收稿日期:2009-07-15
作者简介:严立云(1979)),河北唐山人,吉林师范大学物理学院讲师。工学硕士,研究方向:功能材料。
陶瓷膜的开发及应用
严立云
(吉林师范大学,吉林四平 136000)
摘 要:陶瓷膜是以无机陶瓷材料经特殊工艺制备而形成的非对称膜,呈管状及多通道状。陶瓷膜分离技术是近些年来国际上发展迅速的高科技之一,广泛应用在化工、食品、医药、环保等行业的液体中杂质的分离过程中,并显示出独特的优势和广阔的前景。本文首先介绍了陶瓷膜的发展及几种主要制备技术,接着介绍了其应用情况,最后对其前景进行了展望。
关键词:陶瓷膜;制备;应用
中图分类号:T Q174 文献标识码:A 文章编号:1008-7508(2009)05-0047-03
陶瓷膜也称CT 膜,是固态膜的一种,主要是A12O3、ZrO2、T iO2和SiO2等无机材料经特殊工艺制备而成的非对称多孔膜。陶瓷膜呈管状及多通道状,管壁密布微孔,在压力作用下,原料液在膜管内或膜外侧流动,小分子物质(或液体)透过膜,大分子物质(或固体)被膜截留而达到分离、浓缩、纯化和环保等目的。陶瓷膜具有化学稳定性好,能耐酸、耐碱、耐有机溶剂,机械强度大,可反向冲洗,抗微生物能力强,耐高温,孔径分布窄,分离效率高等优点,在化工、冶金、食品、医药、环保等领域得到广泛的应用。
一、陶瓷膜的开发
陶瓷膜的研究始于20世纪40年代,其发展可分为三个阶段。从用于铀的同位素分离的核工业时期进入到以无机微滤膜和超滤膜为主的液体分离时期和以膜催化反应为核心的全面发展时期。20世纪90年代,溶胶)))凝胶技术的出现标志着无机膜的研究与应用进入第三个阶段,即以气体分离应用为主和陶瓷膜分离器)反应器组合构件的研究阶段。
目前已商品化的多孔陶瓷膜的构形主要有平板、管式和多通道三种。规模应用的陶瓷膜通常采用多通道构形,即在一个圆截面上分布着多个通道,一般通道数为7、19和37,[7]分别用来截
留直径在30~50nm 、100~200nm 、800~1000nm
范围的粒子。
无机陶瓷膜的主要制备技术有:溶胶-凝胶法、固态粒子烧结法、分相法、化学气相沉积法、物理气相沉积法等。目前多孔膜主要是超滤和微滤膜,其制备方法以粒子烧结法和溶胶-凝胶法为主。前者主要用于制备微孔滤膜,而后者主要用来制备超滤膜。
从发展趋势来看,膜制备技术的发展主要在两个方面:一是在多孔膜研究方面,进一步完善已商
品化的无机超滤和微滤膜,发展具有分子筛分功能的纳米滤膜、气体分离膜和渗透汽化膜;二是在致密膜研究中,超薄金属及其合金膜和具有离子电子混合传导能力的固体电解质膜是研究的热点。
二、陶瓷膜的主要应用
由于陶瓷膜具有很多优异之处,目前已在多个Journal of Jili n Radio and T V University No.5,2009(T otal No.95)
5吉林广播电视大学学报6 2009年第5期(总第95期)
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领域的分离工艺上获得成功应用,可用于除菌过滤、气体分离、渗透汽化、催化反应、废水处理等。
1、除菌过滤
陶瓷膜在食品工业中的应用主要是解决食品的质量问题,陶瓷膜用于牛奶、果酒、果汁、饮料、白酒、啤酒、饮用水等的除菌过滤,效果十分显著。其特别之处在于可以采用蒸汽对整个设备进行消毒,使产品质量得到保证。陶瓷微滤膜和陶瓷超滤膜处理地表水、制备饮用水已在欧洲应用多年,陶瓷膜与吸附集成净水技术在我国已应用5年,以陶瓷膜为核心的集团式净水器和家用净水器可以采用加热的方法进行消毒处理,具有广阔的发展前景。膜分离技术用于食品加工分离的膜,包括超滤膜、反渗透膜、电渗析膜等。膜技术在食品废水治理、果蔬汁饮料浓缩、混合植物油分离等方面已经成功地得到了应用,在绿色食品生产中具有重要意义。
在化工、石油化工等过程工业中,对产品和原料液的纯度有严格的要求,传统的过滤技术很难满足,而陶瓷膜优异的材料性能和高精度的分离性能使其成为苛刻条件下精密过滤的首选技术。例如:对氨基苯酚生产过程中采用贵金属催化剂,由于催化剂的脱落,不仅增加了催化剂消耗量,而且污染了产品,而采用陶瓷膜技术进行处理,产品中金属含量降至1@10-6以下,完全达到出口产品的质量要求。
2、气体分离
陶瓷膜在气体分离中的大规模应用仅有铀同位素分离一例,而这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,高温下不稳定,多孔膜存在分离系数与膜通量的矛盾。近年来开发的离子电子混合导体致密膜和具有分子筛分功能的多孔膜展现出良好的发展前景,有可能对膜法气体分离领域产生巨大的影响。陶瓷膜分离领域中另一个值得开发的市场是利用毛细冷凝机理进行原料气脱湿、有机溶剂回收以及强腐蚀性气体干燥等。
3、催化反应
将陶瓷膜与催化反应结合即构成了陶瓷膜催化反应。膜催化反应最初的成功应用是将薄壁耙膜用于乙烯加氢精制以及加氢选择性要求特别高的香料、医药行业。
4、废水处理
陶瓷膜可以在苛刻的条件下进行长期稳定的分离操作,特别适合工业废水处理。目前陶瓷膜主要用于含油废水、化工及石化废水、造纸和纺织废水、生活污水及放射性废水的处理。膜生物反应器(MBR)是一种由陶瓷膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。具有处理效率高,出水水质好,设备紧凑,占地面积小,易实现自动控制,运行管理简单等优点,该技术愈来愈受到重视,成为水处理技术研究的一个热点。
无机陶瓷膜处理废水必须解决成本问题,一方面必须开发低价高性能的膜材料,另一方面需克服膜污染并提高膜的过滤通量,这样才能真正推广应用到油田回注水等领域。减少污染的方法主要是提高膜面流速、高压反向冲洗、用各种清洗液对膜进行反复清洗。此外,一些新的方法也正在开发中,如在进料液中冲入气体,采用脉冲流动,让膜处于旋转状态等,其核心是进行传递过程研究,实现过程的强化传质。
5、生物化工
陶瓷膜在生物化工领域的应用研究是近期的热点之一,涉及领域包括细胞脱除、无菌水生产以及低分子有机物的澄清和生物膜反应器等。利用陶瓷膜分离发酵液中的菌体,在国内已有10余套工业规模装置,不仅可以提高产品生产率,降低装置负荷,而且极有利于环境保护,废水排放量大大减少。
聚乳酸膜管复合钙磷陶瓷引导性骨再生是陶瓷膜技术的新课题。由于各种原因所致的骨缺损,常常是临床上棘手的问题。引导性骨再生应用隔膜为骨再生创造良好的局部环境,在口腔科已得到应用,在长管状骨缺损修复方面也进行了探索,取得了一定的效果。多孔陶瓷能起到良好的支架作用,引导宿主床新骨长入材料内部。多孔型钙磷陶瓷的强度与松质骨相似,具有良好的生物相容性、生物降解性,材料能与骨组织直接结合在一起。经烧结作用,在多孔型陶瓷材料的细小颗粒之间可留下许多微孔,构成一种大孔/微孔结构,使材料与组织和组织液的接触面积增加。
从应用领域来看,陶瓷膜已经在环保、化工和生物工程等领域起到了非常重要的作用,而且表现出其他产品无法替代的优势。不仅如此,陶瓷膜还将在能源、资源和健康等领域的分离工艺中发挥重要作用。因此,无机陶瓷滤膜将成为前景十分广阔的一种材料,对解决我国资源短缺、环境污染等问题,都起着十分重要的作用。同时,从陶瓷膜的制备、开发应用情况和陶瓷膜的污染等方面来看,陶瓷膜繁琐的制备工艺、高昂的制备成本、膜污染、有限的机械强度等都是制约无机陶瓷滤膜进一步推广与应用的关键因素,值得我们进一步研究。
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学术论坛严立云陶瓷膜的开发及应用
