煙塵是工業排放的最主要污染氣體之一,它不僅威脅人體健康,還嚴重破壞環境。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，但對亞微米級的超細粉塵的分離效率低，排放濃度經常超過國家標準。
從2007年開始，南京工業大學化工學院仲兆祥教授團隊先后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單位攻關“氣體凈化膜材料設計與制備的關鍵技術及應用”。近日，這項技術榮獲2020年度江蘇省科學技術一等獎。“該技術破解了當下膜技術在氣體凈化應用中透氣性差、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。”仲兆祥說。
疏水疏油，精準攔截粉塵
“膜技術是一種新型高效的分離技術，可以利用膜孔隙的穿透性，分離各種對象。在液體分離領域，如水處理中，膜技術已有廣泛的應用，但在氣體凈化領域尚處于起步階段。”仲兆祥告訴科技日報記者，制約膜技術在氣體凈化領域應用的主要原因有兩個，其中之一便是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。
如何讓過濾膜“暢快呼吸”，及時攔截顆粒、凈化氣體？“想達到比較好的過濾效率，需要讓膜和粉塵相互匹配。以前，行業內制備的膜，過濾孔洞不均勻，膜和粉塵的粒徑也不匹配。經過10年的研究，我們對過濾的粉塵量體裁衣，能根據粉塵的尺寸，來設計調節膜的厚度、孔徑以及孔隙率，讓膜材料適應粉塵顆粒尺寸，提高粉塵的攔截率。這需要建立膜材料宏觀制備參數與膜微結構之間的關系。”仲兆祥說。
工業煙氣來源廣、成分復雜，油性氣溶膠與超細粒子等容易堆積在膜材料表面，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，是制約膜技術在氣體凈化領域應用的又一難題。
“以往，大部分過濾材料都是親水親油的，少部分可以做到疏水，但還是親油，所以一些油性顆粒會吸附在膜表面。”仲兆祥說，他和團隊成員發明了膜材料表面疏水疏油改性技術，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。
“雙疏膜的這種效果類似‘荷葉效應’。”仲兆祥打了個比方，水滴到荷葉上會形成水珠，過濾的油滴滴落到疏油特性的膜表面后，在膜表面會形成小油滴，隨著時間的延長，油滴不斷變大，當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會從膜表面滑落。
“較低的黏附力利于雙疏膜的自清潔，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。”仲兆祥說。
降低粉塵濃度，節能降耗
燃煤鍋爐、生物質鍋爐、廢棄物焚燒爐等均會產生含塵煙氣，隨著國家對煙氣排放標準的提高，迫切需要實現工業尾氣的高效治理。
對此，仲兆祥和團隊嘗試氣體凈化膜的可控制備和工業化應用，并發明系列氣體凈化膜應用新工藝。
“不同的粉塵，密度不同，有的灰比較重，容易沉降；有的灰比較輕，就容易懸浮，例如生物質燃燒后的煙塵。我們根據不同的使用場景，在煙氣處理裝置中設計膜材料的空間分布。又例如化工廢液焚燒生成的灰，濕度大，煙塵處理過程如果突然降溫，就會發生結露，混雜在煙氣里的顆粒會黏附在膜表面，所以我們設計了在線清洗系統，及時清除膜表面的煙塵。”仲兆祥說，研究團隊設計了在線和離線反吹系統，開發了系列膜法煙氣治理工藝裝備并實現了應用。
仲兆祥介紹，浙江某大型石化公司的燃煤鍋爐，原來采用布袋除塵，排放濃度超過國家最新標準20毫克/立方米（mg/m3）。
“后來，該公司采用研究團隊的膜技術對布袋除塵器進行改造，建成排放量220萬立方米/時（m3/h）膜裝置，凈化后粉塵濃度3.52mg/m3，膜裝置較原布袋能耗降低1/3以上，每年節約風機電費等250萬以上，同時除塵器壓差下降，促進鍋爐負荷提升了8%，富產蒸汽使產能提升了2萬噸/年，年新增產值超過2億元。”仲兆祥說。
從廢氣中淘出“真金白銀”
化工過程的催化劑、鈦白粉、染料等高附加值粉體，如果隨煙塵排出，那排放的不僅有煙塵，還有真金白銀。仲兆祥在市場調研時發現，山東有一家黃金冶煉廠，排除的煙塵中黃金含量約占4%，白銀占10%。
“為了幫助企業回收煙塵中的高附加值的原材料，我們在膜表面設計了亞微米級的孔洞，而且納米纖維的表面積較大，它們可以形成一張網狀的結構，高效捕捉催化劑。”仲兆祥說，利用他們的膜技術，湖南的這家公司形成新的催化劑回收工藝后，催化劑回收率高于99.99%，每年可多回收貴重催化劑產品20噸左右，減少了大量的廢水和廢氣排放，經濟效益與環境效益顯著。
據統計，目前，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1800億標立方米、減排超細粉塵2700余噸。
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