马可·马佐蒂——通过教育、创新和现实影响推进分离科学

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Marco Mazzotti─Advancing Separation Science through Education, Innovation, and Real-World Impact

　　

特刊发表于《工业与工程化学研究》特刊“Marco Mazzotti纪念文集”。该虚拟特刊旨在庆祝Marco Mazzotti教授的职业生涯，他最近从苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）退休。在此，研究人员提供对这位科学家（其科学成就体现在34篇论文中）的简要介绍。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**：分离科学是化学工程的核心领域，涉及结晶、吸附、色谱、二氧化碳捕集与存储（CCS）以及能源系统等多个方向。当前，全球面临气候变化、能源转型和环境保护等重大挑战，传统分离技术存在效率低、能耗高、设计复杂等问题，亟需通过教育、创新和实际应用推动技术革新。该研究以Marco Mazzotti教授的职业生涯为主线，总结了其在分离科学领域的系统性贡献，旨在展示如何通过基础理论、数学建模和实验验证相结合的方法，解决工业分离中的关键难题。论文发表在《Industrial & Engineering Chemistry Research》特刊，强调科学教育、技术创新和现实影响之间的协同作用。

**主要技术方法**：研究人员采用以下关键技术方法：（1）群体平衡方程（PBEs）用于结晶过程的粒径和形态建模，结合实验数据校正；（2）三角形理论用于模拟移动床（SMB）色谱的设计，优化手性分离；（3）平衡理论扩展至广义Langmuir等温线，发现δ激波现象；（4）吸附等温线的物理建模，包括经典密度泛函理论（cDFT）和扰动链统计关联流体理论（PC-SAFT）；（5）分子动力学（MD）模拟用于预测晶体形状和溶解度；（6）计算流体动力学（CFD）用于模拟反应结晶过程。研究涉及多个样本来源，包括瑞士和欧洲的工业与学术合作项目，以及美国物理学会（APS）工作组的数据。

**研究结果**：

**结晶与沉淀**：通过16篇论文，研究人员从基础到过程设计全面探索结晶领域。基础方面，Bachtiger等建立了基于分子动力学的模拟框架，估算有机晶体在溶液中的溶解度和表面张力。Padwal等推进了机械模型以模拟晶体表面生长演化。Delfino等开发了热力学分配模型，用于聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的聚合动力学预测。Minelli等提出玻璃态聚合物溶解度数据分析新工具。Guse等开发了快速计算溶度积的方法。Choscz等提供了乳糖晶体生长动力学的广泛实验数据集，推导出生长速率参数。过程方面，Davos等展示了利用声流操纵成核的潜力。Marc等设计了避免结壳的连续结晶装置。G?nsch等通过耦合酶促外消旋化和优先结晶实现手性翻转。Aprile等提出了7级连续塔式结晶器以稳健生产高质量晶体。Liu等报告了利用超临界CO₂和超声辅助混合在基底上涂覆六方氮化硼（h-BN）的新工艺。PBEs方面，Otto等模拟了流化床喷雾造粒中的粒径和孔隙度。Ma等利用机器学习通过PBEs数字化设计冷却结晶过程。Alsubeihi等开发了基于JAX的多维PBE求解器。CFD方面，Filip等研究了小规模结晶器中混合与粒径分布之间的相互作用。Querio等比较了传统CFD模型与基于隔室的CFD模型在模拟反应结晶过程中的表现。

**吸附与色谱**：研究人员通过三角形理论革新了SMB色谱设计，实现手性分离的快速参数转化。此外，扩展了平衡理论至广义Langmuir等温线，数学上发现了δ激波。在近临界和超临界吸附领域，研究人员推动了重量法测量技术在单组分和双组分系统中的应用，并加深了对微孔和介孔材料中致密流体（如超临界气体）吸附的孔隙尺度效应理解。特刊中，Vetter-Joss等和Weon Lee等提出了色谱分离的稳健设计新方法。Florit等引入了双回流变压吸附（DR PSA）过程的一般设计工具。Roos等探讨了利用先进膜系统进行二甲苯净化的经济可行性。Ganesan等和Newport等分别通过过程模拟和实验研究了沼气分离。Aumond等综述了分子模拟和热力学建模在空间应用中极端条件下吸附剂筛选的策略。Mayer等提出了基于cDFT和PC-SAFT的吸附等温线模型。Moon等利用中子散射研究揭示了固体负载胺中CO₂捕集性能改变的基本机制。

**二氧化碳捕集与存储**：研究人员早期建立了直接空气捕集（DAC）的能耗基础，并参与了美国物理学会（APS）工作组，发布了DAC成本报告。在CO₂存储方面，研究了煤层存储和异位矿物碳酸化。近期，研究人员将知识转化为中试规模项目，展示了CO₂利用与存储路径的放大。特刊中，Nguyen等定量表征了CO₂/H₂O在CALF-20金属有机框架（MOF）上的竞争吸附。Ward和Pini比较了单层、多层和多吸附剂配置的真空变压吸附（VSA）过程性能。Kumar等设计了基于胺的捕集单元用于船舶机载捕集。Zarayab等探讨了水泥厂CO₂捕集后封存与利用的更好选择。

**能源系统**：研究人员主导了能源系统研究，特别是长期储能与数学优化的交叉领域。Gabrielli等的研究改变了复杂大规模线性优化问题中长期储能的建模方式。后续工作利用优雅的数学表示加深了对实际能源系统挑战的理解。特刊中，Allgoewer等研究了不同地点利用CO₂和低碳氢生产燃料与化学品的成本和气候减缓潜力，并比较了近期（2035年前）和长期（2035年后）技术性能。Gabrielli等探索了净零排放化学品生产的最佳路径组合，以最小化可再生能源、土地和水资源消耗，同时满足本地废物生物质和CO₂存储可用性。Azimi和van der Spek利用前瞻性生命周期评估（LCA）探索钢铁行业实现净零CO₂排放的路径。Tiggeloven等利用混合整数线性规划优化大型氨-乙烯化学集群的设计与运行，特别研究了电气化、氢和碳捕集的作用。

**讨论与结论**：研究人员在多个科学学会担任领导职务，包括欧洲化学工程联合会结晶工作组主席、国际吸附学会主席等。其作为IPCC《二氧化碳捕集与存储》特别报告“矿物碳酸化与二氧化碳工业利用”章节的协调主要作者，为2007年诺贝尔和平奖（授予IPCC）做出了贡献。研究人员还获得了ETH金猫头鹰奖（教学卓越）、奥托·冯·居里克大学荣誉博士学位等多项荣誉。结论部分：研究人员将职业生涯归功于杰出的合作团队和跨学科协作，包括理论化学、控制系统、能源系统和工业界。其培养了74名博士生、22名博士后和80余名硕士生，校友遍布学术界、工业界和金融机构。退休后，研究人员加入由其学生创立的Neustark公司，致力于在建筑材料中封存CO₂。研究人员的工作特点被总结为“富有想象力的实验、巧妙的理论和模型、以及精细的计算——通常在同一篇论文中结合”。