石化、制药领域工业废气成分复杂，其中含氯有机挥发物、超细分以及含油气体治理难度极大，现存技术如旋风、静电和布袋除尘等，往往存在处理效率低、运行不稳定、资源回收利用率不高等问题。如何攻克当下存在的工业废气净化效率低和难以回收等方面的关键难题，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带领团队，主持完成的“气体净化膜材料的创制及应用”项目，开发了国际首创有机-无机复合膜和双疏膜产品，解决了膜难以放大制备和稳定差的国际难题。
日前，该项目荣获2023年度国家科学技术进步奖二等奖，项目成果在中石化、恒逸石化、中盐集团等公司实现200余套工程应用。
“十二五”以来，国家发布了系列大气污染防治计划，空气质量显著改善，PM2.5年年在下降，但现有空气质量与发达国家控制标准还有很大的差距，其中一个主要的因素是空气中的挥发性有机物（VOC）和超细粉尘尚未得到一定效果控制。
“发展高效率节约能源的气体净化与回收技术，是当前大气污染治理亟待解决的核心问题。”金万勤说，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大范围的应用，由中国工程院院士徐南平指导，南工大教授邢卫红领衔的科研团队的“面向制浆废水零排放的膜制备与集成技术”项目建成“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，解决了一道世界难题。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”。
2003年，金万勤的导师徐南平的一通电话，将在德国留学的金万勤“召唤”回国。辞别德国导师、婉拒美国大学抛来的橄榄枝，金万勤回到母校南京工业大学从事教学科研工作。
“目前，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。回国后，金万勤针对气体净化膜技术的瓶颈问题，开展了系统深入的研究。
有机-有机复合膜在有机溶剂等环境苛刻的工况下极易发生溶胀，导致膜孔道结构被破坏失去分离选择性，带来不稳定性能。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”。在反复的试验中，课题组通过构建聚合物分离层和陶瓷支撑层，制备出低成本、高稳定性的聚合物/陶瓷复合膜。
“两种材料复合叠加能更好地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，构筑了受限溶胀界面的新结构，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。”金万勤带领团队成功开发出了一系列高性能气体净化膜技术。“项目所构建的有机-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。”
此外，研究还开发出国际首创有机-无机复合膜和双疏膜产品，明显提高膜的抗污染性能和长期服役性能。
然而，这种膜的研制难度，也曾经受到过不少人的质疑。“你们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？”
金万勤表示，实际上，这种膜的难点就在于怎么样才能解决无机层与有机层间的界面结合问题，其中涉及怎么来控制膜层厚度、支撑体的粗糙度、高分子溶液的粘度、孔渗控制，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。膜法处理VOC过程中，挥发性有机物浓度常处于爆炸极限范围内，装备防爆性是该领域的国际难题。采用隔爆型膜组件，组件内部仍会发生爆轰，易引发安全事故。为此，团队提出了国际首创的防静电导流网技术，创制了本质安全型膜组件，从根本上解决了装备防静电防爆问题，保障了百余套工程的安全运行。
“从最初实验室里的5公分长度到产品所需要的80公分长，我们用了十年时间，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个微米的气体净化膜感慨道。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-无机复合膜技术产品正式步入市场。
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，明显提高了膜的抗污染性能和长期服役性能。
“较之国际先进的技术，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，达到了 99.99% 以上。”谈及双疏膜，获奖项目第二完成人、南工大教授仲兆祥介绍，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，这为解决膜材料在高粘高湿体系中的应用提供了新的解决途径，膜稳定运行寿命也延长了3倍以上。自高性能气体净化膜技术诞生以来，其卓越的性能得到了国内外专家和企业的广泛认可。通过该技术处理后的气体粉尘浓度小于5mg/m3，远低于国家超低排放标准10 mg/m3。
同时，项目团队的“本安型”膜装备与膜法回收有机溶剂新工艺，使有机溶剂回收及资源化再利用率达95%以上，综合能耗比传统回收技术降低25%以上。
目前气体净化膜技术在200余套工程实现应用，遍及全国25个省市自治区，率先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，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，产生了广泛的经济效益与社会效益。
“一张膜没有办法解决所有问题，这也给我们科研工作提出了更高的要求。”金万勤说，“下一步，团队将在有机-无机复合膜的基础上，将进一步创新研发了一种新型的混合基质膜，希望在未来1-2年里能轻松实现规模化制备。”
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