大新材料产业，推动新材料科技园集群发展,促进园区新材料产业合理布局，加快新材料产业规模化具有重要的意义。通过研究院建设，将进一步推进南京理工大学创新要素与地方产业要素的紧密结合，加快科技成果转化，实现科技型项H的落地孵化和加速发展。内蒙古地区一批科技创业企业进驻，包括新型催化材料、光电薄膜材料、碳纤维材料、储能材料、纳米材料等高端新兴产业领域。随着科技创业企业的快速集聚，迫切需要建设环境创新研究院创新服务平台，完善产业技术支撑配套，解决中小企业技术创新和企业发展难题，为新材料基地内高成长性项目培育提供强有力支撑，形成研发、人才、技术、产业、税收集聚的联动效应，推动地区的新材料产业快速发展。1.2 项目目的及意义1.2.1 项目总体目标面向环境保护的关键技术需求，通过政产学研协同创新，整合南京理工大学环境保护领域的人才团队技术优势以及内蒙古地区的经济与产业发展优势，以环境保护新材料技术研发、产业支撑服务和公共技术服务三大功能为目标，努力建设成为集环境保护新材料技术研发、成果转化、企业孵化、产业引领、人才培养为一体的重大创新载体。形成具有鲜明特色、在国内具有重要影响力的开放式环境保护新材料研究院。在建设期内将该重大载体建设成为拥有技术创新团队人才100人以上，快速形成一批重大标志性成果，相关研究领域达到国内领先、国际先进水平，推动环境保护新材料的技术进步，引领环境保护新材料高新技术企业的发展，成为内蒙古地区环境保护新材料研发和创新的重要平台，有力推动内蒙古地区环境保护新材料的技术发展和创新。在产业技术研发方面，大力开展膜材料、环境功能材料等关键技术和重点产品的开发，以系列化、集成化为目标，技术产品水平达到国内领先、国际先进。在产业支撑服务方面，针对内蒙古地区膜材料、环境功能材料等产业现状,实施重点企业孵化、重点产业培育等产业支撑服务，实现对环境保护新材料新兴产业的引领和培育；通过对重点企业重点产品技术的改造提升，实现对产业的支撑。在公共技术服务方面，基于对膜材料、环境功能材料等关键技术的需求，建立开放的服务机制，加强与企业的沟通交流，为企业提供节能、环保等方面的技术咨询、产品开发、分析检测、技术培训、人才联合培养、人才输出等服务。1.2.2 项目意义内蒙古自治区是新材料需求大省，具有完备的产业基础和市场空间，技术水平和综合实力有待进一步提高，具有较大的发展空间，战略基础材料、新型功能材料、先进结构材料有待全面发展，在碳纤维、纳米材料、膜材料等战略性前沿领域，初步形成发展优势。尽管内蒙古地区的新材料产业有一定规模，但目前仍存在一些薄弱环节。一是产品层次偏低，面向高端市场的产品规模不大，不能满足高端制造业的需求。二是前沿新材料领域企业规模较小，未真正形成核心竞争力。大力发展战略性新兴产业，是调整经济结构的迫切需要，是转变发展方式的重要抓手,是推进新型工业化的战略举措。新材料技术作为一门新兴的前沿科学,“十二五”国家战略性新兴产业发展规划已将其列入战略性新兴产业的行列。"十二五''国家战略性新兴产业发展规划将新材料产业作为战略性新兴产业之一纳入规划，并指出大力发展新型功能材料、先进结构材料和复合材料，开展纳米、超导、智能等共性基础材料研究和产业化。材料产业是内蒙古自治区经济发展的先导产业和支柱产业之一，在推动自治区经济发展和产业创新方面具有不可替代的作用，以此为契机促进新材料产业,将有助于稳固甚至提升自治区在该产业的地位，为新型工业化进程的推进奠定基础。1.3 南京理工大学核心技术研究基础1.3.1 电化学高级氧化技术电化学氧化的基本机理：电解质溶液中的反应物粒子（其中包括分子、原子和离子等）在设定的电流的作用下，阳极与电解质溶液在两相界面处发生失去电子的氧化反应过程，与此同时，阴极与电解质溶液则在两相界面处发生得到电子的还原反应过程。该电化学过程又可分为：直接电化学氧化和间接电化学氧化。前者是将废水中的目标污染在阳极表面进行直接电化学氧化，后者则是利用在阳极表面形成的强氧化性的活性物质（如羟基自由基OH等）使废水中的目标污染物进行间接电化学氧化，并且后者按照活性物质的可逆性又可分为：可逆式间接电化学氧化与非可逆式间接电化学氧化（如下图所示）。有机物的电催化氧化反应在电极/溶液界面上进行，阳极材料作为电催化氧化技术中重要的基础组成部分，体系中采用的阳极材料直接影响有机物矿化过程的效率和选择性，在电化学反应过程中具有非常重要的作用，目前不同种类的电极材料已被应用到不同种类有机污染物的电催化氧化当中。现代工业的快速发展也在一定程度上促进电极材料的创新和发展，一般地，应用于电催化氧化领域的电极材料应满足以下性质：a、物理稳定性，抗热、抗剥离，机械稳定性强；b、化学稳定性，难与电解液发生化学反应，良好的抗腐蚀性；c、良好导电性，良好的电子传递保证电极表面均匀的电流和电位分布；d、高反应速率和良好选择性，反应速率是评价电极性能的重要指标。根据以上电催化氧化机理的区别，研究者将阳极材料区分为活性阳极（IrO2,RUo2和Pt等）和非活性阳极（Sno2,Pbe）2和BDD等）。活性阳极一般趋向于有机物的部分或选择性氧化，而非活性阳极能够将有机物完全矿化，也被认为电催化氧化有机污染物的理想电极材料。同时，不同种类的电极材料在电催化氧化有机污染物的利害关系也被研究者们详细的考察研究。目前用于电催化氧化领域的阳极材料通常可以分为以下金属电极、DSA阳极和碳素电极。化学氧化被认为是一种极具应用前景的废水处理技术。而电化学反应器是发生电化学氧化反应的必不可少的重要场所,因此对电化学氧化反应器的研究是电化学氧化过程强化的重要方向。在电化学反应过程中,尤其是在电流密度较高的操作条件下,反应器的传质性能成为影响电化学氧化处理效果的一项关键因素。并且反应器内析氧反应的发生会使电极表面产生气泡帘附着现象,将削弱和降低反应器电极表面的传质性能和有效反应而积。为此,需开发一种可以有效强化电化学氧化过程的新型电化学反应器。核心技术成果：(1)高析Sl电位无机膜电极电化学瓶化技术1)核心技术成果名称：“钛基氧化物涂层电极制备方法”(ZL201010203133.0；ZL201110444887.X；ZL201210197233.6；ZL201310311974.7；ZL201610070194.1；ZL201410529200.6；ZL201610048297.8；ZL202010244447.9；ZL201811198013.9；ZL202011187201.9等35件授权发明专利支撑)2)技术特征：有效提高电子传递和界面催化性能。3)所属技术领域：电催化电极制备及催化氧化技术4)技术优势和产业应用价值：电化学氧化技术和介孔材料吸附等环境功能材料技术作为一种有效的预处理手段在化工、医药、农药等行业废水的处理中占据重要的地位；近年来在废水处理深度处理方面的应用亦崭露头角。而环境功能材料的核心在于材料的制备，长期以来国内水处理工程所采用的高端环境功能材料多为国外进口；而目前国产环境功能材料普遍存在使用寿命短、制造成本高的问题，只能面向低端市场，产业化应用受到很大的局限。该项专利为电催化水处理技术中的关键技术-阳极电极的制备的有关专利，该专利保护的钛基掺锡二氧化铅电极为电催化电极的制备领域的先进材料和技术，与国内其他电极相比较具有更优异的电催化性能，同时拥有优异的电极寿命。该种类型的复合电极为国内外首创，国际领先，催化性能与BDD电极相当，制造成本是BDD电极1/60。在日益严峻的化工废水的高级氧化法的水处理技术中具有广阔的应用前景。在电极材料与组装工艺研发方面，泰州苏宝泰金属制品有限公司，无锡耀城金属材料有限公司，苏州市新高金属设备制造有限公司，苏州新区化工节能设备厂，苏州海涛化工钛设备有限公司，昆山滕尔电子科技有限公司以及徐州开元碳素制品有限公司研发了很多无机金属与非金属电极材料及水处理组件产品，但存在功能结构单一与功耗比偏低等问题，亟待开展特色鲜明的新型电化学电极材料与多功能多用途电化学深度处理组件及产品的研发。介孔吸附材料方面，目前在国内已有北京化工大学、复旦大学、吉林大学、中国科学院等多家科研机构和单位从事有序介孔材料的研究开发工作。可以相信,随着研究工作的进一步深入，有序介孔材料像沸石分子筛那样作为普通多孔性材料应用于工业已不遥远。（2）核心技术一电催化芬顿-电化学耦合双班化技术电催化Fenton-电化学耦合双氧化技术作为新型高效节能的高级氧化技术（以下简称双氧化技术），该技术首次由南京理工大学韩卫清团队成功研发，并规模化投入工程应用。该技术利用电化学辅助强化FemOn技术可促进CoD、含氮污染物等的强化去除与有机氮的释放，结合Fenton技术构建“双氧化”工艺，产渣和固废处理费用相较于传统的Fenton飙化可降低80%以上，运行成本降低70%以上。该技术直接运行成本与臭氧氧化相当，吨水投资费用是臭氧氧化的1/27/3。该技术已成功实现工程化应用，其中覆盖化工、医药、湖泊治理等领域。“电催化FentOn-电化学”耦合双氧化工艺是将电催化Fenton氧化反应器与高传质电化学催化氧化反应器进行耦合的组合处理工艺。其中电催化Fenton氧化反应工艺中的阴阳极板为多孔复合型电极，该电极采用还原性铁粉和稀土金属压制，利用粉末冶金技术进行烧结制成。多孔复合型的阳极在通电状态下溶解为Fe2+,通过控制通电时间和电流密度使阳极溶解铁产生的Fe?+浓度可控，在反应器内投加双氧水，Fe?+和双氧水反应产生QH将部分有机物矿化为Co2和H2O,大部分有机物则被分解为低分子有机酸，低分子有机酸与Fe?+或Fe3+形成络合物,造成Fe?+与双氧化反应受到阻碍,大幅减少了羟基自由基的产生,造成Fenton反应的停滞，从而影响CoD的去除率。为解决以上问题，将高传质电化学催化膜反应器与电催化Fenton氧化反应器进行耦合，利用膜反应器的高传质性（高传质电化学催化膜反应器的传质效率是普通平板电极的5.6倍，是目前传质效率最高的电化学氧化反应器），并利用阳极氧化作用将低分子有机酸与Fe?+或Fe3+形成的络合物矿化为CCh和H2O,将Fe?+释放，大幅提高Fe2+的循环利用，大幅提高了COD的去除率。表1相同去除率情况下双氧化与传统“微电解+芬顿氧化''技术的性能对照表方案名称“微电解+芬顿氧化''技术电催化Fenton-电化学耦合双氧化技术Fe?+可控性不可控可控（通过调节电流、通电时间）产渣量IOkg泥/IkgCOD2kg泥/IkgCOD危废处置费用52.9元/IkgCOD8.8TLZIkgCOD药剂费、电费24.6TLZlkgCOD8.6JEZlkgCOD投资费用243.20万/100吨水250.00万元/100吨水运行费用77.5元/IkgCOD17.4TG/lkgCOD2021年4月，电极材料制备、电化学反应器设计及在化工废水处理中的应用的专利技术材料报送到江苏省科技查新咨询中心进行科技查新，查新报告结论如下：首次提出纳米级金属钛陶瓷复合材料中间层的二氧化锡活性层电极（TiTiO2-NTsSnO2-Sb）及其制备方法；首次提出纳米级金属钛陶瓷复合材料中间层的二氧化铅电极（irri02-NTsSnO2-SbPbO2）及其制备方法；首次提出钛基嵌入式RUO2、Pbo2、SnSb-PbO2复合管式膜电极及淹没阵列式膜组件的设计加工方法；首次提出电催化FemOn-电化学氧化耦合技术（ECF-Ce）TR）及外置式列管导电分离膜组件的设计加工方法。2021年5月180,关键技术及工程化应用技术由中国石油化工联合会组织鉴定，成立了曲久辉院士任组长、徐祖信院士任副组长的鉴定委员会，鉴定委员会给予高度评价，评价为“成果创新性强，在化工废水处理方面达到国际先进水平，其中在纳米嵌入型功能电极开发方面达到国际领先水平”（见附件D,相关研究成果获得2021度“中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖”（见附件附件1鉴定意见2021年5月18日，中国石油和化学工业联合会在南京组织召开了“难降解化工废水电催化氧化关键技术开发与工程应用”科技成果鉴定会。鉴定委员会听取了成果完成单位的工作报告、技术研究报告和查新报告，审阅了用户报告等相关资料，经过质询和讨论，形成如下鉴定意见：1 .提供的鉴定资料完整、规范，符合鉴定要求。2 .针对化工废水复杂水质特性，围绕电催化技术应用的高效稳定性等问题，研究开发出耐久性好的新材料电极、高效能电催化反应器和电化学氧化技术为核心的组合工艺，拓展了电催化技术在化工废水的工程应用，主要创新点如下：(1)通过微尺度修饰嵌入而相容性的中间层，研发出高耐用性纳米嵌入结构电极；结合成膜原理，通过设计电催化表层纳米三维结构和调控表层动态微粒分布结构等方法，研制出具有高电流效率的催化膜电极，克服了电催化电极工程应用电流效率低和持续耐用性差等问题。(2)研制出高传质效率的管式电催化过滤膜电化学反应器，研发出强化电化学耦合技术深度处理废水的窄通道电催化反应器和双膜电极电催化反应成套技术装备，解决了装备规模化制造和稳定控制等技术难题。3 .该成果已成功应用于江苏、山东、上海等8个省市及越南、坦桑尼亚等QA余G化r窄#尿评丁血中一；云彳加里白月.的若品苒C鉴定委员会认为，该项成果创新性强，在化工废水处理方面达到国际先进水平，其中在纳米嵌入型功能电极开发方面达到国际领先水平。一致同意通过鉴定。鉴定委员会主任副主缶铎2021年5月18日附件2：突出贡献者获奖项目奖励等级获奖日期证书号码2021JBR447-1-1中国石合会科技进步奖建降解化工废水电催化氧化关猊技 术开发与工程应用(3)高催化电化学反应器针对上述难题，在国家水体重大专项、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等项目支持下，历时近20年攻关，发展了电化学动力学理论，发明了高催化电化学反应器，提升了电子传递能力和电流利用效率，突破电化学"扩散控制''瓶颈，实现了绿色低碳工业化规模应用。主要发明点如下：1)发展了电化学电子传递和界面反应动力学理论，采用原子渗透、氧化物复合技术，发明了高稳态纳米钛基-陶瓷复合过波晶体中间层结构的系列催化电极，结合分支孔三维成膜和微纳界面调控技术，发明了高效高传质催化膜电极，实现了基体催化材料高效渗透、界面定向杂化和纳米限域结构构筑，微孔钛基二氧化锡搀睇电极寿命提升了67倍，首次达到了工业化应用水平，析氧电位提高0.25V,电流效率最提升300%o2)发展了电化学扩散传质动力学理论，建立了束窄化流场增强传质模型，发明了管式容通道电催化反应器和电腹协同催化反应器，突破了电化学氧化关键限速步骤，传质效率分别提升5.6倍和5.8倍：发明了导促型分子氧超溶叠膜/窄通道电催化反应器，实现了阴阳极高效协同，氧化效率提升6.5倍；建立了淹没式和外置式电化学反应装各的标准化简易加工方法，年产能达2000套。3)基于反应器适配性研究，发明了电化学化学品低碳合成、溟资源回收、化工废水低碳处理、废盐低碳回收和恶臭水气一体化处理技术，实现节能30%-50%,体现了电化学技术在化工行业减污降碳产业化应用。该项目申请专利58项，PCT/美国专利5项。其中获授权发明专利32项、实用新型专利5项；发表SCI论文168篇，申报国家、行业、团体技术规范标准5项，其中2项团体标准获批立项；入选国家级人才项目2人次，青年人才项目2人次；支撑2家上市企业和2个集团快速发展;实现了合成和回收产量规模由100t/d至885td,废水处理规模覆盖IoOt/d至Ioo(M)td,且连续稳定运行。应用包括江苏、山东、上海、内蒙古、宁夏、辽宁、广东等8个省市及越南、坦桑尼亚等51项精细化工行业典型示范与水处理项目，年处理难降解化工废水量1143.3万吨,实现碳减排9.98万吨CO2-eCODcr年减排99626.1吨、总氮年减排1997吨、总磷年减排1677.4吨，节水27.0万吨，近三年产生直接经济效益6.3亿，间接经济效益：销售额184.2亿，利润23.4亿，支持了国家创新发展理念和化工行业产业低碳发展，响应国家“双碳”重大战略决策。2022年5月10日，关键技术及工程化应用技术由江苏省环境科学学会鉴定，鉴定委员会由刘文清院士任主任、吴明红院士任副主任和国内知名7专家组成，鉴定委员会给予高度评价，评价为“该成果创新性强，总体达到了国际先进水平，在高稳态电极材料制备与反应器应用方面达到国际领先水平”（见附件3）附件3：鉴定委员会意见:婆定意见2022年SuIO日.江方0环境科学学会在南京M投“开了在京理I.大学.南京人学，H号有环境科学期究院和由京冽科环境行限公，。完成侑“电化学反应热研M及其在M污舒碱工祀中的应用”科技成果鉴定会.公垓索取相上及卜齐合的方式，遨流了7位专家讥成鉴定委员仝（H帆附后。公I家认真听取技术研发通位的H报,市阅.娓供的能定晓科完整.战范.符合若定嬖求二.项Il国境电化学技术工程化应用中面嘴的传侦过程受限.住HtI和寿命ft低等旗颈性何题.构注我型高稳态电极材料，图IW了高教能系列电化学反应窗，地亢/反应器在t种应用场品的适用性.取得广系统性创新成果,表要创新点如卜：I.发版了电化学扩散传啜、界而反应与电子传场动力学理论.SM新年电税村料的研发郭反应相的处化设计新方法，2T用爆子法通,微纳界面调控M芾了高稳态纳米祗店2岗屯合过波晶玲中向U结构的系列催化电槌,显希提升了电极在微喘介质中的使川寿命：研发/管式窄过道电体化反应器、电膜协同储化反应器和阴阳极楞同反应器,攻克/制约电化学反应能技术蝗校化应川的犷敬受控8号技术电虺I3.研允广电化学反应器在合成已一隔/及一酸、湿优源回收.也法源回收、岩蕤物城水两相处对W岛盐南降肝化工废水处理等低碟M污工程应用适用性.为电化学技术的现懊化应用英定了58实的都础.、技术成果在江苏、山东、内望古等8个省由及他闺、In桑蜕亚等40余项:程化示短中冒到成功冠用，取得了显音的减污降磷效展.环境效益和社会效益明显,胜定委员会一致认为：谈成果创折件强,总体达刎j'H际先进水T.在庙心密电极网科制备*反应器应用方面达到国主的先水平.盛定委员金主任IW副主（b2022年5H101.3.2基于石墨烯的新型环境功能材料的制备技术1）核心技术成果名称：“一种纳米碳酸镒/石墨烯水凝胶复合物及其制备方法”（发明专利）2）技术特征：利用纳米碳酸镒提高石墨烯材料的电容性质，提升材料的电化学性能3）所属技术领域：新型环境功能材料制备4）成果开发过程：“一种纳米碳酸锦/石墨烯水凝胶复合物及其制备方法”涉及一种纳米复合材料，特别是一种纳米碳酸镒/石墨烯水凝胶复合物及其制备方法。由以下步骤制得:第一步混合:将MnCI2水溶液加入到氧化石墨烯水溶液中，在搅拌并超声振荡条件下，得到均匀的Mnel2/氧化石墨烯悬浮液；第二步再混合：将KMno4水溶液加入到MnCh/氧化石墨烯悬浮液中与其形成反应液；第三步反应：将反应液置于密闭反应釜中进行恒温反应，得到纳米碳酸锌/石墨烯水凝胶复合物粗品；第四步洗涤：将纳米碳酸锅/石墨烯水凝胶复合物粗品用去离子水洗涤即得纳米碳酸锦/石墨烯水凝胶复合物成品。本发明具有良好的电化学性能，广泛适用于催化材料和电极材料等领域。本发明的制法简便可靠，适用于工业生产5）技术优势和产业应用价值：内蒙古地区每年消耗全国约7%的能源量，且80%的能源依靠省外调进，能源自给率呈逐年下降趋势。改变能源的生产方式和消费方式，开发利用可再生的清洁能源对于建立可持续发展的能源系统，促进内蒙古地区经济发展具有重要意义。在碳基能源存储与转化碳材料技术研发方面，江南石墨烯研究院、江苏双登集团有限公司，常州康维电子科技有限公司，诺莱特科技（苏州）有限公司，常州华威电子有限公司以及江海电容器股份有限公司研发了很多碳基能源存储与转化产品，但存在能量密度偏低等问题，亟待开展特色鲜明的高密度能源存储与转化材料及产品的研发。近年来，具有独特微观形貌的纳米材料控制合成受到了广泛关注。其中，纳米碳酸镒颗粒，由于其在制备金属镭、镒合金、高纯四氧化三锦、颜料、软磁铁氧体等领域具有广泛前景而备受青睐。采用氧化石墨烯为前驱物，利用其独特的水凝胶性质制备具有微观形貌的水凝胶纳米复合物材料，是一种新的探索。该水凝胶复合物具有优异的电化学性能和离子传输能力，且MnCo3环境友善、价格低廉、资源丰富。该复合物有望在催化、离子交换、微波吸收、生物传感器及储能领域具有良好的应用。本专利技术操作简单,测试方便,无需加入任何粘结剂，仅通过简单的石墨烯自身的水凝胶体系即可得到纳米碳酸锦/石墨烯水凝胶复合物材料；较好地利用了石墨烯大比表面积的特点，所得材料继承了石墨烯良好的结构，所得碳酸锌/石墨烯复合材料表现出了优异的电化学性能，表明其在电化学领域具有广阔的应用前景。133膜制备技术膜技术的基本原理是过滤，其中核心设施为“膜”，这是一种采用无机、有机高分子材料制作而成的过滤设施，在应用中让水体流过膜，这时膜可借助相关能量、化学位差等过滤掉水底中的杂质等物体，同时实现分离、提纯、浓缩，便于清理。同时，膜非常轻薄，因此应用时比较简便，还能根据现实物质对“膜”进行配置，针对性地完成水处理工另外，膜技术在现代演化出了很多种应用形式，水处理中比较常见的有NF（纳滤膜技术）、UF（超滤膜技术）、MF（微滤膜技术）、LM（液膜技术）、F0/R0（正渗透/反渗透膜技术）等，不同膜技术形式适用条件不同，需要根据实际情况来选择。膜技术具备操作简单、可回收利用、可操作性强、空间占比小等特点，因此该项技术被广泛应用。膜技术具有其他水处理技术不具备的技术优点，优势在于：一是膜可以在分子范围内进行分离，且是一种物理过程，能量消耗小；二是应用范围广，且不添加任何辅助剂，仅取决于膜本身的性质;三是膜技术设备简单，且容易操作。膜分离技术凭借能耗低、分离效率高、设备简单、无相变、无污染等优点，被称为新型高效分离技术。由于不需要发生形态的变化，膜分离技术已广泛应用于纺织印染、化纤、生物医药、食品、石化、能源等领域。核心成果展示：（1）聚合物杂化膜的制备1）核心技术成果名称：“聚酸飒/功能含糖聚合物杂化膜的制备方法”（发明专利）2）技术特征：将功能性含糖聚合物跟聚酸飒膜结合，赋予膜材料优异的亲水性、抗污性、吸附能力以及使用寿命。3）所属技术领域：高分子膜材料制备4）成果开发过程：该方法以聚醛碉膜为基底膜，采用“点击化学”技术，以澳化亚铜作为催化体系，联二毗噬作为引发剂，在无水无氧条件下快速完成功能性含糖聚合物对聚酸飒的表面接枝。具体步骤如下：将聚酸飒、氯仿、氯化锌和氯甲基甲醛混合，通氮气，在4050。C水浴下反应，反应完成后冷却，将混合溶液滴加到甲醇中，抽滤，将沉淀物溶解在DMAC中，重复沉淀、抽滤步骤，将沉淀物水洗抽滤，干燥，得到氯甲基化的聚醒飒；将氯甲基化的聚酸碉和叠氮化钠混合，溶于DMSo中，通氮气，在6575。C水浴下反应，反应结束后，冷却到室温，将混合溶液滴加到甲醇中，抽滤，再将沉淀物溶解在DMAG中，重复上述沉淀、抽滤步骤，将沉淀物水洗抽滤，干燥，得到叠氮化的聚醛网；将浓硫酸滴入无水乙醛和硅胶混合溶液后，旋蒸、烘干得到含硅硫酸，将丙焕醇、单糖和含硅硫酸混合，于6070。C水浴下反应，反应结束后，将产物纯化，抽真空,得到快键化的单糖；将叠氮化的聚酸碉、快键化的单糖和联二毗咤溶于DMF中得到混合溶液A,除去混合溶液A中的水和空气，将除水脱气后的混合溶液A引入脱气后的溟化亚铜中，5060。C水浴下反应，得到接枝有功能性含糖聚合物的聚酸飒;将接枝有功能性含糖聚合物的聚酸碉和聚醛飒溶于NMP中,加入PVP作为制孔剂，于7075。C下水浴反应，反应结束后过滤，收集滤液，抽真空除去液体中气泡，最后将其均匀涂抹在无纺布上，浸泡在水中，直至成膜，得到聚酸碉/功能性含糖聚合物杂化膜材料。5）技术优势和产业应用价值：纳滤是实现废水资源化的重要技术，其核心是高性能纳滤膜组器。目前是采用常规纳滤膜，无法满足资源化需求。本项目产品基于高效率的快速光固化技术，制备超分子聚合物选择分离膜并进行表面功能化调控,赋予膜材料定制化的分离性能,提高膜组件抗污染性能和高盐稳定性能，形成面向废水资源化的高性能纳滤膜片，提高膜组器产水效率和分离性能，实现高盐、高压条件下的膜组件运行稳定性，实现高端纳滤膜组器的研发、设计、制造和销售本项目的高性能纳滤膜产品可与国外同类先进产品相媲美，可满足市场需求及工业化应用和推广。可以解决国内膜材料尤其是高端纳滤膜材料受制于国外现状，提升国内分离膜材料制备技术和产品升级。（2）高性能纳滤膜材料及组器的制备以自由基光固化和阳离子光固化技术制备了超分子聚合物选择分离膜，对复合膜材料进行表面功能化调控，赋予膜材料定制化的分离性能，提高了膜组件抗污染性能和高盐稳定性能，形成面向废水资源化的高性能纳滤膜片，主要技术突破和创新点如下:1）研发制备了具有高亲水、高抗污性能的疏松纳滤膜，可以实现对有机染料等典型污染物和多种盐类分子的高效筛分,对有机污染物的截留可以达到99%,对不同盐类的截留均小于10%,从而实现了良好的染盐分离效果。100(HIAnXnLLN Kl.2 MgSO4 Na2SO48060>99 ,40Salt <10%20Dy>9O%0图2疏松纳滤膜的染盐分离性能与抗污染性能示意图PVDF/CD-0.75/25Sail ： NaCIDye： MB100m020406080 100Rejection (%)传统意义中的纳滤膜并不能对大分子/盐混合物进行分离并回收，且由于普通纳滤膜对无机盐及大分子等的截留率非常高，往往导致运行过程中渗透压增高,进而导致高的运行能耗。与普通的纳滤膜不同，本项目制备的疏松纳滤膜拥有更高的渗透性，对盐更低的截留率和更高的分离选择性（图2左所示），在从废水中回收资源方面显示出了巨大的优势。与此同时，受益于高亲水性的分离层，本项目制备的疏松纳滤膜显示出对染料等有机污染物良好的抗污染性，在连续运行7*24小时处理含有刚果红染料的废水后，膜表面的污染情况依然较轻微（图2右所示），循环中通量下降小于10%o2）本项目生产的纳滤膜以酯类共价键代替了传统纳滤膜的酰胺键连接方式,从而赋予了纳滤膜更佳的耐氯性能，可以耐受条件苛刻的消毒和再生过程，极大地延长了纳滤膜的使用寿命。目前，几乎所有的纳滤膜都是由聚酰胺（分离层）制成的，这种膜易受强酸和游离氯的影响，对高温和酸碱度也很敏感。本项目生产的纳滤膜不采用界面聚合制备，所以规避了聚酰胺所带来的PH敏感性。由于采用酯类共价键连接的分离层，膜的消毒、再生过程中表现出了良好的性能稳定性，在持续时长一个月的分离、消毒、再生循环中，膜的通量下降率小于10%（图3）,表现出良好的膜结构稳定性。Xn-LLPON-euuONO 30000 60000 90000 120000 150000Chlorination treatment (ppmh)N0rm35Gd NAC-SjeCt-On a6 (%>)图3具有以酯类共价键连接分离层的纳滤膜的耐氯稳定性和分离性能示意图3）本项目制备了具有选择性分离功能的环糊精分离纳滤膜，实现了对具有不同分子量和尺寸结构的污染物的筛分，可以从废水中分离获得高纯度的有机化合物以实现再利用。通过调控环糊精交联聚合物分离层的分子组成、荷电性和孔隙结构，该种纳滤膜实现了对具有不同分子量和尺寸结构的污染物的筛分，能够实现高、低分子量染料分子的分离以及离子型污染物与非离子型污染物的分离。譬如：对类似分子量（800Da）的考马斯亮蓝和PEG,能够允许PEG通过，而完全截留考马斯亮蓝；对不同分子量的混合染料，如柠檬黄染料（492Da）和考马斯亮蓝（854Da）,能够允许柠檬黄通过，而完全截留考马斯亮蓝（图4所示，混合染料由绿色管道进液经过超分子环糊精纳滤膜筛分后，由黄色出液管排出柠檬黄溶液）。图4超分子环糊精纳滤膜分离柠檬黄和考马斯亮蓝混合溶液的性能示意图二、项目立项的必要性和可行性2.1 项目立项的必要性环境保护新材料产业是环境保护产业发展的基础，也是高新技术产业的发展先导和重要内涵，已逐渐成为促进经济迅猛增长和提升企业、地区竞争力的源动力，在经济发展中发挥着越来越重要的推动作用。新材料产业对于支撑战略性新兴产业发展，构建国际竞争新优势具有重要的战略意义。现代科学技术的发展正牵引着材料向复合化、高性能化、功能化、结构一功能一体化和智能化发展。2012年6月7日，国务院常务会议讨论通过了十二五国家战略性新兴产业发展规划并将新材料产业纳入其中，规划明确规定：要大力发展新型功能材料、先进结构材料，开展共性基础材料研究和产业化，引导材料工业结构调整。力争建立起具备一定自主创新能力、规模较大、产业配套齐全的新材料产业体系,突破一批国家建设急需、引领未来发展的关键材料和技术。在2016年2月公布的2016年度国家重点研发计划纳米科技重点专项中，明确将能源纳米材料与技术、环境纳米材料与技术列入作为重点支持的7个研究任务中的2个。新材料的制备和应用技术将成为本世纪材料领域的主导技术，利用新材料技术改造传统工业是世界科技发展的重要趋势。特别2016年11月16日，中央第三环保督察组向江苏省反馈督察情况时，省委、省政府提出，从今年底开始实施“两减六治三提升”简称（263）行动，全省社会经济进入新的发展时期。“两减”之一的“减少落后化工产能”，到2020年，实现全省化工企业数量大幅减少，化工行业主要污染物排放总量大幅减少。瞄准生态文明建设、产业结构调整和能源结构的需求，研发新型环境功能材料、新型挥发性有机物污染控制材料，以及适于能源环保和化工分离的膜材料等，服务于内蒙古地区及全国产业结构调整，对于提升内蒙古材料技术开发的国际竞争力具有重要意义。2.1.1 电化学高级氧化技术随着环境污染治理日益严峻，环保政策法规日趋收紧，国家对废水的治理要求已从传统的达标排放提高到再生回用。然而，针对医药、农药等化工废水高盐高毒特点，常规的生化处理工艺难以承受。因此电化学深度氧化、吸附材料深度吸附等新兴技术为废水深度处理技术的开发与应用提供了新的选择。电化学深度氧化、吸附材料深度吸附等技术推广应用的核心在于电极材料、吸附材料等环境功能材料。电极作为电化学处理技术的核心组件，形态从一维到三维各异，材料也呈现多样化趋势，从常规的无机金属电极到非金属有机物复合电极，能够满足不同领域的不同需求。应用于水处理的电极因其原理与功能不同，亦有电化学氧化/还原电极（如Pbo2、SnO2电极），光催化电极（如TiO2电极），气体扩散电极（如PTEE.Pt/C电极）与电容电极（如石墨烯、碳纳米管电极）等，可适用于不同工艺工段。电极与微生物系统、膜滤系统耦合技术正逐渐引起各国学者的关注，但是相关工程化应用的报道却极为罕见。作为耦合系统的关键与基础，电极材料与这些工艺的相容性、协同性尤为重要。电膜耦合方面，国内外已有采用钳/不锈钢电极对与微/超滤膜的电膜耦合体系例（EM/UF）,以及碳电容电极与离子交换膜组成的膜电容除离子体系（MCDI）。上述研究也带动了新兴的石墨烯、碳纤维、碳纳米管等电容电极材料在水处理中的应用发展。（1）国内外发展现状及趋势：根据中国环境统计年鉴数据，近年来我国工业废水排放量呈下降趋势，年工业废水排放量近180亿吨（2018）,随着政府对环境治理的逐渐重视，工业废水处理行业步入快速成长期，市场规模将保持在较高增速发展，根据市场发展情况结合政策支持情况，在“十三五”期间，我国的工业废水处理市场规模将保持快速增长。预计到“十三五”末，工业废水市场规模可突破1500亿元，到2024年，工业废水市场规模有望突破3500亿元大关。其中含有难降解污染物质的化工行业（医药、农药、染料、电镀、制革和化学材料等）废水，占工业废水排放量的一半以上，全国有近千亿元的产业规模。以江苏省为例，化工企业有近5000家，年废水排放量达11.6亿吨，年需求量逾十亿元产值，具有良好的市场前景。现阶段国内外对于高浓度、难降解有机废水处理方法研究主要集中在物理法、高级氧化法和电化学催化技术。1）物理法主要包括吸附、膜分离、絮凝、蒸发等处理过程。上述物理法处理技术具有操作简单、设备占地面积小及对污染物去除效率高等优点，但在处理过程中仅发生了相间的转移，并未真正消除有毒污