隨著工業化進程的不斷推進，大氣污染問題日益凸顯。如何攻克工業廢氣凈化效率低和難以回收等關鍵難題，用新技術新材料打贏打好“藍天保衛戰”?
南京工業大學材料化學工程國家重點實驗、化工學院教授金萬勤團隊開發的“氣體凈化膜材料的創制及應用”項目為上述難題提供了有效解決方案。他們開發了國際首創的有機—無機復合膜和雙疏膜產品，實現了膜技術在含氯氣體、含油煙塵處理等領域的規模化應用，也因此于近日榮獲2023年度國家科學技術進步獎二等獎。
聚焦大氣污染治理 開展氣體凈化膜技術研究
“發展高效節能的氣體凈化與回收技術，是當前大氣污染治理亟待解決的關鍵問題，也是我們科技工作者必須肩負起的重任。”金萬勤介紹道，石化、制藥領域的工業廢氣成分復雜，其中含氯有機揮發物、超細分以及含油氣體治理難度極大，現有技術如旋風、靜電和布袋除塵等，往往存在處理效率低、運行不穩定等問題。相較于傳統氣體凈化技術，膜技術具有效率高、能耗低等特點，且同時有望實現達標排放和資源回用。
在這之前，膜技術在液體分離領域已有廣泛應用。由中國工程院院士徐南平教授指導、邢衛紅教授領銜的南工大科研團隊，在“面向制漿廢水零排放的膜制備與集成技術”項目建成的膜法制漿廢水零排放技術與示范工程，曾讓陷入絕境的南通王子造紙百億元項目重生。這讓金萬勤更加堅信，膜技術也一定能在氣體凈化領域“一展身手”。
“此前，市場上的氣體凈化膜材料存在分離性能低、規模制備難度大、運行不穩定等問題。”金萬勤表示，現有膜材料很難應對工業煙氣單位時間排放體積大、過濾推動力小等復雜工況。
為此，他帶著團隊聚焦過程工業化廢氣凈化與回收面臨的共性問題，針對氣體凈化膜技術的瓶頸問題，開展了系統深入的研究。
創制有機—無機復合膜 實現氣體凈化膜性能飛躍
一心深耕圖破壁，廿年磨劍展鋒芒。金萬勤帶領團隊另辟蹊徑，提出了膜的新類型——有機—無機復合膜。為何要讓兩種材料復合疊加?金萬勤介紹說，這樣能更好發揮兩種材料的優勢。通過設計剛性無機支撐體與有機膜層復合，構筑受限溶脹界面的新結構，團隊成功突破膜通量和選擇性相互制約的限制，解決了有機膜層在有機溶劑中因溶脹帶來的不穩定性。
“項目構建了有機—無機復合膜設計制備理論框架，為膜放大制備與應用提供了理論與技術基礎。”金萬勤介紹說，團隊在研究過程中發現了復合膜的界面受限溶脹機制及層間界面阻力效應，通過創新性的設計成功突破膜通量、選擇性和穩定性的限制，實現了氣體凈化膜技術的性能飛躍。
此外，他們還克服了現有膜材料有機溶劑不耐受的難題，打破了傳統膜滲透性和選擇性難以兼具的瓶頸；實現了對膜表面浸潤性和界面結合性的有序調控，通過活化接枝改性技術，開發出有機—無機復合膜和雙疏膜產品，顯著提高膜的抗污染性能和長期服役性能。
“這種膜不是就在無機材料上涂了一層有機材料嗎?真有這么難嗎?”面對質疑，金萬勤表示，這種膜的難點就在于如何解決無機層與有機層間的界面結合問題，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程如何保證膜層完整性……這些都需要團隊一次次反復試驗優化。
突破規模化制備瓶頸 在200余套工程實現應用
“從最初實驗室里的5厘米長的樣品到現在80厘米長的產品，我們用了10年時間，實現了氣體凈化膜材料從實驗室走向中試。”在南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室，金萬勤展示了這種膜層厚度不超過5微米的氣體凈化膜。在此過程中，他帶領團隊攻克了氣體凈化膜技術的規模化制備難題。2014年開始，該有機—無機復合膜產品正式步入市場。
針對工業煙氣中油性氣溶膠易在濾材表面吸附形成污染層，影響膜結構和透氣性能的國際難題，團隊提出了表面疏水疏油改性的熱輔助原位功能化方法，實現了對膜界面結合性與表面浸潤性的有序調控，創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期服役性能。
“較之國際先進技術，我們的氣體凈化膜產品透氣速率提高30%以上，機械性能提高198%，對0.3微米超細粉塵去除率遠超國際標準，達到99.99%以上。”談及雙疏膜，獲獎項目第二完成人仲兆祥教授介紹說，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用提供了新的途徑，膜穩定運行壽命也延長了3倍以上。
目前，該氣體凈化膜技術在中石化、恒逸石化等200余套工程實現應用，累計處理工業氣體超過3000億立方米，新增高附加值粉體和有機溶劑回收價值超10億元。
“一張膜無法解決所有問題，這也給我們科研工作提出了更高的要求。”金萬勤表示，下一步，團隊將繼續在提高氣體凈化膜材料分離性能及應用性上下苦功，創新研發一種新型的混合基質膜，希望在未來1到2年里可以實現規模化制備。
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