本科生再出一作!研究助力减少工业污染 | 昆山杜克大学

本科生再出一作!研究助力减少工业污染

2022年1月6日

文| John Butcher


于越(左)、张凯(右)

昆山杜克大学化学助理教授张凯博士和本科生于越共同在权威期刊《软物质》(Soft Matter)发表了关于气体通过膜的扩散性研究,该研究结果将有助于改善一系列工业生产过程对环境造成的负面影响,包括去除工厂排放污染和净化空气中的氧气。

昆杜大四学生于越为论文第一作者,他表示,成为论文一作是自己学术生涯的重要“里程碑”。

张凯博士和于越通过建立一个简化模型并模拟其过程来了解气体通过膜的机制。他们的理论设计是改进膜材料设计中的一个步骤,从而使膜材料在允许某些气体迅速通过的同时也能阻挡二氧化碳等其他气体。

从2019年开始,张凯博士和于越先从理论研究入手这一项目。他们开发了一个球形气体颗粒通过膜孔隙的简化模型,然后将其编写成计算机程序,借助昆山杜克大学和杜克大学的超级计算机资源,首先进行计算模拟并测试模型运行情况,再共同讨论结果。

张凯博士表示:“膜分离是从混合物质中提取某些物质的一种高能效方式,在工业领域被广泛应用。我们的研究目标是通过过滤掉不需要的气体颗粒,在尽可能高的纯度水平上最大限度地提高所需颗粒的扩散性。”

为了更形象地解释这一研究机制,张凯博士为我们打了这样的比方:“膜上有供气体通过的孔隙——在这种情况下是圆柱形的孔隙。球形气体颗粒和膜之间的相互作用是由碰撞驱动的,就像台球进入台球桌袋一样。”

在这项研究中,张凯博士和于越主要对两个因素感兴趣:扩散性,即气体颗粒通过膜的速度;以及选择性,即通过膜之后这些颗粒的纯度。而他们的研究旨在获得尽可能高的纯度(只允许特定气体通过),同时尽可能地减少在扩散性方面的损失。

针对这两个研究中重要的影响因素,张凯博士表示:“在通常情况下,我们需要在扩散性和选择性之间进行取舍。如果孔隙变大,任何气体都可以轻易通过;如果把孔隙调小,我们就会减缓扩散过程,但能获得更高的纯度。”

利用该模型,他们定量计算了膜在分离气体混合物时的扩散性和选择性以了解其特质,并为设计其他等孔材料建立基准。

张凯博士和于越的研究包括理论和计算,这些研究都有助于进一步理解如何改进用于分离气体或其他物质的工业用膜的设计。例如,在工业排放的各种气体中分离出二氧化碳以防止其进入大气,或者应用于水净化过程。张凯同时指出:工业界正在改进膜以提高能效和利润。通过这项研究,他们希望展示出扩散性和选择性的基本机制,以及为膜的设计提供一些指导原则。

谈到对下一研究阶段的构想,张凯博士希望未来能在目前已建立的基本模型的基础上,建立更贴近应用场景的模型。

他表示:“我们目前研究的只是最简单的模型——球形气体颗粒和圆柱形孔隙,而且只聚焦于碰撞相互作用。但在现实中,相互作用更加复杂。大多数气体分子也并非球形。例如,氧气或二氧化碳分子更像棒状,具有某些旋转效应。下一步的研究是使模型更加贴合现实,加入更多可能会影响结果的特征。”

于越计划在本科毕业后继续深造,进一步磨炼在这个研究项目中积累的技术和实践技能。他表示:“我不仅学到了很多技术技能,还掌握了如何在实际研究中加以应用,以及如何将计算机编程、数学和物理学知识结合起来,形成跨学科思维。”

此外,通过与导师张凯博士共同做科研,于越意识到自己的批判性思维能力得到了提升。

“尤其是在实验的后期,张凯老师一直反复提醒我,如果想要成为科研工作者,你必须自己找到方法、自己解决问题。”