交汇点讯 不仅能让气体净化膜“大口喘气”，还能让膜材料表面洁净无残留，工业粉尘被高效回收利用。近日，由南京工业大学化工学院仲兆祥教授团队联合江苏久朗高科技股份有限公司、南京膜材料产业技术研究院有限公司、江苏加怡热电有限公司等单位攻关的“气体净化膜材料设计与制备的关键技术及应用”项目，荣获2020年度江苏省科学技术一等奖。该技术破解了当下制约膜技术在气体净化领域应用中透气速率低和抗污染性差的问题，实现了分离膜材料在气体净化过程中的大规模应用。
破解有效拦截与快速渗透的矛盾
严格控制超细粉尘排放，实现资源的高效洁净利用，是化工、能源、钢铁、冶金、建材等行业面临的共性问题。目前常用气体除尘方法包括布袋过滤、旋风分离、静电除尘、湿法捕集等，对大粒径的粉尘有较好的脱除效果，但对超细粉尘（亚微米级）的分离效率低。
作为一种新型高效的分离技术，膜技术在液体分离领域如水处理等已有广泛的应用，但在气体净化领域尚处于起步阶段。“工业烟气单位时间排放体积大，每小时可达数百万立方，过滤推动力小，而现有的液体分离膜透气速率低，不适用于气体净化过程。”仲兆祥介绍道，他和团队研发的气体净化膜提供了有效解决方案。
既能拦截较小颗粒，还能使气体快速地通过，这种能使气体净化膜有效分离并“大口喘气”的技术就是仲兆祥和团队开发的“膜材料微结构调控技术”。该技术提出面向气固分离的膜材料设计方法，建立膜结构性能—控制参数间对应关系，实现了膜厚度、孔径以及孔隙率的可控调节，膜透气速率较国际先进技术产品提高30%。
“然而，空气净化体系繁多，目标体系除了常见的固体颗粒物，还可能存在油性污染物，油性气溶胶与超细粒子等容易在膜材料表面发生吸附污染，导致过滤压差迅速上升，难以满足工业过程对运行稳定性的要求。”针对上述问题，仲兆祥和团队成员开发了一种新型双疏型膜材料。
既疏水又疏油，延长膜材料使用寿命
“如果膜材料能够实现既疏水又疏油，那么油性物质就不会粘附在膜表面。”仲兆祥说双疏膜的这种效果类似“荷叶效应”，水滴到荷叶上会形成水珠，过滤的油滴滴落到疏油特性的膜纤维表面也呈油滴状，随着时间的延长，膜表面集聚形成的小油滴不断变大，直到油滴自身的重力大于其与膜表面之间的黏附力，油滴在重力的作用下逐渐从双疏膜表面滑落，使得膜材料具有再生功能。
为此，仲兆祥和团队成员发明了膜材料表面疏水疏油改性技术，结合膜表面形貌控制与在线反吹技术的开发，成功攻克了膜材料易被油性气溶胶污染的难题，开发出国内外首创的双疏膜材料。
“我们制备得到的均匀孔结构的双疏膜材料，其表面对水和油性物质的接触角均大于120°，除具有膜材料的基本分离功能之外，也表现出良好的疏水、疏油性，表面不易黏附污染物，较低的黏附力也有利于双疏膜的清洗，延长了其重复使用性能，稳定运行寿命较国外商品膜提高了2倍以上。”仲兆祥说道。
2017年，在“新型气固分离膜的设计、制备和工程应用”项目鉴定会上，专家一致认为“双疏型膜材料技术达到国际领先水平”。
新工艺拓展应用，产生经济和社会双效益
为了实现气体净化膜的可控制备和工业化应用，仲兆祥和团队发明了系列气体净化膜应用新工艺。团队开发的系列膜法烟气治理工艺装备，在化工企业燃煤锅炉、生物质锅炉、废弃物焚烧等烟气净化中实现规模应用，净化后气体粉尘浓度小于5mg/m3，优于国家超低排放标准10mg/m3，能耗较布袋除尘降低1/3以上。
针对化工过程的催化剂、钛白粉、染料等高附加值粉体产品回收中的共性问题，该项目还发明了高附加值粉体产品回收工艺，采用膜技术一步实现粉体产品的高效回收，实现了规模化应用。“相对于传统的两步或多步分离的方法，该流程更加紧凑，操作方便。”仲兆祥指出，利用传统的旋风分离+布袋或布袋+水洗等方法，排在大气中的烟气浓度经常在每立方30毫克以上，以1小时排到空气中的气体量10万立方、1立方里有30毫克催化剂来算的话，1年大概有20多吨价值上百万元的催化剂都飞到空气中去了。“湖南某石化有限公司利用该工艺每年多回收了20吨贵重催化剂产品，减少了大量的废水和废气排放，膜工艺的稳定运行寿命比原工艺提高了4倍以上。”
据统计，气体净化膜技术在中石化、恒逸石化、江苏华昌化工等60多家企业推广应用，近两年累计新增产值25.96亿元，新增利润4.57亿元，累计处理废气超过1800亿标准立方米、减排超细粉尘2700余吨。
“在民用领域，我们还做了空气净化器和防疫口罩。”2020年年初，在新冠肺炎疫情防控中，仲兆祥和团队还开发出以膜材料为核心的空气净化器与高性能防护口罩，这种“膜法口罩”无需加静电，过滤效率可达99%，同时还能水洗和酒精消毒，有效缓解了市场熔喷布供不应求的紧张局面。
通讯员 朱琳
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