“以前要么是无机膜，要么是有机膜，有机-无机复合膜我们是全球首创。”6月24日，国家科学技术奖励大会在北京召开。南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、化工学院金万勤教授主持完成的“气体净化膜材料的创制及应用”项目荣获2023年度国家科学技术进步奖二等奖。有机-无机复合膜从无到有，这项由南工大几代学者接续研发的技术成果在过去的二十余年里一步步落地生根，领跑全球。
随着工业化进程的不断推进，大气污染问题日益凸显。十二五以来，国家发布了系列大气污染防治计划，空气质量明显改善，PM2.5逐年下降，但现有空气质量与发达国家控制标准还有较大差距，其中一个重要因素是空气中的挥发性有机化合物（VOC）和超细粉尘尚未得到有效控制。“发展高效节能的气体净化与回收技术，是当前大气污染治理领域亟待解决的关键问题，也是我们科技工作者必须肩负起的‘国之大者’。”金万勤告诉记者，对于化工行业复杂的工业废气，现有技术，如旋风、静电和布袋除尘等，往往存在处理效率偏低、运行不稳定、资源回收利用率不高等问题。而和传统气体净化技术相比，膜技术具有效率高、能耗低等特点，同时有望实现达标排放和资源回用。
2003年，金万勤的导师、中国工程院院士徐南平教授一通电话，将正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，金万勤毅然偕家人归国，留校从事教学科研工作。二十余年来，他与团队携手在膜材料、膜制备和膜反应器研究中取得了一系列丰硕成果。
在南京工业大学材料化学工程国家重点实验室里，金万勤向新华日报·交汇点记者展示了这种膜层厚度不超过5个微米的气体净化膜。“你看，管壁这层略有些发亮的就是膜层。”一根长约80厘米的陶瓷细管上均匀涂覆着有机膜材料，除了摸起来手感相比常规陶瓷更为光滑之外，很难想象这正是气体净化膜产品的最核心组件之一。
为何要让两种材料复合叠加？金万勤介绍，传统的有机-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的不稳定性能，而有机-无机复合膜则可以更好地发挥两种材料的优势，膜性能更好更稳定。从最初实验室的5厘米长度到产品所需要的80厘米长，气体净化膜材料从实验室走向中试，团队走过了十年时间。2014年开始，该技术产品正式步入市场。然而，这种连教科书上都查不到的膜，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？”对此，金万勤表示，实际上，这种膜的难点就在于如何解决无机层与有机层间的界面结合问题，其中涉及如何控制膜层厚度、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……这些都需要我们一次次反复试验优化。同时，膜法处理VOC过程中VOCs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，会引发安全事故。为此，项目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。
“一张膜无法解决所有问题，这也给我们科研工作提出了更高的要求。”金万勤说，持续深入打好蓝天保卫战，切实保证人民生命健康是团队科研的目标所向。下一步，团队将继续在提高气体净化膜材料分离性能及应用性上下苦功。“我们在有机-无机复合膜的基础上进一步创新研发了一种厚度在100纳米以内的混合基质膜，希望在未来1—2年内实现规模化制备。”
来源：南京工业大学化工学院、新华日报·交汇点记者 谢诗涵/文 胡楠/摄
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