阐述了材料化学工程学科的特点、理论基础、研究内容与方法,综述了我国该学科的最新研究成果,提出了面向应用过程的材料设计理论与方法,展望了该学科的发展方向.
化学工程的发展基本沿着两条主线进行:一方面,经过归纳、综合,形成了以传递为主的三传一反的学科基础理论;另一方面,随着服务对象和应用领域的不断扩大、学科基础理论与应用领域的交叉渗透,不断产生出新的增长点和新的学科分支,特别是随着新能源、新材料、生物技术等新兴产业的出现,化学工程在这些新领域发挥巨大作用的同时也不断推动自身理论与技术水平的提高,孵化出材料化学工程、生物化学工程、能源化学工程、资源化学工程、环境化学工程等新的学科分支,为化学工程学科的发展带来了新的活力和发展空间.而材料化学工程是发展最快的新的增长点之一,成为当代化学工程的热点研究领域之一.
材料化学工程的研究领域涉及材料学科和化学工程学科的交叉渗透,其研究工作基本沿着两个方面进行:其一是发展以新材料为基础的单元过程和反应技术,如膜过程、吸附过程、催化过程等,其特征是利用材料的特性实现分离与反应过程,通过对性能-结构关系的研究揭示物质在材料微结构中的传递与反应机理,建立面向应用过程的材料设计与过程优化的理论与方法是研究工作的主要目标;其二是用化学工程的理论与方法去解决材料制备过程中的关键问题,其目标是通过对制备工艺-微结构-性能关系的研究达到对材料微结构与性能的控制,实现材料的制备从以经验为主向定量、定向制备的转变.
基于新材料的单元技术与理论利用材料的特性实现分离与反应过程是材料化学工程研究的主要内容之一,我国在这一领域的研究已取得了较大的进展,成为近年来我国化学工程领域的亮点.天津大学以吸附材料为基础开发出具有自主知识产权的吸附蒸馏技术,该过程使吸附与蒸馏操作在同一吸附蒸馏塔中进行,既提高了分离因数,又强化了脱附作用,从而使得吸附蒸馏过程具有分离系数高、操作连续和生产能力大的优点。
石油化工科学研究院开发出具有定向氧化催化功能的新型钛硅分子筛催化材料,能够实现"原子经济"反应,使得丙烯环氧化制环氧丙烷、环己酮氨氧化制环己酮肟、苯酚氧化制苯二酚等废物"零排放"工艺的出现成为可能,并且已经或正在实现工业化；一些大学和研究所也在开发非晶态合金催化材料,该类材料具有显著的催化活性和特殊的选择性,是一类很有发展前途的催化材料,通过技术集成与流程综合将有可能形成具有我国自主知识产权的新型的石油化工成套装备与技术。
在分离单元开发方面,南京工业大学致力于发展以陶瓷膜材料为基础的化工新单元技术,并加强集成单元技术的研究,不仅在我国率先形成了陶瓷膜新产业,并且以陶瓷膜为基础发展出膜催化反应制备合成气、纳米催化陶瓷膜集成反应器、光催化陶瓷膜反应过程、陶瓷膜制备中药新工艺、生物质燃料酒精制备新工艺等一批新型的集成技术,产生了明显的经济和社会效益。
禀承化学工程的一贯传统,基于材料结构和功能的单元操作的研究同样追求应用系统的优化设计,要达到这样一个目的必须建立起其理论框架。
材料在宏观系统中的行为(功能)与材料的微结构关系是过程与材料优化设计的基础.围绕物质在材料微结构中的传递行为与反应过程,化学工程专家进行了不断的探索,以解决面向应用过程的材料设计问题.对于材料微结构中的传递与反应过程研究,一般采用两种思路进行,见图1.其一是沿用化学工程的传统方法,通过经验模型方法研究其传递规律.这是一种非常有效的方法,借助于实验研究往往能够获得符合工程设计要求的结果,但这些经验模型一般均将材料的微结构作为黑匣子处理,模型中材料的微结构参数常被一些经验参数所替代,因此这类模型一般只能够应用于特定结构材料的过程工艺参数的优化,而不能应用于材料的设计.如果在这类模型研究中引入材料的微结构参数,则就可以实现材料的设计与过程优化的统一。
以陶瓷膜材料设计为例,在理论研究中尝试将材料的微结构引入经典传递模型中,建立了陶瓷膜的传递方程，依据该方法可以根据应用过程的需求来设计膜材料.针对二氧化钛细微颗粒的分离,设计出最优的陶瓷膜的微结构,其渗透通量明显提高,见图2 (图中PSD为孔径分布频率, RF为平均孔径),为面向应用过程的材料设计提供了新的方法与手段.另一类模型是理论模型,其学科内涵是基于材料微结构的传递和反应理论而建立其机理模型,分子模拟技术、密度泛函理论、逾渗理论等均是有效的手段,可以充分揭示材料微结构随时间的涨落、描述微结构中的传递行为,建立起材料的功能与微结构的定量关系,从而实现按应用的需求来设计材料的微结构，然而,这一领域的研究尚有很多问题没有得到很好的解决,如通过材料微结构传递与反应的物质与材料的相互作用规律以及这种作用规律与宏观环境的变化关系、分子模拟技术如何与实际过程耦合、介观尺度范围内的传递理论等,均需要进行深入的研究.
基于化学工程理论与方法的材料制备技术材料化学工程强调,将化学工程方法引入材料的加工过程中,通过宏观条件的控制对产品的微结构进行调控,为材料的制备和加工及其工业放大提供理论指导和技术保障。
目前,我国在该方面已取得了喜人的研究进展.华东理工大学技术化学物理研究所率先将化学反应工程的理论用于超细材料的加工过程中,形成了有特色的研究方向。
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