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 陶瓷膜分离技术是一种“错流过滤”形式的液

发布时间:2019/08/22 点击量:
 陶瓷膜分离技术是一种“错流过滤”形式的液体分离过程,原料液在膜管内高速流动,在压力驱动下含小分子组分的澄清渗透液沿与之垂直方向向外透过膜,含大分子组分的混浊浓缩液被膜截留,从而使流体达到分离、浓缩、纯化的目的。作为一种新型的膜材料,陶瓷膜具有化学稳定性好,耐酸、耐碱、耐有机溶剂,机械强度大等特点,其不足表现在价格昂贵、制造过程复杂等方面。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3种。大规模应用的陶瓷膜,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个、19个和37个。
1、陶瓷膜的制备方法
 
  1.1溶胶/凝胶法
 
  溶胶/凝胶法是目前制备无机陶瓷膜的主要方法,如TiO2、SiO2等陶瓷膜一般都是用此方法制备,其工艺过程包括溶胶、涂膜、干燥和高温烧结等。
 
  1.2粒子烧结法
 
  粒子烧结法是将无机材料粉碎、筛分后,制成悬浮液,再干燥成型后烧结的方法。无基膜的制备是无机膜研究的基础,由于强度问题,无基体的无机膜没有任何实际应用价值,从这个意义上讲,基膜制备是无机膜制备的关键。用该法制备的陶瓷膜孔径可达0.1~10μm。
 
  1.3阳极氧化法
 
  以高纯度金属箔为阳极,在酸性电解质溶液(如磷酸、硫酸)中进行阳极氧化,箔的一面将形成多孔性的氧化层,另一面的金属用酸溶解后就得到具有似直孔结构的多孔膜,经过适当的热处理成为稳定的、孔径均匀的氧化物膜。该膜具有很好的耐溶性,通过改变氧化过程的条件可以得到不同孔径的氧化皮层。AhmadT.等使用阳极氧化法在高纯金属铝的一面得到孔径均匀的直孔多孔膜。此外,制备无机陶瓷膜的方法还很多,如原位合成法、化学气相沉淀法、动态膜法、溅射法、物理气相沉淀法、原位制粒法等。
 
 
 
  2、我国陶瓷膜开发应用情况
 
  “九五”期间,在国家重点科技攻关项目、国家“863”计划、国家自然科学基金等项目的大力支持下,创建了膜科学技术研究所,实现了多通道陶瓷微滤膜的工业化生产,并建成了生产基地,目前单台陶瓷膜设备的膜面积已达到220m2,继欧美等国之后,初步形成了陶瓷膜的新产业。
 
 
 
  3、陶瓷膜的应用
 
  3.1在水处理中的应用
 
  微孔陶瓷膜分离技术在给水处理中的应用始于20世纪80年代初期,其优点是能够保证更好和更可靠的水质,不用化学物质,特别适合于高附加值产品。无机陶瓷膜在废水处理中的应用主要包括处理含油废水、纺织废水、化工废水、对放射性废水、含重金属废水、城市生活污水和造纸废水等。Hum等人用复合陶瓷膜,对质量浓度为600~11000mg/L的乳化液进行油水分离,油的去除率超过95%;Soma等人利用无机微滤膜处理印染废水,通过加入一些表面活性剂可使可溶性染料的去除率大于97%;在陶瓷膜工业性试验中染料的去除率为80%;NGK公司采用氧化铬陶瓷膜从盐酸溶液中回收ZiO2细微粒子,用去离子水进行洗涤,以除去产品中的酸根,经过处理,洗涤水的电导率从200ms/cm降到0.5ms/cm。
 
  3.2食品的除菌过滤
 
  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己在欧洲应用多年,陶瓷膜与吸附集成净水技术在我国己应用8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。
 
  3.3其他方面的应用
 
  陶瓷膜的应用领域还包括:气体分离、渗透气化、催化反应、生物化工等。陶瓷膜渗透气化工艺具有高通量、高稳定性等优点有着极强的竞争力和巨大的市场需求;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。
4、陶瓷膜的污染与清洗
 
  膜的污染是指膜表面上形成了附着层或膜孔堵塞等外部因素导致了膜性能的变化。引起膜污染的物质可以分为3类:第1类是溶解度较低的无机盐,第2类是胶体和溶解性有机物,第3类是微生物。防治膜污染的主要方法是完善预处理工序和严守操作规程。此外,膜的污染是无法完全避免的,因此必须定期对膜组件进行清洗。
 
 
 
  5、陶瓷膜的发展展望
 
  5.1国内外市场销售状况
 
  国际上的膜技术产业已初具规模,以美国、日本、西欧为主。1998年国外上网的膜和膜设备的生产厂家及经营公司达452家。1994年世界膜市场的销售总额为30亿美元,1997年达40亿美元,1998年为44亿美元,1999年为47亿美元,2004为100亿美元,年平均增长速率为10%左右。由此可推测,到2010年将达到110~135亿美元。陶瓷膜分离技术研究现状与应用前景按照我国当前的膜技术水平和市场开拓情况,我国膜工业产值今后每年按10%~15%的增长速度发展是完全可能的,到2010年我国膜工业的产值将达50~80亿元人民币,约占世界膜市场的5%,其中液体分离膜市场为25~40亿元人民币,气体分离膜市场为15~24亿元人民币,生物医学和其他市场为10~16亿元人民币。无机分离膜在膜领域所占的市场份额还比较小,1997年美国无机膜市场销售额为1亿美元,其中陶瓷膜占80%左右,仅占膜市场的9%。2004年,世界分离膜的市场销售额将超过100亿美元,无机膜的市场占有率将占12%。由于陶瓷膜在精密过滤分离中的成功应用,其市场销售额以35%的年增长率发展。
 
  5.2陶瓷膜技术研究进展
 
  尽管陶瓷膜的研究与应用已经取得了很大的成果,但仍然存在着许多问题制约着它进一步应用与发展,值得深入地研究和探讨。目前陶瓷膜技术的发展方向主要有以下几个方面:
 
  1)新型陶瓷膜制备工艺的开发。到目前为止,尽管已经开发出了许多陶瓷膜制备工艺,但只有溶胶/凝胶工艺最成熟,并被广泛采用,因为该工艺简单,设备要求低,适合大面积制膜,然而该工艺也存在一些问题。从发展趋势来看,目前陶瓷膜制备技术的主要发展方向为:①在多孔膜研究方面,需进一步完善已商品化的无机超滤膜和微滤膜,发展具有分子筛功能的纳滤膜、气体分离膜和渗透气化膜;②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。
 
  2)陶瓷膜的改性研究。首先是提高膜的热稳定性,可以通过增加一些新的组分,改善膜的化学成分,从而提高膜的热稳定性;其次是提高膜的抗污染性,由于膜主要是用于过滤和分离,而由此带来的膜污染问题由于成本较高,一直限制了它的应用,因此应开发出抗污染的膜。
 
  3)复合陶瓷膜的制备。有机膜和无机膜具有各自的优点和缺点,应该研究出一种复合材料的膜,使其兼具两者的优点,如在无机膜中掺加一些有机组分,使其增加孔隙率,提高渗透通量。这是今后发展的主要方向。
 
  4)开发新材料。目前,已经商品化的陶瓷膜材质主要有Al2O3膜、TiO2膜、SiO2膜和ZrO2膜等。它们的不足之处主要是成本高,限制了其在更广泛领域的应用。所以,有必要开发一种新型材料,在保证一定的机械强度和膜通量的前提下,能够大大减化制备陶瓷膜的工艺步骤和减少成本。
 
  5)集成处理技术的开发。在某些场合采用的单一的无机膜技术处理废水很难达到满意的结果,而将无机膜与其他技术的集成,则可以达到降低成本,提高处理效率的目的。无机膜与其他技术的集成处理技术将是今后的重要发展方向。
 
 
 
  6、结论
 
  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。因此,无机陶瓷滤膜过滤技术将成为前景十分广阔的一项高新技术,它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过滤技术进一步推广与应用的关键因素,值得我们进一步研究。www.ynlzscl.com