陶瓷膜的開發(fā)及應(yīng)用
行業(yè)動態(tài)
陶瓷膜也稱CT膜，是固態(tài)膜的一種，主要是Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2等無機(jī)材料經(jīng)特殊工藝制備而成的非對稱多孔膜。陶瓷膜呈管狀及多通道狀，管壁密布微孔，在壓力作用下，原料液在膜管內(nèi)或膜外側(cè)流動，小分子物質(zhì)（或液體）透過膜，大分子物質(zhì)（或固體）被膜截留而達(dá)到分離、濃縮、純化和環(huán)保等目的。陶瓷膜具有化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑，機(jī)械強(qiáng)度大，可反向沖洗，抗微生物能力強(qiáng)，耐高溫，孔徑分布窄，分離效率高等優(yōu)點，在化工、冶金、食品、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
1 陶瓷膜的開發(fā)
陶瓷膜的研究始于20世紀(jì)40年代，其發(fā)展可分為三個階段。從用于鈾的同位素分離的核工業(yè)時期進(jìn)入到以無機(jī)微濾膜和超濾膜為主的液體分離時期和以膜催化反應(yīng)為核心的全面發(fā)展時期。20世紀(jì)90年代，溶膠-凝膠技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著無機(jī)膜的研究與應(yīng)用進(jìn)入第三個階段，即以氣體分離應(yīng)用為主和陶瓷膜分離器-反應(yīng)器組合構(gòu)件的研究階段。
目前已商品化的多孔陶瓷膜的構(gòu)形主要有平板、管式和多通道三種。規(guī)模應(yīng)用的陶瓷膜通常采用多通道構(gòu)形，即在一個圓截面上分布著多個通道，一般通道數(shù)為7、19和37，分別用來截留直徑在30～50nm、100～200nm、800～1000nm范圍的粒子。
無機(jī)陶瓷膜的主要制備技術(shù)有：溶膠-凝膠法、固態(tài)粒子燒結(jié)法、分相法、化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法等。目前多孔膜主要是超濾和微濾膜，其制備方法以粒子燒結(jié)法和溶膠-凝膠法為主。前者主要用于制備微孔濾膜，而后者主要用來制備超濾膜。
從發(fā)展趨勢來看，膜制備技術(shù)的發(fā)展主要在兩個方面：一是在多孔膜研究方面，進(jìn)一步完善已商品化的無機(jī)超濾和微濾膜，其制備方法以粒子燒結(jié)法和溶膠-凝膠法為主。前者主要用于制備微孔濾膜，而后者主要用來制備超濾膜。
從發(fā)展趨勢來看，膜制備技術(shù)的發(fā)展主要在兩個方面：一是在多孔膜研究方面，進(jìn)一步完善已商品化的無機(jī)超濾和微濾膜，發(fā)展具有分子篩分功能的納米濾膜、氣體分離膜和滲透汽化膜；二是在致密膜研究中，超薄金屬及其合金膜和具有離子電子混合傳導(dǎo)能力的固體電解質(zhì)膜是研究的熱點。
2 陶瓷膜的主要應(yīng)用
由于陶瓷膜具有很多優(yōu)異之處，目前已在多個領(lǐng)域的分離工藝上獲得成功應(yīng)用，可用于除菌過濾、氣體分離、滲透汽化、催化反應(yīng)、廢水處理等。
2.1 除菌過濾
陶瓷膜在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要是解決食品的質(zhì)量問題，陶瓷膜用于牛奶、果酒、果汁、飲料、白酒、啤酒、飲用水等的除菌過濾，效果十分顯著。其特別之處在于可以采用蒸汽對整個設(shè)備進(jìn)行消毒，使產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。陶瓷微濾膜和陶瓷超濾膜處理地表水、制備飲用水已在歐洲應(yīng)用多年，陶瓷膜與吸附集成凈水技術(shù)在我國已應(yīng)用5年，以陶瓷膜為核心的集團(tuán)式凈水器和家用凈水器可以采用加熱的方法進(jìn)行消毒處理，具有廣闊的發(fā)展前景。膜分離技術(shù)用于食品加工分離的膜，包括超濾膜、反滲透膜、電滲析膜等。膜技術(shù)在食品廢水治理、果蔬汁飲料濃縮、混合植物油分離等方面已經(jīng)成功地得到了應(yīng)用，在綠色食品生產(chǎn)中具有重要意義。
在化工、石油化工等過程工業(yè)中，對產(chǎn)品和原料液的純度有嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)的過濾技術(shù)很難滿足，而陶瓷膜優(yōu)異的材料性能和高精度的分離性能使其成為苛刻條件下精密過濾的首選技術(shù)。例如：對氨基苯酚生產(chǎn)過程中采用貴金屬催化劑，由于催化劑的脫落，不僅增加了催化劑消耗量，而且污染了產(chǎn)品，而采用陶瓷膜技術(shù)進(jìn)行處理，產(chǎn)品中金屬含量降至1×10-6以下，完全達(dá)到出口產(chǎn)品的質(zhì)量要求。
2.2 氣體分離
陶瓷膜在氣體分離中的大規(guī)模應(yīng)用僅有鈾同位素分離一例，而這一用途也正在被其它方法逐步取代，原因是致密膜通量低，成本高，高溫下不穩(wěn)定，多孔膜存在分離系數(shù)與膜通量的矛盾。近年來開發(fā)的離子電子混合導(dǎo)體致密膜和具有分子篩分功能的多孔膜展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景，有可能對膜法氣體分離領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。陶瓷膜分離領(lǐng)域中另一個值得開發(fā)的市場是利用毛細(xì)冷凝機(jī)理進(jìn)行原料氣脫濕、有機(jī)溶劑回收以及強(qiáng)腐蝕性氣體干燥等。
2.3 催化反應(yīng)
將陶瓷膜與催化反應(yīng)結(jié)合即構(gòu)成了陶瓷膜催化反應(yīng)。膜催化反應(yīng)起初的成功應(yīng)用是將薄壁耙膜用于乙烯加氫精制以及加氫選擇性要求特別高的香料、醫(yī)藥行業(yè)。
2.4 廢水處理
陶瓷膜可以在苛刻的條件下進(jìn)行長期穩(wěn)定的分離操作，特別適合工業(yè)廢水處理。目前陶瓷膜主要用于含油廢水、化工及石化廢水、造紙和紡織廢水、生活污水及放射性廢水的處理。膜生物反應(yīng)器（MBR）是一種由陶瓷膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。具有處理效率高，出水水質(zhì)好，設(shè)備緊湊，占地面積小，易實現(xiàn)自動控制，運(yùn)行管理簡單等優(yōu)點，該技術(shù)愈來愈受到重視，成為水處理技術(shù)研究的一個熱點。
無機(jī)陶瓷膜處理廢水必須解決成本問題，一方面必須開發(fā)低價高性能的膜材料，另一方面需克服膜污染并提高膜的過濾通量，這樣才能真正推廣應(yīng)用到油田回注水等領(lǐng)域。減少污染的方法主要是提高膜面流速、高壓反向沖洗、用各種清洗液對膜進(jìn)行反復(fù)清洗。此外，一些新的方法也正在開發(fā)中，如在進(jìn)料液中沖入氣體，采用脈沖流動，讓膜處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)等，其核心是進(jìn)行傳遞過程研究，實現(xiàn)過程的強(qiáng)化傳質(zhì)。
2.5 生物化工
陶瓷膜在生物化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究是近期的熱點之一，涉及領(lǐng)域包括細(xì)胞脫除、無菌水生產(chǎn)以及低分子有機(jī)物的澄清和生物膜反應(yīng)器等。利用陶瓷膜分離發(fā)酵液中的菌體，在國內(nèi)已有10余套工業(yè)規(guī)模裝置，不僅可以提高產(chǎn)品生產(chǎn)率，降低裝置負(fù)荷，而且極有利于環(huán)境保護(hù)，廢水排放量大大減少。
聚乳酸膜管復(fù)合鈣磷陶瓷引導(dǎo)性骨再生是陶瓷膜技術(shù)的新課題。由于各種原因所致的骨缺損，常常是臨床上棘手的問題。引導(dǎo)性骨再生應(yīng)用隔膜為骨再生創(chuàng)造良好的局部環(huán)境，在口腔科已得到應(yīng)用，在長管狀骨缺損修復(fù)方面也進(jìn)行了探索，取得了一定的效果。多孔陶瓷能起到良好的支架左右，引導(dǎo)宿主床新骨長入材料內(nèi)部。多孔型鈣磷陶瓷的強(qiáng)度與松質(zhì)骨相似，具有良好的生物相容性、生物降解性，材料能與骨組織直接結(jié)合在一起。經(jīng)燒結(jié)作用，在多孔型陶瓷材料的細(xì)小顆粒之間可留下許多微孔，構(gòu)成一種大孔/微孔結(jié)構(gòu)，使材料與組織和組織液的接觸面積增加。
從應(yīng)用領(lǐng)域來看，陶瓷膜已經(jīng)在環(huán)保、化工和生物工程等領(lǐng)域起到了非常重要的作用，而且表現(xiàn)出其他產(chǎn)品無法替代的優(yōu)勢。不僅如此，陶瓷膜還將在能源、資源和健康等領(lǐng)域的分離工藝中發(fā)揮重要作用。因此，無機(jī)陶瓷濾膜將成為前景十分廣闊的一種材料，對解決我國資源短缺、環(huán)境污染等問題，都起著十分重要的作用。同時，從陶瓷膜的制備、開發(fā)應(yīng)用情況和陶瓷膜的污染等方面來看，陶瓷膜繁瑣的制備工藝、高昂的制備成本、膜污染、有限的機(jī)械強(qiáng)度等都是制約無機(jī)陶瓷濾膜進(jìn)一步推廣與應(yīng)用的關(guān)鍵因素，值得進(jìn)一步研究。
