随着工业化进程的不断推进，大气污染问题日益凸显。如何攻克工业废气净化效率低和难以回收等关键难题，用新技术新材料打赢打好“蓝天保卫战”?
南京工业大学材料化学工程国家重点实验、化工学院教授金万勤团队开发的“气体净化膜材料的创制及应用”项目为上述难题提供了有效解决方案。他们开发了国际首创的有机—无机复合膜和双疏膜产品，实现了膜技术在含氯气体、含油烟尘处理等领域的规模化应用，也因此于近日荣获2023年度国家科学技术进步奖二等奖。
聚焦大气污染治理 开展气体净化膜技术研究
“发展高效节能的气体净化与回收技术，是当前大气污染治理亟待解决的关键问题，也是我们科技工作者必须肩负起的重任。”金万勤介绍道，石化、制药领域的工业废气成分复杂，其中含氯有机挥发物、超细分以及含油气体治理难度极大，现有技术如旋风、静电和布袋除尘等，往往存在处理效率低、运行不稳定等问题。相较于传统气体净化技术，膜技术具有效率高、能耗低等特点，且同时有望实现达标排放和资源回用。
在这之前，膜技术在液体分离领域已有广泛应用。由中国工程院院士徐南平教授指导、邢卫红教授领衔的南工大科研团队，在“面向制浆废水零排放的膜制备与集成技术”项目建成的膜法制浆废水零排放技术与示范工程，曾让陷入绝境的南通王子造纸百亿元项目重生。这让金万勤更加坚信，膜技术也一定能在气体净化领域“一展身手”。
“此前，市场上的气体净化膜材料存在分离性能低、规模制备难度大、运行不稳定等问题。”金万勤表示，现有膜材料很难应对工业烟气单位时间排放体积大、过滤推动力小等复杂工况。
为此，他带着团队聚焦过程工业化废气净化与回收面临的共性问题，针对气体净化膜技术的瓶颈问题，开展了系统深入的研究。
创制有机—无机复合膜 实现气体净化膜性能飞跃
一心深耕图破壁，廿年磨剑展锋芒。金万勤带领团队另辟蹊径，提出了膜的新类型——有机—无机复合膜。为何要让两种材料复合叠加?金万勤介绍说，这样能更好发挥两种材料的优势。通过设计刚性无机支撑体与有机膜层复合，构筑受限溶胀界面的新结构，团队成功突破膜通量和选择性相互制约的限制，解决了有机膜层在有机溶剂中因溶胀带来的不稳定性。
“项目构建了有机—无机复合膜设计制备理论框架，为膜放大制备与应用提供了理论与技术基础。”金万勤介绍说，团队在研究过程中发现了复合膜的界面受限溶胀机制及层间界面阻力效应，通过创新性的设计成功突破膜通量、选择性和稳定性的限制，实现了气体净化膜技术的性能飞跃。
此外，他们还克服了现有膜材料有机溶剂不耐受的难题，打破了传统膜渗透性和选择性难以兼具的瓶颈；实现了对膜表面浸润性和界面结合性的有序调控，通过活化接枝改性技术，开发出有机—无机复合膜和双疏膜产品，显著提高膜的抗污染性能和长期服役性能。
“这种膜不是就在无机材料上涂了一层有机材料吗?真有这么难吗?”面对质疑，金万勤表示，这种膜的难点就在于如何解决无机层与有机层间的界面结合问题，其中涉及如何控制膜层厚度、支撑体的粗糙度、高分子溶液的黏度以及在放大制备过程如何保证膜层完整性……这些都需要团队一次次反复试验优化。
突破规模化制备瓶颈 在200余套工程实现应用
“从最初实验室里的5厘米长的样品到现在80厘米长的产品，我们用了10年时间，实现了气体净化膜材料从实验室走向中试。”在南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，金万勤展示了这种膜层厚度不超过5微米的气体净化膜。在此过程中，他带领团队攻克了气体净化膜技术的规模化制备难题。2014年开始，该有机—无机复合膜产品正式步入市场。
针对工业烟气中油性气溶胶易在滤材表面吸附形成污染层，影响膜结构和透气性能的国际难题，团队提出了表面疏水疏油改性的热辅助原位功能化方法，实现了对膜界面结合性与表面浸润性的有序调控，创制了双疏型气体净化膜材料，显著提高了膜的抗污染性能和长期服役性能。
“较之国际先进技术，我们的气体净化膜产品透气速率提高30%以上，机械性能提高198%，对0.3微米超细粉尘去除率远超国际标准，达到99.99%以上。”谈及双疏膜，获奖项目第二完成人仲兆祥教授介绍说，烟气中油性气溶胶等污染物在双疏膜表面吸附作用力小，污染层在重力和反吹等外力的作用下极易脱离膜表面，从而具有自清洁效果，为解决膜材料在高黏高湿体系中的应用提供了新的途径，膜稳定运行寿命也延长了3倍以上。
目前，该气体净化膜技术在中石化、恒逸石化等200余套工程实现应用，累计处理工业气体超过3000亿立方米，新增高附加值粉体和有机溶剂回收价值超10亿元。
“一张膜无法解决所有问题，这也给我们科研工作提出了更高的要求。”金万勤表示，下一步，团队将继续在提高气体净化膜材料分离性能及应用性上下苦功，创新研发一种新型的混合基质膜，希望在未来1到2年里可以实现规模化制备。
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