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[专家学者] 中国科学院宁波工业技术研究院材料技术研究所高分子与复合材料事业部刘富

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发表于 2017-9-25 08:55:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
刘富,博士,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员,博士生导师。2002年6月毕业于青岛科技大学塑料工程专业,同年进入浙江大学高分子化学与物理专业攻读硕士和博士学位,2007年9月获博士学位,之后分别在浙江大学和英国帝国理工大学开展博士后的研究工作。2010年材料所以“春蕾行动”将其引进。近五年在高影响因子期刊”Journal of membrane science”等发表SCI收录论文20余篇,获准及申请国家发明专利6项,作为第一负责人完成国家自然科学基金青年基金一项。目前承担企业合作项目3项,研发经费超过200万。目前主要从事高分子功能分离膜材料的制备改性及其水处理应用研究。具体研究方向包括:高强度聚偏氟乙烯超微滤膜的研制及其MBR应用;超低压大通量纳滤膜的研制及其家用水处理应用;聚偏氯乙烯树脂的加工改性工业化应用研究;超临界流体辅助加工含氟聚合物应用研究。

刘富

刘富
教育背景
2002-09--2007-09 浙江大学 理学博士
1998-09--2002-07 青岛科技大学 工学学士

工作简历
2008-06--2010-07 英国伦敦帝国理工大学 博士后
2008-01--2008-06 浙江大学 博士后
   
奖励信息
(1) 浙江省高等学校科研成果二等奖,二等奖,省级,2008
(2) 浙江大学“光华”博士生奖学金,研究所(学校)级,2006
专利成果
(1) 一种含氟聚合物分离膜表面亲水化改性方法,实用新型,2007,第2作者,专利号:CN100431678C
(2) 一种互穿网络双连续结构氟碳聚合物微孔膜的制备方法,实用新型,2011,第1作者,专利号:201110045850.X
   
发表论文
(1) Progress in production and modification of PVDF membrane,journal of membrane science,2010,第1作者
(2) Preparation and characterization of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) based ultrafiltration membranes using nano γ-Al2O3,journal of membrane science,2010,第1作者
(3) Hydrophilic modification of P(VDF-co-CTFE) porous membranes,Chemical Engineering Science,2010,第1作者
(4) A simplified method for preparation of hydrophilic PVDF membranes from an amphiphilic graft copolymer,journal of membrane science,2009,第2作者
(5) Preparation of hydrophilic and fouling resistant poly(vinylidene fluoride) hollow fiber membranes,journal of membrane science,2009,第1作者
(6) Surface immobilization of polymer brushes onto porous Poly(vinylidene fluoride) membrane by electron beam to improve the hydrophilicity and fouling resistance,polymer,2007,第1作者
(7) 10、 Preparation and characterization of poly (vinyl chloride)-grafted-acrylic acid membrane by electron beam,Journal of Applied Polymer Science,2007,第1作者
(8) Improving the hydrophilicity of Poly (vinylidene fluoride) porous membranes by electron beam initiated surface grafting of AA/SSS binary, monomers,Applied Surface Science,2006,第1作者
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发表于 2018-4-25 11:39:23 | 显示全部楼层
宁波材料所在PVDF油水分离膜材料方面取得系列新进展

随着我国经济的快速发展,大量的含油污水被排放,同时海洋原油泄漏事件频发,对生态环境和人类的健康造成了严重威胁。传统油水分离方法主要包括气浮法、离心分离法、吸附和燃烧等,但均存在效率低、成本高、应用范围窄等缺点。超浸润分离膜由于具有结构可控性好、分离效率高和分离精度高的优点,目前成为油水分离领域的研究热点。近期,中科院宁波材料所刘富研究员团队(先进功能膜)在高性能聚偏氟乙烯(PVDF)油水分离膜方向取得了一系列新成果。

  1)PVDF瞬时催化及油水分离膜。针对复杂体系的油水分离问题,以机械性能和热稳定性能优异的聚偏氟乙烯(PVDF)为基膜,制备得到具有微纳米多级组装结构的PVDF-AuNPs微反应器分离膜。首先利用聚多巴胺作为膜表面“功能涂层”,对PVDF基膜进行初步修饰,然后将AuNPs微球通过动态过滤的方法负载到PVDF的指状孔内,形成微反应器。所得膜能够对含有硝基苯酚的水包油复杂体系,实现瞬时的硝基苯酚催化降解和油水分离。该方法对于将油水分离膜应用于实际含油废水处理,起到了重要的推动作用。相关工作已经发表于Chemical Engineering Journal, 2018, 334,579,王建强副研究员和吴紫阳为共同第一作者,刘富研究员为通讯作者。

PVDF指状催化反应器的制备过程

PVDF指状催化反应器的制备过程
图1 PVDF指状催化反应器的制备过程

PVDF膜油水分离及催化性能

PVDF膜油水分离及催化性能
  图2 PVDF膜油水分离及催化性能
  2)具有超稳定刚性浸润表面的柔性PVDF油水分离膜。针对通常聚合物微孔膜的表面微纳结构不稳定、在化学腐蚀及物理损伤下易蠕变及衰减的问题,通过仿生植物根系固定土壤模型,利用微孔PVDF膜表面的微纳结构限域固定TiO2纳米粒子,制备了具有刚性界面TiO2界面的柔性PVDF微孔膜。所得膜具有优异的稳定性,能够抵抗极端物理损伤(液压、手指擦拭、液氮淬火后砂纸磨擦)、高温和苛刻的化学腐蚀(强酸、强碱、强氧化剂次氯酸钠),并且能够连续有效分离含有表面活性剂的油包水乳液。在错流模式下,通过负载超亲水纳米TiO2粒子制备的PVDF膜,可实现水包油乳液的连续分离(通量达1700 ,分离效率>96%)(如图3)。 相关工作已经发表在Scientific Reports, 2017, 7: 14099,熊竹副研究员和林海波为共同第一作者,刘富研究员为通讯作者,文章发表后受到了同行的广泛关注,该论文是2017年Scientific Reports期刊阅读量最多的前100篇文章之一。

超浸润刚性界面PVDF膜的制备过程

超浸润刚性界面PVDF膜的制备过程
图3 超浸润刚性界面PVDF膜的制备过程

刚性界面PVDF膜油水分离性能

刚性界面PVDF膜油水分离性能
图4 刚性界面PVDF膜油水分离性能
  3)超大通量静电纺丝PVDF油水分离膜。除了油水废液的复杂性和膜界面稳定性的制约,油水分离膜往往也受限于膜的低通量和易污染性。针对该问题,团队采用静电纺丝技术,通过将静电纺丝和静电喷涂相结合,制备得到了具有超高通量的PVDF纳米纤维油水分离膜,具有独特的微米级纤维及纳米级微球复合的结构。将该膜应用于高粘度的十甲基环五硅氧烷包水体系时,渗透系数高达88166±652 (分离效率>99%),远高于已报道数据。该方法制备过程简单,无需复杂的表面改性过程,是一种适宜工业化生产的新方法。相关工作已经发表在Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 7014-7020。浙江理工大学的吴金丹博士和硕士生丁雅杰是论文的共同第一作者,王建强副研究员、浙江理工大学王际平教授和刘富研究员为该工作的共同通讯作者。

超高通量PVDF纳米纤维油水分离膜的制备过程

超高通量PVDF纳米纤维油水分离膜的制备过程
图5 超高通量PVDF纳米纤维油水分离膜的制备过程

纳米纤维PVDF膜油水分离性能

纳米纤维PVDF膜油水分离性能
  图6 纳米纤维PVDF膜油水分离性能
  上述系列研究工作受到了国家重点研发计划(2017YFB0309600)、国家自然科学基金(5161101025、51475449、51703233)、中科院青促会(2014258)和宁波市创新团队(2014B81004)等项目的资助支持。

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发表于 2018-8-12 21:06:42 | 显示全部楼层

自抗凝透析器让血更纯净

肝脏和肾脏被誉为人体内两大污物处理工厂,负责清除人体运行产生的或外来毒素。如果肾脏发生病变,无法将毒素排出体外,就会引发尿毒症。

而透析器又称“人工肾”,是帮助肾病患者完成血液透析的核心部件。透析时产生的凝血反应是长期困扰患者和医生的难题:如果透析过程中不注射肝素,就会发生严重的凝血反应,而注射了肝素则会加剧出血风险。

中科院宁波材料技术与工程研究所研究员刘富团队日前在自抗凝透析器研究方面取得系列进展,相关论文Preparation and evaluation of a self-anticlotting dialyzer via an interface crosslinking approach发表在膜领域国际权威期刊Journal of Membrane Science上。

自抗凝透析器及膜表面抗血小板吸附

自抗凝透析器及膜表面抗血小板吸附

精准分离中小分子废物

资料显示,中国慢性肾病患者高达1.2亿人,已发展成终末期肾病患者数量为200万;但目前仅有30多万人接受透析治疗,治疗率仅为15%,远低于欧美国家的90%。

治疗尿毒症的主要方式目前有血液净化与肾脏移植两种。由于肾源急缺,中国尿毒症患者的肾脏移植率不足1%,而且肾源急缺的难题难以在短期内解决,因此血液净化成了治疗尿毒症的主要手段。

透析器通过一定的过滤作用进行血液净化,替代或者部分替代肾脏功能。刘富在接受《中国科学报》记者采访时介绍说,透析器由1万根以上的中空纤维膜组成,有效过滤面积为1到2平方米,接近于人体肾脏血管总滤过面积。其中每根中空纤维膜的内径为180~200微米,壁厚为30~50微米,从内壁到外壁分布有纳米到微米级的微孔,从而起到过滤作用——即清除血液中的中小分子毒素和多余的水分,而保留血液中的大分子物质及血细胞等。

正常工作的肾脏主要功能之一是排出人体代谢产物中小分子物质,比如相对分子量尿素60、肌酐113、尿酸168,以及中分子物质,比如相对分子量菊粉5200、β2-微球蛋白11800等;同时需要保留人体中的大分子蛋白等有益物质。

“这主要依靠肾脏中肾小球的过滤作用实现。”刘富介绍说,“透析器中则主要通过膜微孔结构调控来清除中小分子,但是目前的聚合物中空纤维膜对中分子的清除效率不高,难以与人体肾脏精准的分离相比。”

为解决这一问题,该团队通过热力学耦合动力学梯度调控技术,将聚合物微孔膜的孔径控制在2~4纳米,从而实现中小分子的精准分离。

探索无肝素透析

谈到自己最初对透析膜研究产生兴趣的原因,刘富回忆说,这要追溯到16年前的2002年,当时他正在浙江大学攻读博士。

“导师徐又一教授是国内最早研究聚丙烯膜人工肺的专家,在一次谈话中得知徐老师的父亲在医院接受血液透析,面临着是否注射肝素的难题。”刘富解释说,“如果透析过程中不注射肝素,就会发生严重的凝血反应,而注射了肝素则会加剧出血风险。当时,徐老师就意识到血液透析膜生物相容性的重要性,但国内的研究条件还不具备。”

刘富心里一直暗暗记着这个课题,想以后有机会一定好好研究一下。结束了在英国伦敦帝国理工学院的博士后研究后,刘富回到中国科学院宁波材料所工作,2014年开始将自己在聚合物微孔膜方向的研究从水处理领域延伸到血液净化领域。

作为体外血液循环接触材料,透析膜与血液接触时容易发生特异性或非特异性相互反应,也就是血液相容性。通常血、膜接触后容易发生凝血异常、血小板黏附和活化等,也就是俗称的血栓现象。

“因此需要对膜的表面进行抗凝修饰,前期的研究中,我们主要通过膜表面PEG化、两性离子化、肝素化以及类肝素化修饰,探索了聚合物微孔膜表面的抗凝机制,为自抗凝透析器的研制奠定了基础。”刘富表示。

这其中最难突破的关键技术,是如何在一万根以上内径不到200微米的中空纤维膜狭小局限空间的内壁上实现抗凝修饰。据介绍,目前常用的共混技术,无法达到自抗凝的效果,且存在共混分子的迁移风险。而常规的表面接枝技术无法实现狭小内孔的修饰。

“通过界面交联及流控技术,我们尝试首先将改性溶液在透析器中进行内循环,通过微溶胀、吸附及交联过程将具有序列分布的抗凝分子修饰在膜内壁,从而实现了自抗凝透析器的制备。”这一想法诞生在2015年,最终团队花费了近4年的时间将其实现。

新型自抗凝透析器

自从意识到血液透析膜属于典型的“卡脖子”技术之后,刘富团队加强了对血液透析膜从基础研究、关键技术到产业的全链条研究。2012年,他们在国内首次提出了生物基聚合物微孔膜用于血液透析的概念;2016年首次通过界面交联技术对聚合物微孔膜进行表面亲水及抗凝修饰,搞清了聚合物膜的抗凝机制;2018年将该技术首次在临床用的透析器上获得了突破,进一步结合流控技术实现了整支透析器的抗凝修饰,为下一步的无肝素透析临床应用奠定了基础。

所谓自抗凝透析器,指的是自身具有抗凝特性的透析器,主要是在聚合物,比如聚砜或聚醚砜中空纤维膜的内壁上,通过流控技术修饰了抗凝分子基团,包括乙烯基吡络烷酮、磺酸基团和羧酸基团。而常用的聚砜或聚醚砜中空纤维膜透析器,由于仅共混添加了一种亲水分子聚乙烯基吡络烷酮,血液相容性差,在透析过程中仍需注射肝素,而长期肝素使用,又会诱导血小板减少症等,并且共混分子存在迁移到血液内的风险。

自抗凝透析器因为通过界面交联的技术在膜表面修饰了具有基团序列分布的抗凝分子,一方面可以改善现有透析器的血液相容性,比如活化部分凝血活酶时间APTT提高10倍以上,减少肝素依赖症;另一方面也可以避免外界分子向体内迁移的风险,对于真正实现临床意义的无肝素透析,具有重要应用价值。

目前,刘富正在积极与医院和企业间进行协同合作研究,希望能早日将自抗凝透析器推向临床应用。“未来,希望在人工肝、人工肺等人工脏器方向,以及污水净化、油水分离和海水淡化等方向进行研究。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.05.056


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发表于 2019-10-8 09:02:42 | 显示全部楼层
2019年自然科学基金面上项目-非对称浸润性微孔膜的非对称渗透传质行为及机制研究
批准号        51973230       
学科分类        分离与吸附材料 ( E030902 )
项目负责人        刘富       
依托单位        中国科学院宁波材料技术与工程研究所
资助金额        60.00万元       
项目类别        面上项目       
研究期限        2020 年 01 月 01 日 至2023 年 12 月 31 日

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