團(tuán)隊(duì)研發(fā)的聚合物—陶瓷復(fù)合膜。金萬(wàn)勤供圖
甲醇是生產(chǎn)新能源汽車鋰電池電解液碳酸二甲酯的主要原料，但甲醇跟其他物質(zhì)反應(yīng)后，會(huì)形成碳酸二甲酯和甲醇共沸混合物。從共沸混合物中提取碳酸二甲酯，通常采用變壓精餾工藝。
最近，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院教授金萬(wàn)勤團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膜材料，采用新型膜分離工藝，提出一種有機(jī)共沸混合物分離的新策略。
“與變壓精餾工藝相比，這種新工藝分離1噸碳酸二甲酯的蒸汽消耗將從8噸降至4噸。”金萬(wàn)勤說(shuō)。
這一新工藝正是基于金萬(wàn)勤團(tuán)隊(duì)主持完成的“氣體凈化膜材料的創(chuàng)制及應(yīng)用”項(xiàng)目研發(fā)的最新技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年積累，項(xiàng)目成果在中石化、中鹽集團(tuán)等企業(yè)的200余項(xiàng)工程中應(yīng)用，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
研發(fā)“有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膜”
金萬(wàn)勤介紹，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。傳統(tǒng)氣體凈化技術(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、資源回收利用率不高等問(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)。應(yīng)用膜技術(shù)對(duì)工業(yè)廢氣進(jìn)行處理，有望實(shí)現(xiàn)廢氣達(dá)標(biāo)排放和資源回用。”金萬(wàn)勤說(shuō)。
膜技術(shù)用于氣體凈化優(yōu)點(diǎn)顯著，但目前不少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，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。
對(duì)此，團(tuán)隊(duì)聚焦工業(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，開展了系統(tǒng)深入的研究。
金萬(wàn)勤介紹，現(xiàn)有的膜材料通常是有機(jī)—有機(jī)復(fù)合膜，這種膜在有機(jī)溶劑等苛刻環(huán)境中極易發(fā)生溶脹。這會(huì)導(dǎo)致膜孔道結(jié)構(gòu)被破壞失去分離選擇性，使性能不穩(wěn)定。
于是，團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出了“有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膜”。在反復(fù)試驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建聚合物分離層和陶瓷支撐層，制備出低成本、高穩(wěn)定性的聚合物—陶瓷復(fù)合膜。
為何要讓兩種材料復(fù)合疊加？金萬(wàn)勤介紹，這樣做能更好地發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)。他們通過(guò)將剛性無(wú)機(jī)支撐體與有機(jī)膜層復(fù)合，構(gòu)筑了受限溶脹界面的新結(jié)構(gòu)，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。
“這種膜的研制難點(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、孔滲控制，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。”金萬(wàn)勤說(shuō)。
金萬(wàn)勤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)圍繞現(xiàn)有膜材料難以滿足復(fù)雜化工煙氣超低排放與回收利用需求的難題進(jìn)行了一系列攻關(guān)。他們克服了現(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)了兩者的同步提升；開發(fā)出國(guó)際首創(chuàng)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；提出了國(guó)際首創(chuàng)的防靜電導(dǎo)流網(wǎng)技術(shù)，創(chuàng)制了本質(zhì)安全型膜組件，從根本上解決了裝備防靜電防爆問(wèn)題，保障了百余項(xiàng)工程的安全運(yùn)行。
突破規(guī)模化制備瓶頸
在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)的理論突破能否轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，是團(tuán)隊(duì)面臨的又一個(gè)挑戰(zhàn)。在南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室，金萬(wàn)勤展示了一種膜層厚度不超過(guò)5微米的氣體凈化膜。他對(duì)記者感慨道，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克了氣體凈化膜技術(shù)的一系列規(guī)模化制備難題，又用了10年時(shí)間，讓氣體凈化膜材料從實(shí)驗(yàn)室走向中試。
針對(duì)工業(yè)煙氣中油性氣溶膠易吸附在濾材表面形成污染層、影響膜結(jié)構(gòu)和透氣性能的難題，團(tuán)隊(duì)又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)，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，項(xiàng)目第二完成人、南京工業(yè)大學(xué)教授仲兆祥介紹，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。這為解決膜材料在高黏高濕體系中的應(yīng)用提供了新的解決途徑，膜穩(wěn)定運(yùn)行壽命也延長(zhǎng)了3倍以上。
金萬(wàn)勤介紹，目前氣體凈化膜技術(shù)在200余項(xiàng)工程中應(yīng)用，遍及25個(gè)省(區(qū)、市)，率先實(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，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，產(chǎn)生了廣泛的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
“一張膜無(wú)法解決所有氣體凈化問(wèn)題。利用膜技術(shù)更高效地進(jìn)行氣體凈化是我們科研工作的更高目標(biāo)。”金萬(wàn)勤說(shuō)，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。“我們將在有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膜的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步創(chuàng)新研發(fā)一種新型混合基質(zhì)膜，希望未來(lái)一到兩年里實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備。”他說(shuō)。
