氣體凈化膜材料與膜技術

第1章緒論001
1.1定義與術語001
1.1.1氣體淨化膜定義001
1.1.2氣體淨化術語002
1.2氣體淨化膜的分類004
1.2.1氣體除塵膜004
1.2.2氣相污染物淨化膜008
1.2.3氣固相污染物協同淨化膜009
1.3氣固分離原理011
1.3.1氣體過濾原理012
1.3.2影響氣體過濾的因素017
參考文獻019

第2章國內空氣污染狀況及相關標準024
2.1大氣污染現狀及成因024
2.1.1大氣污染的現狀024
2.1.2大氣污染物的來源025
2.2大氣污染物主要類型026
2.2.1氣溶膠狀態污染物027
2.2.2氣相污染物027
2.3工業大氣污染物排放標準028
2.3.1水泥工業排放標準031
2.3.2垃圾焚燒行業排放標準032
2.3.3超低排放標準034
2.3.4其他行業排放標準034
2.4民用氣體淨化產品標準037
2.4.1空氣淨化器標準037
2.4.2潔淨空間等級標準038
2.4.3中國口罩防護等級標準039
2.4.4美國口罩標準042
2.4.5歐洲口罩標準042
參考文獻043

第3章氣體淨化膜結構表徵與性能評價045
3.1微觀結構及表徵方法045
3.1.1微觀結構045
3.1.2膜孔徑及分佈049
3.1.3膜孔隙率051
3.1.4膜厚052
3.2膜材料穩定性052
3.2.1力學性能052
3.2.2親疏液性能054
3.2.3耐溫特性054
3.2.4高溫熱膨脹性能055
3.2.5抗熱震性能056
3.2.6耐腐蝕性能058
3.3性能參數及評價方法060
3.3.1氣體滲透性能060
3.3.2過濾效率060
3.3.3淨化係數061
3.3.4過濾阻力061
3.3.5使用壽命061
參考文獻062

第4章中低溫氣體淨化膜066
4.1雙向拉伸納米纖維膜066
4.1.1概述066
4.1.2雙向拉伸工藝技術067
4.1.3聚四氟乙烯膜的結構與性能068
4.1.4聚四氟乙烯膜的應用069
4.1.5其他雙向拉伸納米纖維膜071
4.2靜電紡絲納米纖維膜073
4.2.1概述073
4.2.2靜電紡絲技術074
4.2.3靜電紡絲納米纖維膜的分類074
4.2.4功能性靜電紡絲納米纖維膜的結構與性能077
4.2.5功能性靜電紡絲納米纖維膜的應用079
4.3特殊浸潤性納米纖維膜材料083
4.3.1概述083
4.3.2雙疏型納米纖維膜083
4.3.3非對稱潤濕型納米纖維膜092
4.4碳納米管膜098
4.4.1概述098
4.4.2碳納米管膜的製備方法099
4.4.3碳納米管膜在氣體淨化中的應用102
參考文獻107

第5章高溫氣體淨化膜117
5.1陶瓷膜117
5.1.1碳化矽陶瓷膜概況118
5.1.2碳化矽陶瓷膜支撐體製備方法118
5.1.3碳化矽陶瓷支撐體成型技術127
5.1.4碳化矽陶瓷分離膜層的製備方法129
5.1.5碳化矽陶瓷膜的應用132
5.2其他膜材料134
5.2.1陶瓷纖維膜134
5.2.2粉末燒結金屬膜139
5.2.3金屬間化合物膜141
5.2.4陶瓷/不銹鋼複合膜143
參考文獻144

第6章氣相污染物淨化膜150
6.1VOCs分離膜150
6.1.1VOCs分離膜材料種類151
6.1.2VOCs分離膜製備方法155
6.1.3VOCs分離膜性能參數156
6.1.4VOCs分離膜傳質模型158
6.1.5VOCs分離膜工藝流程及膜元件設計161
6.1.6VOCs分離膜的工業化應用163
6.2膜吸收脫硫膜165
6.2.1膜吸收脫硫膜種類及特點165
6.2.2膜吸收脫硫膜製備方法166
6.2.3膜吸收脫硫膜性能參數167
6.2.4膜吸收脫硫膜傳質模型168
6.2.5膜吸收與傳統技術的比較174
參考文獻175

第7章多功能氣體淨化膜184
7.1氮氧化物催化降解膜材料184
7.1.1固定源NOx催化降解膜185
7.1.2移動源NOx催化降解膜189
7.2氣固相污染物協同淨化膜192
7.2.1PM2.5與甲醛協同處理納米纖維膜193
7.2.2PM2.5與苯系物協同處理陶瓷催化膜194
7.2.3PM2.5與CO2/SO2/O3等協同處理催化膜196
7.3抗菌氣體淨化膜材料198
7.3.1氣體淨化膜中抗菌劑分類198
7.3.2抗菌氣體淨化膜的製備200
參考文獻202

第8章氣體淨化膜分離裝備206
8.1影響膜過濾的因素206
8.1.1煙氣顆粒物性質206
8.1.2煙氣性質210
8.1.3膜的性能參數210
8.1.4裝備的指令引數211
8.2膜分離元件種類及過濾方式212
8.2.1膜組件種類212
8.2.2終端過濾模式213
8.2.3壁流過濾模式214
8.2.4錯流過濾模式214
8.3膜裝備的設計及結構型式215
8.3.1膜裝備的材料選型215
8.3.2中低溫膜過濾裝備215
8.3.3高溫膜過濾裝備220
參考文獻223

第9章氣體淨化膜在室內空氣淨化中的應用225
9.1室內空氣污染概述225
9.1.1室內空氣污染的來源225
9.1.2室內空氣污染的危害227
9.1.3室內空氣污染的控制227
9.2家用空氣淨化器230
9.2.1家用空氣淨化器原理230
9.2.2空氣淨化器評價指標232
9.2.3膜技術在家用空氣淨化器中的應用234
9.3家用新風淨化系統235
9.3.1家用新風淨化系統原理236
9.3.2膜技術在家用新風淨化系統中的應用237
9.4家用防霧霾紗窗239
9.4.1納米纖維膜防霧霾紗窗240
9.4.2核孔膜防霧霾紗窗241
參考文獻242

第10章氣體淨化膜在醫療領域的應用249
10.1概述249
10.2醫用（輸、注器具用）氣體淨化膜250
10.3口罩膜252
10.3.1靜電駐極熔噴布過濾材料253
10.3.2可重複性使用的膜材料254
10.3.3靜電紡納米纖維膜過濾材料256
參考文獻259

第11章膜技術在工業尾氣淨化中的應用261
11.1膜技術在粉塵超低排放領域的應用261
11.1.1膜技術應用於燃煤電廠粉塵超低排放261
11.1.2膜技術應用於廢棄物煙氣超低排放272
11.1.3膜技術應用於水泥窯爐超低排放275
11.2膜技術在粉體回收領域的應用277
11.2.1膜技術應用於分子篩催化劑回收277
11.2.2膜技術應用於染料回收279
11.3陶瓷膜技術在高溫煙氣淨化領域的應用282
11.3.1陶瓷膜技術應用於燃煤電廠283
11.3.2陶瓷膜技術在焦爐煙氣治理中的應用287
11.3.3陶瓷膜技術在黃磷尾氣治理中的應用291
參考文獻293

大氣污染物排放控制是國家可持續發展的重大戰略需求。工業煙塵排放是大氣霧霾的主要成因之一，如何嚴格控制超細粉塵排放，實現資源的高效潔淨利用，是化工、能源、鋼鐵、冶金、建材等行業面臨的共性問題，迫切需要新型分離技術的支撐。目前，工業氣體除塵主要採用靜電除塵、袋式除塵、旋風除塵、水膜除塵等技術。經過多年的發展，傳統除塵技術的理論研究和裝備水平均已達到相當高的程度，在理論與方法的指導下實現了大規模的工業應用。然而，由於PM2.5的微納尺度性，採用傳統除塵技術去除率低，不能滿足日益嚴格的排放要求。膜技術為PM2.5控制提供了有效途徑，具有分離效率高、能耗低等優點，尤其對高溫氣體的淨化，可以最大程度地利用氣體的物理顯熱，實現能量回收。因此，在過去的十多年裡，基於膜材料的分離技術在許多國家成為氣體淨化的最佳選擇之一。研究者將其與納米催化技術、功能材料技術以及智慧製造技術進行有機結合，並賦予其能量回收、功能協同等新的內涵，使其在氣固相反應過程、工業煙氣淨化過程和人體健康安全防護等領域具有廣闊應用前景，對化學工業過程節能減排以及資源高效潔淨利用起到重要推動作用。

在液相分離領域，分離膜的理論體系和應用技術相對成熟，但是在氣體淨化領域，膜技術的理論與應用發展整體落後於液相領域。氣體淨化研究的理論支撐目前還主要依賴於以深層過濾為基礎的傳統過濾材料理論，新的氣體淨化膜理論體系尚未完善。主要原因之一是氣體淨化的應用需求在整體上要晚於水處理領域，導致相關研究起步較晚；二是流體性質（黏度、密度、壓強、壓縮性等）的本質差異，導致分離過程呈現出新的傳質特徵，這種傳質特徵的差異對膜材料提出了新的挑戰，需要解決的是氣體淨化膜材料的設計、製備和應用問題，並在此基礎上發展和完善氣體淨化膜的理論支撐體系。發展膜材料與膜過程相關理論，大力推進膜過程在傳統工業中的應用，全面提升膜材料製備及膜技術的應用水準，對於提高能源與資源利用效益，降低環境污染具有重要的戰略意義。本書正是適應這種發展的需要，是膜領域工作者在大量研究與實踐應用基礎上的經驗總結與理論探索。

本書共分11章：第1章簡要介紹了氣體淨化膜的相關定義與分類、氣固分離原理；第2章主要介紹了空氣污染的現狀與成因，剖析了主要污染物類型，並給出了幾種主要工業行業大氣污染物的排放標準和民用空氣淨化產品的相關標準等；第3章系統介紹了氣體淨化膜的結構性質表徵、應用性能評價方法；第4章以中低溫氣體淨化膜為重點，從膜製備技術、主要分類、結構與性能、改性方法、主要應用等方面介紹了雙向拉伸、靜電紡絲、特殊浸潤性納米纖維、碳納米管等膜材料；第5章突出氣體淨化膜在高溫氣體淨化領域的應用，以碳化矽陶瓷膜為重點，介紹了高溫氣體淨化膜的製備方法、成型技術、主要應用等情況，並對其他類型高溫氣體淨化膜進行了簡要的介紹；第6章針對氣體分離過程，從膜材料分類、製備方法、性能參數、傳質模型、工藝流程及膜元件、主要應用等方面介紹了VOCs分離膜以及膜吸收脫硫膜等幾種氣體淨化膜；第7章則針對複雜氣體淨化體系，介紹了催化型、抗菌型氣體淨化膜，詳細討論了集氮氧化物催化與粉塵截留為一體的催化型氣體淨化膜；第8章主要介紹了氣體淨化膜分離裝備，討論了污染物體系各參數、膜分離元件與過濾方式等對膜分離裝備的影響，同時介紹了面向不同應用過程的膜裝備的選型設計及結構形式；第9章基於室內空氣污染問題，介紹了膜在家用空氣淨化器、新風淨化系統、家用防霧霾紗窗等領域的應用；第10章針對醫療領域，介紹了氣體淨化膜在醫用氣體過濾，醫用口罩等方面的應用；第11章介紹了氣體淨化膜在燃煤電廠、廢棄物燃燒的超低排放以及分子篩、染料等粉體回收方面的應用案例，最後介紹了陶瓷膜在高溫煙氣淨化領域的實際工程案例。

南京工業大學周榮飛教授、周浩力教授、張峰副教授、邱鳴慧副教授、馮廈廈博士、韓峰博士、胡敏博士後、康玉堂博士後等為本書編寫提供了素材，協助進行了圖表和文獻的整理，在此對他們的辛勤付出表示衷心的感謝！同時也感謝汪勇教授、姚建峰教授、陳日誌研究員等在本書編寫過程中給予的寶貴建議！江蘇久朗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為本書提供了豐富的工程資料，在此對他們的貢獻表示衷心的感謝！

本書的研究工作得到國家自然科學基金項目、國家重點研發計畫項目、江蘇省傑出青年基金等項目的支援，特此致謝！材料化學工程國家重點實驗室、國家特種分離膜工程技術研究中心、南京工業大學膜科學技術研究所在本書的編寫過程中給予了大力支持，在此一併表示感謝！

由於時間和著者能力所限，書中難免存在一些不足與紕漏，敬請讀者批評指正。

著者
南京工業大學膜科學技術研究所
2021年8月於南京