不僅能讓氣體凈化膜“大口喘氣”，還能讓膜材料表面潔凈無殘留，工業粉塵被高效回收利用。近日，由南京工業大學化工學院仲兆祥教授團隊聯合江蘇久朗高科技股份有限公司、南京膜材料產業技術研究院有限公司、江蘇加怡熱電有限公司等聯合完成的氣體凈化膜材料設計與制備的關鍵技術及應用項目，榮獲2020年度江蘇省科學技術一等獎。該技術破解了當下制約膜技術在氣體凈化領域應用中透氣速率低和抗污染性差的問題，實現了分離膜材料在氣體凈化過程中的大規模應用。
助推氣體凈化技術進步
嚴格控制超細粉塵排放，實現資源的高效潔凈利用，是化工、能源、鋼鐵、冶金、建材等行業面臨的共性問題。目前常用氣體除塵方法包括布袋過濾、旋風分離、靜電除塵、濕法捕集等，對大粒徑的粉塵有較好的脫除效果，但對超細粉塵(亞微米級)的分離效率低。
作為一種新型高效的分離技術，膜技術在液體分離領域等已有廣泛應用，但在氣體凈化領域尚處于起步階段。“工業煙氣單位時間排放體積大，每小時可達數百萬立方米，過濾推動力小，而現有的液體分離膜透氣速率低，不適用于氣體凈化過程。”仲兆祥介紹道，他們研發的氣體凈化膜則提供了有效的解決方案。
既能攔截較小顆粒，還能使氣體快速地通過，這種能使氣體凈化膜有效分離并“大口喘氣”的技術就是膜材料微結構調控技術。該技術提出面向氣固分離的膜材料設計方法，建立膜結構性能―控制參數間對應關系，實現了膜厚度、孔徑以及孔隙率的可控調節，膜透氣速率較國際先進技術產品提高30%。
創新研發雙疏膜材料
“然而，空氣凈化體系繁多，目標體系除了常見的固體顆粒物，還可能存在油性污染物，油性氣溶膠與超細粒子等容易在膜材料表面發生吸附污染，導致過濾壓差迅速上升，難以滿足工業過程對運行穩定性的要求。”仲兆祥表示，如果膜材料能夠實現既疏水又疏油，那么油性物質就不會粘附在膜表面。
這種效果類似“荷葉效應”，水滴到荷葉上會形成水珠，油滴滴落到疏油特性的膜纖維表面也呈油滴狀，隨著時間的延長，膜表面集聚形成的小油滴不斷變大，直到油滴自身的重力大于其與膜表面之間的黏附力，油滴在重力的作用下逐漸從雙疏膜表面滑落，使得膜材料具有再生功能。
為此，仲兆祥團隊發明了膜材料表面疏水疏油改性技術，結合膜表面形貌控制與在線反吹技術的開發，攻克了膜材料易被油性氣溶膠污染的難題，開發出國內外首創的雙疏膜材料。
“我們制備的均勻孔結構雙疏膜材料，其表面對水和油性物質的接觸角均大于120°，除具有膜材料的基本分離功能之外，表現出良好的疏水、疏油性，表面不易黏附污染物，較低的黏附力也有利于雙疏膜的清洗，延長了其重復使用性能，穩定運行壽命較國外商品膜提高了2倍以上。”仲兆祥如是說。
新工藝拓展應用領域
為實現氣體凈化膜的可控制備和工業化應用，仲兆祥團隊發明了系列氣體凈化膜應用新工藝。他們開發的系列膜法煙氣治理工藝裝備，在化工企業燃煤鍋爐、生物質鍋爐、廢棄物焚燒等煙氣凈化中實現規模應用，凈化后氣體粉塵濃度小于5mg/m3，優于國家超低排放標準10mg/m3，能耗較布袋除塵降低1/3以上。
針對化工過程的催化劑、鈦白粉、染料等高附加值粉體產品回收中的共性問題，他們還發明了高附加值粉體產品回收工藝，采用膜技術一步實現粉體產品的高效回收，并實現了規模化應用。湖南一家企業利用該工藝每年多回收20噸催化劑產品，減少了大量的廢水和廢氣排放，膜工藝的穩定運行壽命比原工藝提高了4倍以上。
據統計，氣體凈化膜技術在中石化、恒逸石化、江蘇華昌化工等60多家企業推廣應用，近兩年累計新增產值25.96億元，新增利潤4.57億元，累計處理廢氣超過1800億標準立方米、減排超細粉塵2700余噸。
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