既要篩得準，又要篩得快，還要節約能耗，在化工生產過程中，有機溶劑脫水膜有著越來越高的要求。南京工業大學化工學院顧學紅教授團隊聯合江蘇九天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等單位研發的高性能分子篩膜規模化制備與膜分離脫水集成技術，破解了當下有機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模制備與工程化應用，并實現了中空纖維分子篩膜的工程化，也因此于上周獲得了2019年度江蘇省科學技術一等獎。

解決有機溶劑脫水難題

我國過程工業生產和使用有機溶劑每年超億噸，有機溶劑脫水是溶劑分離提純的關鍵環節。“目前，常規的有機溶劑脫水分類主要采用精餾技術，需要反復加熱和冷凝，分離能耗高，易造成污染。”顧學紅介紹說，降低有機溶劑生產成本，實現應用過程的節能減排，是化工、醫藥等過程工業面臨的共性問題。

顧學紅團隊一直致力于膜分離技術的研究，分子篩膜能夠實現溶劑與水的高效分離，節能減排優勢非常明顯。他們開發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，溶劑和水經過分子篩膜時，乙醇等小分子有機物被截留，水則通過管壁進入到管腔體內，從而達到有機溶劑脫水的效果。

“但是分子篩膜面臨著大規模產業化難題。目前主要技術瓶頸在于膜通量偏低，膜裝填密度不高以及膜應用穩定性等。”顧學紅表示。針對這些問題，研究團隊從膜結構設計、膜組件和膜分離工藝方面進行了技術創新，著力推動分子篩膜大規模制備與工程化應用。

實現大規模制備與應用

顧學紅團隊開發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。

“但是越細的腔體，加之是陶瓷材質做成的，越容易斷裂。”顧學紅介紹說：“為此，我們發明了四通道中空纖維氧化鋁載體來解決這一問題。該載體傳質阻力低、強度高，所制備的分子篩膜通量比常規管式膜顯著提高，還解決了工業應用的機械強度問題。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，該團隊還首次實現了中空纖維分子篩膜的工程化。“在此基礎上，我們還發明了精餾—蒸汽滲透耦合技術和裝備，解決了分子篩膜在苛刻環境下的穩定性問題，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方法減少50%以上。”顧學紅表示。

此外，該團隊研制出分子篩膜裝備智能控制系統，保證了分子篩膜裝備的安全可靠運行。

為應用單位增效20億元

據顧學紅介紹，項目的相關成果已獲中國授權發明專利26件、日本授權發明專利2件、歐洲授權特氣網發明專利1件、美國授權發明專利1件、軟件著作權4件，申請PCT專利2件，發表學術論文26篇。

該項目產品的膜通量是國外同類產品的3倍，組件裝填密度為其4倍。而且產品全部采用國產工業級原料，市場競爭力強，目前已應用到10多種工業溶劑體系的脫水，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企業，項目產品應用于國內20個省市的200多家企業，成功替代了日本、德國公司的產品，出口到歐美等地。”項目組成員余從立介紹說，近兩年來，項目完成單位實現銷售收入1億元，新增利潤4700萬元，全部應用單位新增經濟效益約20億元。

文章來源：中國化工報