微孔膜促进成核的高效可控层结晶制备高纯磷酸过程及机理研究

Layer crystallization is the preferred method to prepare the hyperpure phosphoric acid(HPA). The promotion of HPA quality is limited by the following main problems: the lack of efficient and controllable nucleation and layer growth technology; the lack of the essential data and synergetic mechanism on layer crystallization in multiple ions system. The corrosion-resistant microporous membrane (PTFE, PVDF) is innovatively introduced into the layer crystallization as the uncleation promotion interface, which will fundamentally separating the crystal nucleation and growth interface from cooling interface. The microporous membrane could efficiently promote the crystal nucleation. The crystal layer growth could be controlled under moderate supersaturation degree provided by the membrane distillation process. A microporous membrane could promoting nucleation, moreover, the penetrative flow rate varition through the membrane will response the nucleation when the nucleus blocks the porous channels. This measuring method could measure the low light transmittance sysytem, which can not be measured by the conventional laser signal response method. The nucleating response threshold will be reduced from 2 μm to 0.2 μm by applying this new method. On the basis of the accurate and substantial phosphoric acid crystallization basic data, the systematic research will be carried out on the control mechanism of solvent removal, nucleation and layer growth process under the effect of microporous membrane. Then investigate the distribution and diffusion processes of multiple ions on the crystal layer surface to reveal the principle and the synergetic mechanism of multiple ions on crystallization process. All the researches are critical to develop the layer crystallization theory of the multi-system control, the further improvement of HPA products quality and the development of innovative industrial crystallization technology.

层结晶法是制备高纯磷酸的首选方法，但此方法仍存在晶体成核效率低，晶层生长可控性差，多元体系的结晶基础数据匮乏，协同作用机理不明晰等问题，制约了产品质量的进一步提升。本项目提出在层结晶过程中引入耐腐蚀的PTFE、PVDF微孔膜，作为新的促进成核相界面，从根本上实现晶体成核和生长界面与结晶器冷却界面的分离，进而保证晶体高效成核，晶层温和可控生长；同时，微孔膜不仅促进成核，还可以通过晶核阻塞孔道导致的溶剂透过速率变化，精确响应成核，测定原有激光法不能响应的低透光度物系的结晶基础数据，将晶体成核的响应阈值由原有的2μm降低到0.2μm。本项目将提供更精确丰富的磷酸多元体系的结晶基础数据，系统研究微孔膜对溶剂脱除、晶体成核和晶层生长的控制机理，考察多元离子在晶层表面的分配和扩散过程，揭示多元离子的协同作用机理，深化多元体系的层结晶控制理论，以上研究将助力我国高纯磷酸产品质量提升和结晶新技术发展。

本项目提出在层结晶过程中引入耐腐蚀的有机微孔膜，作为新的促进成核相界面，从根本上实现晶体成核和生长界面与结晶器冷却界面的分离，保证晶体高效成核，晶体层温和可控生长。本项目严格按照研究计划执行，完成任务书中全部研究计划和目标。主要取得了以下研究成果：.（1）建立多孔结构的流体渗透模型及层结晶过程分离过程设计理论，为微孔膜耦合层结晶过程优化设计奠定了基础。.（2）利用“晶体成核—膜孔堵塞—溶剂膜通量骤降”的连锁效应，建立了一种不受溶液透光率限制的结晶成核响应的新机制和介稳区测定新方法。.（3）揭示基于微孔膜蒸馏的高精度结晶过程调控新机制，将过程对体系过饱和浓度的调控精度提高了1个数量级，突破了非膜结晶过程单纯依赖温度控制精确低的局限，实现了晶体产品平均粒径、晶习、粒度分布的同步优化。.以上研究成果受到国内外专家的关注和肯定，展现了良好的应用前景。.本项目实施期间，发表SCI论文12篇（其中6篇发表在AIChE J.，Chem. Eng. Sci.，Ind. Eng. Chem. Res.上）。申请/授权中国发明专利5/2项。参加国内外学术会议9次，2次邀请报告，7次口头报告。受邀在Elsevier出版社出版的专著中撰写专章1章。基于本项目研究成果的应用研究，本项目负责人主持完成2项横向项目，获得大连市青年科技之星（2015）等人才计划支持，荣获省部级二等奖2项。.以此项目的创新性研究成果为基础，2016年，本人申请国家自然科学基金面上项目获得资助（批准号：21676043）。2015年，本人所在的团队获得国家重大科研仪器研制项目（21527812）资助。2015年，本人所在研究团队获批辽宁省高等学校创新团队“新型高效分离过程”；2016年，本人所在的研究团队获批建设辽宁省工程技术研究中心，本人负责膜分离耦合过程研究。.该项目研究成果以大连理工大学化工与环境生命学部等网站为平台，发表新闻多项。受到国家自然科学基金委委刊（英文版）约稿撰写通讯，并被科学网、央广网、中国科学报等报道，引起了较为广泛的关注。