陶瓷分離膜的應(yīng)用及發(fā)展展望
行業(yè)動態(tài)
在自然界中，膜對物料的分離一直起著非常重要的作用，各種動植物對于水及各種養(yǎng)分的吸收都是通過膜過程實現(xiàn)的。
膜分離技術(shù)的工業(yè)化是在20世紀(jì)初出現(xiàn)，20世紀(jì)60年代后迅速崛起。膜分離技術(shù)分為微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、氣體分離、滲透汽化、滲析等。由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，目前已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中重要的手段之一。
1 陶瓷分離膜技術(shù)的發(fā)展過程
的無機膜的發(fā)展始于20世紀(jì)40年代，根據(jù)材質(zhì)不同分為金屬分離膜、陶瓷分離膜及復(fù)合膜等。20世紀(jì)90年代，無機膜的研究與應(yīng)用進入了以氣體分離應(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。
近年來，陶瓷分離膜的研究開發(fā)已得到了人們的高度重視，并在液相分離與凈化、氣體分離與凈化和膜反應(yīng)器方面有著廣泛的應(yīng)用，涉及到環(huán)保、食品、化工、醫(yī)藥、生物技術(shù)等諸多領(lǐng)域。陶瓷分離膜是以多孔陶瓷為載體、以微孔陶瓷膜為過濾層的陶瓷質(zhì)過濾分離材料。它主要是依據(jù)“篩分”理論，根據(jù)在一定的膜孔徑范圍內(nèi)滲透的物質(zhì)分子直徑不同則滲透率不同，利用壓力差為推動力，使小分子物質(zhì)可以通過，而大分子物質(zhì)則被截留，從而實現(xiàn)它們之間的分離。按孔徑大小分，陶瓷分離膜可分為微濾膜（孔徑0.1～5μm），超濾膜（0.01～0.1μm）和反滲透膜（0.01～0.001μm），目前開發(fā)的有氧化鋁質(zhì)、氧化鈷質(zhì)、氧化硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、碳化硅質(zhì)、沸石等。陶瓷分離膜具有高分子材料等無法比擬的一些優(yōu)異性能：化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸，耐堿，耐有機溶劑；機械強度高，可承受幾十個大氣壓的外壓，并可反向沖洗；耐高溫，使用溫度可達(dá)800℃以上；孔徑易控，孔徑分布窄，親水性能好，滲透率高；抗微生物侵蝕能力強，可用于生物工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，無溶出物產(chǎn)生，不會產(chǎn)生二次污染，不會對分離物料產(chǎn)生負(fù)面影響；分離過程簡單，能耗低，操作運轉(zhuǎn)簡便；使用壽命長等特點。
陶瓷分離膜雖然研究開發(fā)歷史不長，但其發(fā)展迅速，尤其是20世紀(jì)80年代后期溶膠-凝膠技術(shù)的成功運用使陶瓷分離膜的相關(guān)制備技術(shù)獲得重大發(fā)展。國外陶瓷分離膜的應(yīng)用尤其是液相分離與凈化方面已形成較大的規(guī)模。據(jù)統(tǒng)計， 陶瓷分離膜市場近十年來增長達(dá)到30%以上，其中僅陶瓷膜組件目前已達(dá)4億美元，約占整個世紀(jì)陶瓷膜市場10%左右，其中尤以陶瓷分離膜增長速度較快，近年超過100%。
2 無機陶瓷膜分離技術(shù)在我國工業(yè)中的應(yīng)用
2.1 無機陶瓷膜在液體處理中的應(yīng)用
2.1.1 在飲用水處理中的應(yīng)用
納濾是介于反滲透和超濾之間的一種新型膜分離過程。納濾膜的研究初始目標(biāo)是軟化，用膜法代替常規(guī)的石灰軟化和離子交換。與藥劑軟化和離子交換法相比，膜軟化有其特有的優(yōu)點，如不須再生，無污泥產(chǎn)生，完全除去懸浮物，同時除去有機物。納濾技術(shù)能有效去除水中致癌物、THM前體、TOC、細(xì)菌和有機物等，同時保留許多水中人體有益的元素，大大提高人們飲用水的質(zhì)量。采用納濾技術(shù)對市政供水進行深度處理，提供高品質(zhì)的飲用水，將成為21世紀(jì)飲用水凈化的優(yōu)選技術(shù)。
2.1.2 在海水淡化和苦咸水淡化中的應(yīng)用
反滲透技術(shù)已成為海水淡化和苦咸水淡化較經(jīng)濟的手段。該技術(shù)適用于苦咸水、海水淡化、流動性作業(yè)等行業(yè)，是解決廣大干旱地區(qū)和工業(yè)用水較有效的方法，已在全國推廣。目前國內(nèi)利用納濾進行高硬度海島苦咸水軟化已獲得成功。 已把相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)列入攻關(guān)項目。
2.1.3 在城市污水處理中的應(yīng)用
城市污水是一個重要的潛在水資源。使用膜生物反應(yīng)器進行城市污水處理，可以生產(chǎn)出不同用途的再生水，是解決水資源匱乏的重要方法。城市污水經(jīng)處理后可作為工業(yè)冷卻水、綠化用水和城市雜用水，這樣既可以極大地緩解城市用水需求，同時也可以充分利用城市水資源。以北京已建成的污水處理廠應(yīng)用膜技術(shù)后為例，每年可以節(jié)約用水3.6億多噸。
2.1.4 在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用
化工行業(yè)在生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水一般具有強酸、強堿或強腐蝕性，有機膜由于自身的弱點往往難以勝任。而對于陶瓷膜之類的無機膜來說，在處理這類廢水時，它們具有獨到的優(yōu)勢。另外，對于印鈔廢水的處理中，采用50μm氧化鋯膜，在操作壓力0.3MPa，膜面流速4.0m/s，操作溫度為45℃條件下，可取得較高的穩(wěn)定滲透通量205L/(m2·h)；對COD的截留率為86.6%；對固含量的去除率為43.9%，取得較好效果。
2.1.5 在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用
膜分離技術(shù)可用于抗生素和氨基酸的生產(chǎn)，發(fā)酵液和培養(yǎng)液的澄清，生物制品的滅菌與除熱源等；可用于多肽、蛋白質(zhì)、酶、細(xì)胞、病毒等大分子的富集、濃縮與純化；可用于制備醫(yī)藥生產(chǎn)過程中的工藝用水、洗瓶水、口服液、注射液用水、純水、超純水、中藥注射劑等。
2.1.6 在食品工業(yè)中的應(yīng)用
使用陶瓷分離膜在食品工業(yè)中有它獨到的優(yōu)勢，如不改變顏色，不改變口味，不會對食品產(chǎn)生污染等廣泛應(yīng)用于果汁飲料的加工以及酶制劑的濃縮和精制等。
2.2 無機陶瓷膜在氣體處理中的應(yīng)用
2.2.1 在空氣凈化中的應(yīng)用
無菌潔凈空氣對許多行業(yè)如醫(yī)療部門、生物制品、食品等行業(yè)和電子、航天、精密儀器、儀表等部分尤為重要。無機陶瓷膜可用于空氣的分離和凈化，但目前成功應(yīng)用的僅是鈾同位素的分離，其他氣體凈化與分離過程均處于研究開發(fā)過程中。
2.2.2 在氣-固分離中的應(yīng)用
隨著納米科技時代的到來，規(guī)?；a(chǎn)納米粉體的收集成為一大技術(shù)難題。而 的多孔陶瓷膜的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了一種切實可行的新型技術(shù)路線。目前陶瓷膜已在煤炭氣化、廢物焚燒、貴金屬回收、化工制造和玻璃熔化等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
此外，氣體膜分離技術(shù)主要有膜法提氫、膜法富氮、膜法富氧、工業(yè)氣體脫濕、天然氣脫濕、提氮以及脫除有機蒸氣、二氧化碳和硫化氫等。
3 無機陶瓷分離膜技術(shù)的展望
無機陶瓷分離膜技術(shù)在21世紀(jì)會進入成長期，將與光纖、納米、超導(dǎo)等技術(shù)一樣成為未來工業(yè)的新技術(shù)之一。
膜生物反應(yīng)器是一種膜分離技術(shù)與生物反應(yīng)器相結(jié)合的生物化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，是以酶、微生物或動植物細(xì)胞為催化劑進行的化學(xué)反應(yīng)或生物轉(zhuǎn)化，同時憑借超濾分離膜不斷分離出反應(yīng)產(chǎn)物并截流催化劑而進行連續(xù)反應(yīng)的裝置。今后，在該裝置開發(fā)過程中，將重點進行無機陶瓷膜在廉價膜組件，不污染，易清洗，長壽命膜的研制，以及在解決膜對高溫、高pH值敏感，抗溶劑和抗氧化能力差等方面實現(xiàn)突破。
滲透汽化過程具有節(jié)能的突出優(yōu)點，有機膜在這一領(lǐng)域已獲得成功應(yīng)用。但在一些苛刻的條件下，有機膜的使用壽命受到影響，采用具有分子篩分效應(yīng)的陶瓷膜進行滲透汽化過程的開發(fā)成為研究熱點。根據(jù)目前的研究結(jié)果，陶瓷分離膜滲透汽化過程具有高通量、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，有著極強的競爭力和巨大的市場需求。
