既要篩得準(zhǔn)，又要篩得快，還要節(jié)約能耗，在化工生產(chǎn)過程中，有機(jī)溶劑脫水膜有著越來越高的要求。南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院顧學(xué)紅教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合江蘇九天高科技股份有限公司、南京膜材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司等單位研發(fā)的高性能分子篩膜規(guī)模化制備與膜分離脫水集成技術(shù)，破解了當(dāng)下有機(jī)溶劑脫水分離能耗高、易造成污染的問題，推動了分子篩膜大規(guī)模制備與工程化應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了中空纖維分子篩膜的工程化，也因此于上周獲得了2019年度江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎。
解決有機(jī)溶劑脫水難題
我國過程工業(yè)生產(chǎn)和使用有機(jī)溶劑每年超億噸，有機(jī)溶劑脫水是溶劑分離提純的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“目前，常規(guī)的有機(jī)溶劑脫水分類主要采用精餾技術(shù)，需要反復(fù)加熱和冷凝，分離能耗高，易造成污染。”顧學(xué)紅介紹說，降低有機(jī)溶劑生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用過程的節(jié)能減排，是化工、醫(yī)藥等過程工業(yè)面臨的共性問題。
顧學(xué)紅團(tuán)隊(duì)一直致力于膜分離技術(shù)的研究，分子篩膜能夠?qū)崿F(xiàn)溶劑與水的高效分離，節(jié)能減排優(yōu)勢非常明顯。他們開發(fā)的第一代分子篩膜是管式單通道，載體管壁上有多孔道，在管壁外面通過水熱合成形成透水分子篩膜，溶劑和水經(jīng)過分子篩膜時，乙醇等小分子有機(jī)物被截留，水則通過管壁進(jìn)入到管腔體內(nèi)，從而達(dá)到有機(jī)溶劑脫水的效果。
“但是分子篩膜面臨著大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化難題。目前主要技術(shù)瓶頸在于膜通量偏低，膜裝填密度不高以及膜應(yīng)用穩(wěn)定性等。”顧學(xué)紅表示。針對這些問題，研究團(tuán)隊(duì)從膜結(jié)構(gòu)設(shè)計、膜組件和膜分離工藝方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，著力推動分子篩膜大規(guī)模制備與工程化應(yīng)用。
實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備與應(yīng)用
顧學(xué)紅團(tuán)隊(duì)開發(fā)的第二代分子篩膜是高通量中空纖維透水分子篩膜。它的腔壁變薄、通量變高，還使用了真空抽吸晶種的涂覆方法，解決了晶種涂覆的均勻性問題。
“但是越細(xì)的腔體，加之是陶瓷材質(zhì)做成的，越容易斷裂。”顧學(xué)紅介紹說：“為此，我們發(fā)明了四通道中空纖維氧化鋁載體來解決這一問題。該載體傳質(zhì)阻力低、強(qiáng)度高，所制備的分子篩膜通量比常規(guī)管式膜顯著提高，還解決了工業(yè)應(yīng)用的機(jī)械強(qiáng)度問題。然后，我們用釉把它們燒制在一起固定住，通過整體端頭密封再水熱合成方法，解決了大批量生產(chǎn)和密封難題，從而一次性獲得高裝填密度中空纖維分子篩膜組件。”
中空纖維分子篩膜組件的成本較管式膜組件降低50%以上，該團(tuán)隊(duì)還首次實(shí)現(xiàn)了中空纖維分子篩膜的工程化。“在此基礎(chǔ)上，我們還發(fā)明了精餾—蒸汽滲透耦合技術(shù)和裝備，解決了分子篩膜在苛刻環(huán)境下的穩(wěn)定性問題，使膜壽命從不到1年延長到4年以上，用于溶劑脫水的分離能耗比常規(guī)方法減少50%以上。”顧學(xué)紅表示。
此外，該團(tuán)隊(duì)研制出分子篩膜裝備智能控制系統(tǒng)，保證了分子篩膜裝備的安全可靠運(yùn)行。
為應(yīng)用單位增效20億元
據(jù)顧學(xué)紅介紹，項(xiàng)目的相關(guān)成果已獲中國授權(quán)發(fā)明專利26件、日本授權(quán)發(fā)明專利2件、歐洲授權(quán)特氣網(wǎng)發(fā)明專利1件、美國授權(quán)發(fā)明專利1件、軟件著作權(quán)4件，申請PCT專利2件，發(fā)表學(xué)術(shù)論文26篇。
該項(xiàng)目產(chǎn)品的膜通量是國外同類產(chǎn)品的3倍，組件裝填密度為其4倍。而且產(chǎn)品全部采用國產(chǎn)工業(yè)級原料，市場競爭力強(qiáng)，目前已應(yīng)用到10多種工業(yè)溶劑體系的脫水，近年來溶劑處理量年增長率大于40%。
“目前，江蘇九天高科技股份有限公司已成為全球最大的分子篩膜生產(chǎn)企業(yè)，項(xiàng)目產(chǎn)品應(yīng)用于國內(nèi)20個省市的200多家企業(yè)，成功替代了日本、德國公司的產(chǎn)品，出口到歐美等地。”項(xiàng)目組成員余從立介紹說，近兩年來，項(xiàng)目完成單位實(shí)現(xiàn)銷售收入1億元，新增利潤4700萬元，全部應(yīng)用單位新增經(jīng)濟(jì)效益約20億元。
文章來源：中國化工報
