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本報(bào)記者 金 鳳 通訊員 朱 琳

煙塵是工業(yè)排放的最主要污染氣體之一,它不僅威脅人體健康,還嚴(yán)重破壞環(huán)境。嚴(yán)格控制超細(xì)粉塵排放，實(shí)現(xiàn)資源的高效潔凈利用，是化工、能源、鋼鐵、冶金、建材等行業(yè)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(fēng)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(xì)粉塵的分離效率低，排放濃度經(jīng)常超過國家標(biāo)準(zhǔn)。

從2007年開始，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院仲兆祥教授團(tuán)隊(duì)先后聯(lián)合江蘇久朗高科技股份有限公司、南京膜材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司、江蘇加怡熱電有限公司等單位攻關(guān)“氣體凈化膜材料設(shè)計(jì)與制備的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”。近日，這項(xiàng)技術(shù)榮獲2020年度江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。“該技術(shù)破解了當(dāng)下膜技術(shù)在氣體凈化應(yīng)用中透氣性差、抗污染性差的問題，實(shí)現(xiàn)了分離膜材料在氣體凈化過程中的大規(guī)模應(yīng)用。”仲兆祥說。

疏水疏油，精準(zhǔn)攔截粉塵

“膜技術(shù)是一種新型高效的分離技術(shù)，可以利用膜孔隙的穿透性，分離各種對象。在液體分離領(lǐng)域，如水處理中，膜技術(shù)已有廣泛的應(yīng)用，但在氣體凈化領(lǐng)域尚處于起步階段。”仲兆祥告訴科技日報(bào)記者，制約膜技術(shù)在氣體凈化領(lǐng)域應(yīng)用的主要原因有兩個(gè)，其中之一便是工業(yè)煙氣單位時(shí)間排放體積大，每小時(shí)可達(dá)數(shù)百萬立方米，過濾推動(dòng)力小，而現(xiàn)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(shí)攔截顆粒、凈化氣體？“想達(dá)到比較好的過濾效率，需要讓膜和粉塵相互匹配。以前，行業(yè)內(nèi)制備的膜，過濾孔洞不均勻，膜和粉塵的粒徑也不匹配。經(jīng)過10年的研究，我們對過濾的粉塵量體裁衣，能根據(jù)粉塵的尺寸，來設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)膜的厚度、孔徑以及孔隙率，讓膜材料適應(yīng)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(shù)與膜微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。”仲兆祥說。

工業(yè)煙氣來源廣、成分復(fù)雜，油性氣溶膠與超細(xì)粒子等容易堆積在膜材料表面，導(dǎo)致過濾壓差迅速上升，難以滿足工業(yè)過程對運(yùn)行穩(wěn)定性的要求，是制約膜技術(shù)在氣體凈化領(lǐng)域應(yīng)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(tuán)隊(duì)成員發(fā)明了膜材料表面疏水疏油改性技術(shù)，攻克了膜材料易被油性氣溶膠污染的難題，開發(fā)出國內(nèi)外首創(chuàng)的雙疏膜材料。

“雙疏膜的這種效果類似‘荷葉效應(yīng)’。”仲兆祥打了個(gè)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(shí)間的延長，油滴不斷變大，當(dāng)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(fù)使用性能，穩(wěn)定運(yùn)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(jié)能降耗

燃煤鍋爐、生物質(zhì)鍋爐、廢棄物焚燒爐等均會產(chǎn)生含塵煙氣，隨著國家對煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，迫切需要實(shí)現(xiàn)工業(yè)尾氣的高效治理。

對此，仲兆祥和團(tuán)隊(duì)嘗試氣體凈化膜的可控制備和工業(yè)化應(yīng)用，并發(fā)明系列氣體凈化膜應(yīng)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(zhì)燃燒后的煙塵。我們根據(jù)不同的使用場景，在煙氣處理裝置中設(shè)計(jì)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(fā)生結(jié)露，混雜在煙氣里的顆粒會黏附在膜表面，所以我們設(shè)計(jì)了在線清洗系統(tǒng)，及時(shí)清除膜表面的煙塵。”仲兆祥說，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了在線和離線反吹系統(tǒng)，開發(fā)了系列膜法煙氣治理工藝裝備并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)20毫克/立方米（mg/m3）。

“后來，該公司采用研究團(tuán)隊(duì)的膜技術(shù)對布袋除塵器進(jìn)行改造，建成排放量220萬立方米/時(shí)（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(jié)約風(fēng)機(jī)電費(fèi)等250萬以上，同時(shí)除塵器壓差下降，促進(jìn)鍋爐負(fù)荷提升了8%，富產(chǎn)蒸汽使產(chǎn)能提升了2萬噸/年，年新增產(chǎn)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(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，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(yè)回收煙塵中的高附加值的原材料，我們在膜表面設(shè)計(jì)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(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，高效捕捉催化劑。”仲兆祥說，利用他們的膜技術(shù)，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(chǎn)品20噸左右，減少了大量的廢水和廢氣排放，經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益顯著。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，氣體凈化膜技術(shù)在中石化、恒逸石化、江蘇華昌化工等60多家企業(yè)推廣應(yīng)用，近兩年累計(jì)新增產(chǎn)值25.96億元，新增利潤4.57億元，累計(jì)處理廢氣超過1800億標(biāo)立方米、減排超細(xì)粉塵2700余噸。

2021年2月3日科技日報(bào)第5版   http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-02/03/content_462373.htm?div=-1