气体净化膜材料与膜技术

1.《气体净化膜材料与膜技术》是国内首部系统介绍气体净化膜材料和技术的著作，填补了国内空白。 2.《气体净化膜材料与膜技术》阐述了气体净化膜的基础知识、研究进展和应用案例，内容丰富，适用性强。 3.《气体净化膜材料与膜技术》总结了作者团队在该领域的多年研究经验以及国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、江苏省杰出青年基金等项目成果，参考价值高。

大气污染物排放控制是国家可持续发展的重大战略需求。工业烟尘排放是大气雾霾的主要成因之一，如何严格控制超细粉尘排放，实现资源的高效洁净利用，是化工、能源、钢铁、冶金、建材等行业面临的共性问题，迫切需要新型分离技术的支撑。目前，工业气体除尘主要采用静电除尘、袋式除尘、旋风除尘、水膜除尘等技术。经过多年的发展，传统除尘技术的理论研究和装备水平均已达到相当高的程度，在理论与方法的指导下实现了大规模的工业应用。然而，由于PM2.5的微纳尺度性，采用传统除尘技术去除率低，不能满足日益严格的排放要求。膜技术为PM2.5控制提供了有效途径，具有分离效率高、能耗低等优点，尤其对高温气体的净化，可以最大程度地利用气体的物理显热，实现能量回收。因此，在过去的十多年里，基于膜材料的分离技术在许多国家成为气体净化的最佳选择之一。研究者将其与纳米催化技术、功能材料技术以及智能制造技术进行有机结合，并赋予其能量回收、功能协同等新的内涵，使其在气固相反应过程、工业烟气净化过程和人体健康安全防护等领域具有广阔应用前景，对化学工业过程节能减排以及资源高效洁净利用起到重要推动作用。
在液相分离领域，分离膜的理论体系和应用技术相对成熟，但是在气体净化领域，膜技术的理论与应用发展整体落后于液相领域。气体净化研究的理论支撑目前还主要依赖于以深层过滤为基础的传统过滤材料理论，新的气体净化膜理论体系尚未完善。主要原因之一是气体净化的应用需求在整体上要晚于水处理领域，导致相关研究起步较晚；二是流体性质（黏度、密度、压强、压缩性等）的本质差异，导致分离过程呈现出新的传质特征，这种传质特征的差异对膜材料提出了新的挑战，需要解决的是气体净化膜材料的设计、制备和应用问题，并在此基础上发展和完善气体净化膜的理论支撑体系。发展膜材料与膜过程相关理论，大力推进膜过程在传统工业中的应用，全面提升我国膜材料制备及膜技术的应用水平，对于提高我国能源与资源利用效益，降低环境污染具有重要的战略意义。本书正是适应这种发展的需要，是我国膜领域工作者在大量研究与实践应用基础上的经验总结与理论探索。
本书共分11章：第1章简要介绍了气体净化膜的相关定义与分类、气固分离原理；第2章主要介绍了我国空气污染的现状与成因，剖析了主要污染物类型，并给出了我国几种主要工业行业大气污染物的排放标准和民用空气净化产品的相关标准等；第3章系统介绍了气体净化膜的结构性质表征、应用性能评价方法；第4章以中低温气体净化膜为重点，从膜制备技术、主要分类、结构与性能、改性方法、主要应用等方面介绍了双向拉伸、静电纺丝、特殊浸润性纳米纤维、碳纳米管等膜材料；第5章突出气体净化膜在高温气体净化领域的应用，以碳化硅陶瓷膜为重点，介绍了高温气体净化膜的制备方法、成型技术、主要应用等情况，并对其他类型高温气体净化膜进行了简要的介绍；第6章针对气体分离过程，从膜材料分类、制备方法、性能参数、传质模型、工艺流程及膜组件、主要应用等方面介绍了VOCs分离膜以及膜吸收脱硫膜等几种气体净化膜；第7章则针对复杂气体净化体系，介绍了催化型、抗菌型气体净化膜，详细讨论了集氮氧化物催化与粉尘截留为一体的催化型气体净化膜；第8章主要介绍了气体净化膜分离装备，讨论了污染物体系各参数、膜分离元件与过滤方式等对膜分离装备的影响，同时介绍了面向不同应用过程的膜装备的选型设计及结构形式；第9章基于室内空气污染问题，介绍了膜在家用空气净化器、新风净化系统、家用防雾霾纱窗等领域的应用；第10章针对医疗领域，介绍了气体净化膜在医用气体过滤，医用口罩等方面的应用；第11章介绍了气体净化膜在燃煤电厂、废弃物燃烧的超低排放以及分子筛、染料等粉体回收方面的应用案例，最后介绍了陶瓷膜在高温烟气净化领域的实际工程案例。
南京工业大学周荣飞教授、周浩力教授、张峰副教授、邱鸣慧副教授、冯厦厦博士、韩峰博士、胡敏博士后、康玉堂博士后等为本书编写提供了素材，协助进行了图表和文献的整理，在此对他们的辛勤付出表示衷心的感谢！同时也感谢汪勇教授、姚建峰教授、陈日志研究员等在本书编写过程中给予的宝贵建议！江苏久朗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为本书提供了丰富的工程资料，在此对他们的贡献表示衷心的感谢！
本书的研究工作得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、江苏省杰出青年基金等项目的支持，特此致谢！材料化学工程国家重点实验室、国家特种分离膜工程技术研究中心、南京工业大学膜科学技术研究所在本书的编写过程中给予了大力支持，在此一并表示感谢！
由于时间和著者能力所限，书中难免存在一些不足与纰漏，敬请读者批评指正。

著者
南京工业大学膜科学技术研究所
2021年8月于南京

仲兆祥，南京工业大学教授，博士生导师，教育部青年长江学者、国家重点研发计划青年项目首席科学家、江苏杰出青年基金获得者。针对我国大气污染形势严峻，雾霾频发的问题，系统开展了空气净化膜材料的研究工作，突破了膜透气量低与易受污染等多个难题，开发出自主知识产权的高性能空气净化膜材料，打破了国外企业在该领域的垄断。并于2015年创建了江苏久朗高科技股份有限公司，从事膜材料的放大制备与成果推广，将膜技术广泛用于工业过程及民用场所的PM2.5超高效净化，近三年为企业累计创造新增产值21.68亿元、新增利税3.83亿元，产生了显著的经济效益与社会效益。发表SCI收录论文80余篇，申请中国发明专利40项，获得试过中国石油与化学工业联合会技术发明一等奖、中国膜工业协会科学技术奖一等奖（1/9）、中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖，侯德榜化工科学技术青年奖、江苏省青年科技奖等奖励。
邢卫红，南京工业大学研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者；现任南京工业大学副校长、国家特种分离膜工程技术研究中心主任。主要从事膜材料与膜过程的研究工作，主持国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点、863等20多项科研项目；研究成果获得包括国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项等在内的20多项省部级以上科技奖励；发表学术论文200余篇，其中SCI收录80余篇。入选教育部新世纪优 秀人才、江苏省“333工程”青年科技领军人才，国家百千万人才工程人选等。兼任“十二五”国家科技重点专项（高性能膜材料专项）专家组专家、全国分离膜标准化技术委员会副主任、中国膜工业协会副理事长、中国海水淡化及水再利用学会副理事长、《膜科学与技术》杂志编委等。

本书针对大气污染控制和人类健康保障的重大战略需求，系统介绍了气体净化膜的相关概念和术语、气体净化膜分离原理、膜结构表征和评价方法；按照应用气体环境特征，详细介绍了中低温净化膜、高温净化膜、多功能净化膜等不同类型膜材料的制备方法、性能参数和应用进展；最后介绍了气体净化膜装备以及膜在室内空气净化、医疗领域和工业领域典型的应用案例。
本书既是对气体净化膜相关基础知识的介绍，也是作者们在该领域的多年研究经验以及国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、江苏省杰出青年基金等项目成果的总结，内容丰富，适用性强，反映了该领域的理论研究前沿及应用发展趋势。本书可供化工、材料、环境、冶金等领域从事空气过滤材料和气体净化技术开发的研究人员，以及高等院校化学工程、材料科学与工程、环境工程等专业的师生参考。

第1章绪论001
1.1定义与术语001
1.1.1气体净化膜定义001
1.1.2气体净化术语002
1.2气体净化膜的分类004
1.2.1气体除尘膜004
1.2.2气相污染物净化膜008
1.2.3气固相污染物协同净化膜009
1.3气固分离原理011
1.3.1气体过滤原理012
1.3.2影响气体过滤的因素017
参考文献019

第2章国内空气污染状况及相关标准024
2.1大气污染现状及成因024
2.1.1大气污染的现状024
2.1.2大气污染物的来源025
2.2大气污染物主要类型026
2.2.1气溶胶状态污染物027
2.2.2气相污染物027
2.3工业大气污染物排放标准028
2.3.1水泥工业排放标准031
2.3.2垃圾焚烧行业排放标准032
2.3.3超低排放标准034
2.3.4其他行业排放标准034
2.4民用气体净化产品标准037
2.4.1空气净化器标准037
2.4.2洁净空间等级标准038
2.4.3中国口罩防护等级标准039
2.4.4美国口罩标准042
2.4.5欧洲口罩标准042
参考文献043

第3章气体净化膜结构表征与性能评价045
3.1微观结构及表征方法045
3.1.1微观结构045
3.1.2膜孔径及分布049
3.1.3膜孔隙率051
3.1.4膜厚052
3.2膜材料稳定性052
3.2.1力学性能052
3.2.2亲疏液性能054
3.2.3耐温特性054
3.2.4高温热膨胀性能055
3.2.5抗热震性能056
3.2.6耐腐蚀性能058
3.3性能参数及评价方法060
3.3.1气体渗透性能060
3.3.2过滤效率060
3.3.3净化系数061
3.3.4过滤阻力061
3.3.5使用寿命061
参考文献062

第4章中低温气体净化膜066
4.1双向拉伸纳米纤维膜066
4.1.1概述066
4.1.2双向拉伸工艺技术067
4.1.3聚四氟乙烯膜的结构与性能068
4.1.4聚四氟乙烯膜的应用069
4.1.5其他双向拉伸纳米纤维膜071
4.2静电纺丝纳米纤维膜073
4.2.1概述073
4.2.2静电纺丝技术074
4.2.3静电纺丝纳米纤维膜的分类074
4.2.4功能性静电纺丝纳米纤维膜的结构与性能077
4.2.5功能性静电纺丝纳米纤维膜的应用079
4.3特殊浸润性纳米纤维膜材料083
4.3.1概述083
4.3.2双疏型纳米纤维膜083
4.3.3非对称润湿型纳米纤维膜092
4.4碳纳米管膜098
4.4.1概述098
4.4.2碳纳米管膜的制备方法099
4.4.3碳纳米管膜在气体净化中的应用102
参考文献107

第5章高温气体净化膜117
5.1陶瓷膜117
5.1.1碳化硅陶瓷膜概况118
5.1.2碳化硅陶瓷膜支撑体制备方法118
5.1.3碳化硅陶瓷支撑体成型技术127
5.1.4碳化硅陶瓷分离膜层的制备方法129
5.1.5碳化硅陶瓷膜的应用132
5.2其他膜材料134
5.2.1陶瓷纤维膜134
5.2.2粉末烧结金属膜139
5.2.3金属间化合物膜141
5.2.4陶瓷/不锈钢复合膜143
参考文献144

第6章气相污染物净化膜150
6.1VOCs分离膜150
6.1.1VOCs分离膜材料种类151
6.1.2VOCs分离膜制备方法155
6.1.3VOCs分离膜性能参数156
6.1.4VOCs分离膜传质模型158
6.1.5VOCs分离膜工艺流程及膜组件设计161
6.1.6VOCs分离膜的工业化应用163
6.2膜吸收脱硫膜165
6.2.1膜吸收脱硫膜种类及特点165
6.2.2膜吸收脱硫膜制备方法166
6.2.3膜吸收脱硫膜性能参数167
6.2.4膜吸收脱硫膜传质模型168
6.2.5膜吸收与传统技术的比较174
参考文献175

第7章多功能气体净化膜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移动源NOx催化降解膜189
7.2气固相污染物协同净化膜192
7.2.1PM2.5与甲醛协同处理纳米纤维膜193
7.2.2PM2.5与苯系物协同处理陶瓷催化膜194
7.2.3PM2.5与CO2/SO2/O3等协同处理催化膜196
7.3抗菌气体净化膜材料198
7.3.1气体净化膜中抗菌剂分类198
7.3.2抗菌气体净化膜的制备200
参考文献202

第8章气体净化膜分离装备206
8.1影响膜过滤的因素206
8.1.1烟气颗粒物性质206
8.1.2烟气性质210
8.1.3膜的性能参数210
8.1.4装备的操作参数211
8.2膜分离元件种类及过滤方式212
8.2.1膜元件种类212
8.2.2终端过滤模式213
8.2.3壁流过滤模式214
8.2.4错流过滤模式214
8.3膜装备的设计及结构型式215
8.3.1膜装备的材料选型215
8.3.2中低温膜过滤装备215
8.3.3高温膜过滤装备220
参考文献223

第9章气体净化膜在室内空气净化中的应用225
9.1室内空气污染概述225
9.1.1室内空气污染的来源225
9.1.2室内空气污染的危害227
9.1.3室内空气污染的控制227
9.2家用空气净化器230
9.2.1家用空气净化器原理230
9.2.2空气净化器评价指标232
9.2.3膜技术在家用空气净化器中的应用234
9.3家用新风净化系统235
9.3.1家用新风净化系统原理236
9.3.2膜技术在家用新风净化系统中的应用237
9.4家用防雾霾纱窗239
9.4.1纳米纤维膜防雾霾纱窗240
9.4.2核孔膜防雾霾纱窗241
参考文献242

第10章气体净化膜在医疗领域的应用249
10.1概述249
10.2医用（输、注器具用）气体净化膜250
10.3口罩膜252
10.3.1静电驻极熔喷布过滤材料253
10.3.2可重复性使用的膜材料254
10.3.3静电纺纳米纤维膜过滤材料256
参考文献259

第11章膜技术在工业尾气净化中的应用261
11.1膜技术在粉尘超低排放领域的应用261
11.1.1膜技术应用于燃煤电厂粉尘超低排放261
11.1.2膜技术应用于废弃物烟气超低排放272
11.1.3膜技术应用于水泥窑炉超低排放275
11.2膜技术在粉体回收领域的应用277
11.2.1膜技术应用于分子筛催化剂回收277
11.2.2膜技术应用于染料回收279
11.3陶瓷膜技术在高温烟气净化领域的应用282
11.3.1陶瓷膜技术应用于燃煤电厂283
11.3.2陶瓷膜技术在焦炉烟气治理中的应用287
11.3.3陶瓷膜技术在黄磷尾气治理中的应用291
参考文献293