拦截粉尘、废气中“淘金” 这张膜的秘诀是量体裁衣
烟尘是工业排放的最主要污染气体之一,它不仅威胁人体健康,还严重破坏环境。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，但对亚微米级的超细粉尘的分离效率低，排放浓度经常超过国家标准。
从2007年开始，南京工业大学化工学院仲兆祥教授团队先后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“气体净化膜材料设计与制备的关键技术及应用”。近日，这项技术荣获2020年度江苏省科学技术一等奖。“该技术破解了当下膜技术在气体净化应用中透气性差、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。”仲兆祥说。
疏水疏油，精准拦截粉尘
“膜技术是一种新型高效的分离技术，可以利用膜孔隙的穿透性，分离各种对象。在液体分离领域，如水处理中，膜技术已有广泛的应用，但在气体净化领域尚处于起步阶段。”仲兆祥告诉科技日报记者，制约膜技术在气体净化领域应用的主要原因有两个，其中之一便是工业烟气单位时间排放体积大，每小时可达数百万立方米，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。
如何让过滤膜“畅快呼吸”，及时拦截颗粒、净化气体？“想达到比较好的过滤效率，需要让膜和粉尘相互匹配。以前，行业内制备的膜，过滤孔洞不均匀，膜和粉尘的粒径也不匹配。经过10年的研究，我们对过滤的粉尘量体裁衣，能根据粉尘的尺寸，来设计调节膜的厚度、孔径以及孔隙率，让膜材料适应粉尘颗粒尺寸，提高粉尘的拦截率。这需要建立膜材料宏观制备参数与膜微结构之间的关系。”仲兆祥说。
工业烟气来源广、成分复杂，油性气溶胶与超细粒子等容易堆积在膜材料表面，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，是制约膜技术在气体净化领域应用的又一难题。
“以往，大部分过滤材料都是亲水亲油的，少部分可以做到疏水，但还是亲油，所以一些油性颗粒会吸附在膜表面。”仲兆祥说，他和团队成员发明了膜材料表面疏水疏油改性技术，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。
“双疏膜的这种效果类似‘荷叶效应’。”仲兆祥打了个比方，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表面后，在膜表面会形成小油滴，随着时间的延长，油滴不断变大，当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会从膜表面滑落。
“较低的黏附力利于双疏膜的自清洁，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。
降低粉尘浓度，节能降耗
燃煤锅炉、生物质锅炉、废弃物焚烧炉等均会产生含尘烟气，随着国家对烟气排放标准的提高，迫切需要实现工业尾气的高效治理。
对此，仲兆祥和团队尝试气体净化膜的可控制备和工业化应用，并发明系列气体净化膜应用新工艺。
“不同的粉尘，密度不同，有的灰比较重，容易沉降；有的灰比较轻，就容易悬浮，例如生物质燃烧后的烟尘。我们根据不同的使用场景，在烟气处理装置中设计膜材料的空间分布。又例如化工废液焚烧生成的灰，湿度大，烟尘处理过程如果突然降温，就会发生结露，混杂在烟气里的颗粒会黏附在膜表面，所以我们设计了在线清洗系统，及时清除膜表面的烟尘。”仲兆祥说，研究团队设计了在线和离线反吹系统，开发了系列膜法烟气治理工艺装备并实现了应用。
仲兆祥介绍，浙江某大型石化公司的燃煤锅炉，原来采用布袋除尘，排放浓度超过国家最新标准20毫克/立方米（mg/m3）。
“后来，该公司采用研究团队的膜技术对布袋除尘器进行改造，建成排放量220万立方米/时（m3/h）膜装置，净化后粉尘浓度3.52mg/m3，膜装置较原布袋能耗降低1/3以上，每年节约风机电费等250万以上，同时除尘器压差下降，促进锅炉负荷提升了8%，富产蒸汽使产能提升了2万吨/年，年新增产值超过2亿元。”仲兆祥说。
从废气中淘出“真金白银”
化工过程的催化剂、钛白粉、染料等高附加值粉体，如果随烟尘排出，那排放的不仅有烟尘，还有真金白银。仲兆祥在市场调研时发现，山东有一家黄金冶炼厂，排除的烟尘中黄金含量约占4%，白银占10%。
“为了帮助企业回收烟尘中的高附加值的原材料，我们在膜表面设计了亚微米级的孔洞，而且纳米纤维的表面积较大，它们可以形成一张网状的结构，高效捕捉催化剂。”仲兆祥说，利用他们的膜技术，湖南的这家公司形成新的催化剂回收工艺后，催化剂回收率高于99.99%，每年可多回收贵重催化剂产品20吨左右，减少了大量的废水和废气排放，经济效益与环境效益显著。
据统计，目前，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1800亿标立方米、减排超细粉尘2700余吨。