隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大氣污染問(wèn)題日益凸顯。如何攻克工業(yè)廢氣凈化效率低和難以回收等關(guān)鍵難題，用新技術(shù)新材料打贏打好“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”?
南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、化工學(xué)院教授金萬(wàn)勤團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的“氣體凈化膜材料的創(chuàng)制及應(yīng)用”項(xiàng)目為上述難題提供了有效解決方案。他們開(kāi)發(fā)了國(guó)際首創(chuàng)的有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膜和雙疏膜產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了膜技術(shù)在含氯氣體、含油煙塵處理等領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用，也因此于近日榮獲2023年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
聚焦大氣污染治理 開(kāi)展氣體凈化膜技術(shù)研究
“發(fā)展高效節(jié)能的氣體凈化與回收技術(shù)，是當(dāng)前大氣污染治理亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，也是我們科技工作者必須肩負(fù)起的重任。”金萬(wàn)勤介紹道，石化、制藥領(lǐng)域的工業(yè)廢氣成分復(fù)雜，其中含氯有機(jī)揮發(fā)物、超細(xì)分以及含油氣體治理難度極大，現(xiàn)有技術(shù)如旋風(fēng)、靜電和布袋除塵等，往往存在處理效率低、運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題。相較于傳統(tǒng)氣體凈化技術(shù)，膜技術(shù)具有效率高、能耗低等特點(diǎn)，且同時(shí)有望實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放和資源回用。
在這之前，膜技術(shù)在液體分離領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。由中國(guó)工程院院士徐南平教授指導(dǎo)、邢衛(wèi)紅教授領(lǐng)銜的南工大科研團(tuán)隊(duì)，在“面向制漿廢水零排放的膜制備與集成技術(shù)”項(xiàng)目建成的膜法制漿廢水零排放技術(shù)與示范工程，曾讓陷入絕境的南通王子造紙百億元項(xiàng)目重生。這讓金萬(wàn)勤更加堅(jiān)信，膜技術(shù)也一定能在氣體凈化領(lǐng)域“一展身手”。
“此前，市場(chǎng)上的氣體凈化膜材料存在分離性能低、規(guī)模制備難度大、運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題。”金萬(wàn)勤表示，現(xiàn)有膜材料很難應(yīng)對(duì)工業(yè)煙氣單位時(shí)間排放體積大、過(guò)濾推動(dòng)力小等復(fù)雜工況。
為此，他帶著團(tuán)隊(duì)聚焦過(guò)程工業(yè)化廢氣凈化與回收面臨的共性問(wèn)題，針對(duì)氣體凈化膜技術(shù)的瓶頸問(wèn)題，開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究。
創(chuàng)制有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膜 實(shí)現(xiàn)氣體凈化膜性能飛躍
一心深耕圖破壁，廿年磨劍展鋒芒。金萬(wàn)勤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出了膜的新類(lèi)型——有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膜。為何要讓兩種材料復(fù)合疊加?金萬(wàn)勤介紹說(shuō)，這樣能更好發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)設(shè)計(jì)剛性無(wú)機(jī)支撐體與有機(jī)膜層復(fù)合，構(gòu)筑受限溶脹界面的新結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)成功突破膜通量和選擇性相互制約的限制，解決了有機(jī)膜層在有機(jī)溶劑中因溶脹帶來(lái)的不穩(wěn)定性。
“項(xiàng)目構(gòu)建了有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膜設(shè)計(jì)制備理論框架，為膜放大制備與應(yīng)用提供了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。”金萬(wàn)勤介紹說(shuō)，團(tuán)隊(duì)在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了復(fù)合膜的界面受限溶脹機(jī)制及層間界面阻力效應(yīng)，通過(guò)創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)成功突破膜通量、選擇性和穩(wěn)定性的限制，實(shí)現(xiàn)了氣體凈化膜技術(shù)的性能飛躍。
此外，他們還克服了現(xiàn)有膜材料有機(jī)溶劑不耐受的難題，打破了傳統(tǒng)膜滲透性和選擇性難以兼具的瓶頸；實(shí)現(xiàn)了對(duì)膜表面浸潤(rùn)性和界面結(jié)合性的有序調(diào)控，通過(guò)活化接枝改性技術(shù)，開(kāi)發(fā)出有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膜和雙疏膜產(chǎn)品，顯著提高膜的抗污染性能和長(zhǎng)期服役性能。
“這種膜不是就在無(wú)機(jī)材料上涂了一層有機(jī)材料嗎?真有這么難嗎?”面對(duì)質(zhì)疑，金萬(wàn)勤表示，這種膜的難點(diǎn)就在于如何解決無(wú)機(jī)層與有機(jī)層間的界面結(jié)合問(wèn)題，其中涉及如何控制膜層厚度、支撐體的粗糙度、高分子溶液的黏度以及在放大制備過(guò)程如何保證膜層完整性……這些都需要團(tuán)隊(duì)一次次反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化。
突破規(guī)模化制備瓶頸 在200余套工程實(shí)現(xiàn)應(yīng)用
“從最初實(shí)驗(yàn)室里的5厘米長(zhǎng)的樣品到現(xiàn)在80厘米長(zhǎng)的產(chǎn)品，我們用了10年時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了氣體凈化膜材料從實(shí)驗(yàn)室走向中試。”在南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，金萬(wàn)勤展示了這種膜層厚度不超過(guò)5微米的氣體凈化膜。在此過(guò)程中，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克了氣體凈化膜技術(shù)的規(guī)模化制備難題。2014年開(kāi)始，該有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膜產(chǎn)品正式步入市場(chǎng)。
針對(duì)工業(yè)煙氣中油性氣溶膠易在濾材表面吸附形成污染層，影響膜結(jié)構(gòu)和透氣性能的國(guó)際難題，團(tuán)隊(duì)提出了表面疏水疏油改性的熱輔助原位功能化方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膜界面結(jié)合性與表面浸潤(rùn)性的有序調(diào)控，創(chuàng)制了雙疏型氣體凈化膜材料，顯著提高了膜的抗污染性能和長(zhǎng)期服役性能。
“較之國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，我們的氣體凈化膜產(chǎn)品透氣速率提高30%以上，機(jī)械性能提高198%，對(duì)0.3微米超細(xì)粉塵去除率遠(yuǎn)超國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到99.99%以上。”談及雙疏膜，獲獎(jiǎng)項(xiàng)目第二完成人仲兆祥教授介紹說(shuō)，煙氣中油性氣溶膠等污染物在雙疏膜表面吸附作用力小，污染層在重力和反吹等外力的作用下極易脫離膜表面，從而具有自清潔效果，為解決膜材料在高黏高濕體系中的應(yīng)用提供了新的途徑，膜穩(wěn)定運(yùn)行壽命也延長(zhǎng)了3倍以上。
目前，該氣體凈化膜技術(shù)在中石化、恒逸石化等200余套工程實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，累計(jì)處理工業(yè)氣體超過(guò)3000億立方米，新增高附加值粉體和有機(jī)溶劑回收價(jià)值超10億元。
“一張膜無(wú)法解決所有問(wèn)題，這也給我們科研工作提出了更高的要求。”金萬(wàn)勤表示，下一步，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)在提高氣體凈化膜材料分離性能及應(yīng)用性上下苦功，創(chuàng)新研發(fā)一種新型的混合基質(zhì)膜，希望在未來(lái)1到2年里可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備。
