既要筛得准，又要筛得快，还要节约能耗，在化工生产过程中，有机溶剂脱水膜有着越来越高的要求。南京工业大学化工学院顾学红教授团队联合江苏九天高科技股份有限公司、南京膜材料产业技术研究院有限公司等单位研发的高性能分子筛膜规模化制备与膜分离脱水集成技术，破解了当下有机溶剂脱水分离能耗高、易造成污染的问题，推动了分子筛膜大规模制备与工程化应用，并实现了中空纤维分子筛膜的工程化，也因此于上周获得了2019年度江苏省科学技术一等奖。
解决有机溶剂脱水难题
我国过程工业生产和使用有机溶剂每年超亿吨，有机溶剂脱水是溶剂分离提纯的关键环节。“目前，常规的有机溶剂脱水分类主要采用精馏技术，需要反复加热和冷凝，分离能耗高，易造成污染。”顾学红介绍说，降低有机溶剂生产成本，实现应用过程的节能减排，是化工、医药等过程工业面临的共性问题。
顾学红团队一直致力于膜分离技术的研究，分子筛膜能够实现溶剂与水的高效分离，节能减排优势非常明显。他们开发的第一代分子筛膜是管式单通道，载体管壁上有多孔道，在管壁外面通过水热合成形成透水分子筛膜，溶剂和水经过分子筛膜时，乙醇等小分子有机物被截留，水则通过管壁进入到管腔体内，从而达到有机溶剂脱水的效果。
“但是分子筛膜面临着大规模产业化难题。目前主要技术瓶颈在于膜通量偏低，膜装填密度不高以及膜应用稳定性等。”顾学红表示。针对这些问题，研究团队从膜结构设计、膜组件和膜分离工艺方面进行了技术创新，着力推动分子筛膜大规模制备与工程化应用。
实现大规模制备与应用
顾学红团队开发的第二代分子筛膜是高通量中空纤维透水分子筛膜。它的腔壁变薄、通量变高，还使用了真空抽吸晶种的涂覆方法，解决了晶种涂覆的均匀性问题。
“但是越细的腔体，加之是陶瓷材质做成的，越容易断裂。”顾学红介绍说：“为此，我们发明了四通道中空纤维氧化铝载体来解决这一问题。该载体传质阻力低、强度高，所制备的分子筛膜通量比常规管式膜显著提高，还解决了工业应用的机械强度问题。然后，我们用釉把它们烧制在一起固定住，通过整体端头密封再水热合成方法，解决了大批量生产和密封难题，从而一次性获得高装填密度中空纤维分子筛膜组件。”
中空纤维分子筛膜组件的成本较管式膜组件降低50%以上，该团队还首次实现了中空纤维分子筛膜的工程化。“在此基础上，我们还发明了精馏—蒸汽渗透耦合技术和装备，解决了分子筛膜在苛刻环境下的稳定性问题，使膜寿命从不到1年延长到4年以上，用于溶剂脱水的分离能耗比常规方法减少50%以上。”顾学红表示。
此外，该团队研制出分子筛膜装备智能控制系统，保证了分子筛膜装备的安全可靠运行。
为应用单位增效20亿元
据顾学红介绍，项目的相关成果已获中国授权发明专利26件、日本授权发明专利2件、欧洲授权特气网发明专利1件、美国授权发明专利1件、软件著作权4件，申请PCT专利2件，发表学术论文26篇。
该项目产品的膜通量是国外同类产品的3倍，组件装填密度为其4倍。而且产品全部采用国产工业级原料，市场竞争力强，目前已应用到10多种工业溶剂体系的脱水，近年来溶剂处理量年增长率大于40%。
“目前，江苏九天高科技股份有限公司已成为全球最大的分子筛膜生产企业，项目产品应用于国内20个省市的200多家企业，成功替代了日本、德国公司的产品，出口到欧美等地。”项目组成员余从立介绍说，近两年来，项目完成单位实现销售收入1亿元，新增利润4700万元，全部应用单位新增经济效益约20亿元。
文章来源：中国化工报
