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 陶瓷膜分離技術是一種“錯流過濾”形式的液
瀏覽: 發布日期:2019-08-22
 陶瓷膜分離技術是一種“錯流過濾”形式的液體分離過程,原料液在膜管內高速流動,在壓力驅動下含小分子組分的澄清滲透液沿與之垂直方向向外透過膜,含大分子組分的混濁濃縮液被膜截留,從而使流體達到分離、濃縮、純化的目的。作為一種新型的膜材料,陶瓷膜具有化學穩定性好,耐酸、耐堿、耐有機溶劑,機械強度大等特點,其不足表現在價格昂貴、制造過程復雜等方面。目前已商品化的多孔陶瓷膜的構形主要有平板、管式和多通道3種。大規模應用的陶瓷膜,通常采用多通道構形,即在一個圓截面上分布著多個通道,一般通道數為7個、19個和37個。
1、陶瓷膜的制備方法
 
  1.1溶膠/凝膠法
 
  溶膠/凝膠法是目前制備無機陶瓷膜的主要方法,如TiO2、SiO2等陶瓷膜一般都是用此方法制備,其工藝過程包括溶膠、涂膜、干燥和高溫燒結等。
 
  1.2粒子燒結法
 
  粒子燒結法是將無機材料粉碎、篩分后,制成懸浮液,再干燥成型后燒結的方法。無基膜的制備是無機膜研究的基礎,由于強度問題,無基體的無機膜沒有任何實際應用價值,從這個意義上講,基膜制備是無機膜制備的關鍵。用該法制備的陶瓷膜孔徑可達0.1~10μm。
 
  1.3陽極氧化法
 
  以高純度金屬箔為陽極,在酸性電解質溶液(如磷酸、硫酸)中進行陽極氧化,箔的一面將形成多孔性的氧化層,另一面的金屬用酸溶解后就得到具有似直孔結構的多孔膜,經過適當的熱處理成為穩定的、孔徑均勻的氧化物膜。該膜具有很好的耐溶性,通過改變氧化過程的條件可以得到不同孔徑的氧化皮層。AhmadT.等使用陽極氧化法在高純金屬鋁的一面得到孔徑均勻的直孔多孔膜。此外,制備無機陶瓷膜的方法還很多,如原位合成法、化學氣相沉淀法、動態膜法、濺射法、物理氣相沉淀法、原位制粒法等。
 
 
 
  2、我國陶瓷膜開發應用情況
 
  “九五”期間,在國家重點科技攻關項目、國家“863”計劃、國家自然科學基金等項目的大力支持下,創建了膜科學技術研究所,實現了多通道陶瓷微濾膜的工業化生產,并建成了生產基地,目前單臺陶瓷膜設備的膜面積已達到220m2,繼歐美等國之后,初步形成了陶瓷膜的新產業。
 
 
 
  3、陶瓷膜的應用
 
  3.1在水處理中的應用
 
  微孔陶瓷膜分離技術在給水處理中的應用始于20世紀80年代初期,其優點是能夠保證更好和更可靠的水質,不用化學物質,特別適合于高附加值產品。無機陶瓷膜在廢水處理中的應用主要包括處理含油廢水、紡織廢水、化工廢水、對放射性廢水、含重金屬廢水、城市生活污水和造紙廢水等。Hum等人用復合陶瓷膜,對質量濃度為600~11000mg/L的乳化液進行油水分離,油的去除率超過95%;Soma等人利用無機微濾膜處理印染廢水,通過加入一些表面活性劑可使可溶性染料的去除率大于97%;在陶瓷膜工業性試驗中染料的去除率為80%;NGK公司采用氧化鉻陶瓷膜從鹽酸溶液中回收ZiO2細微粒子,用去離子水進行洗滌,以除去產品中的酸根,經過處理,洗滌水的電導率從200ms/cm降到0.5ms/cm。
 
  3.2食品的除菌過濾
 
  陶瓷膜在食品工業中的應用主要是解決食品的質量問題。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備進行消毒,使產品質量得到保證。陶瓷微濾膜和陶瓷超濾膜處理地表水制備飲用水己在歐洲應用多年,陶瓷膜與吸附集成凈水技術在我國己應用8年,以陶瓷膜為核心的集團式凈水器和家用凈水器可以采用加熱的方法進行消毒處理,具有廣闊的發展前景。
 
  3.3其他方面的應用
 
  陶瓷膜的應用領域還包括:氣體分離、滲透氣化、催化反應、生物化工等。陶瓷膜滲透氣化工藝具有高通量、高穩定性等優點有著極強的競爭力和巨大的市場需求;陶瓷膜在生物化工領域的應用研究是近期的熱點之一,涉及領域包括細胞脫除、無菌水生產以及低分子有機物的澄清和生物膜反應器等。
4、陶瓷膜的污染與清洗
 
  膜的污染是指膜表面上形成了附著層或膜孔堵塞等外部因素導致了膜性能的變化。引起膜污染的物質可以分為3類:第1類是溶解度較低的無機鹽,第2類是膠體和溶解性有機物,第3類是微生物。防治膜污染的主要方法是完善預處理工序和嚴守操作規程。此外,膜的污染是無法完全避免的,因此必須定期對膜組件進行清洗。
 
 
 
  5、陶瓷膜的發展展望
 
  5.1國內外市場銷售狀況
 
  國際上的膜技術產業已初具規模,以美國、日本、西歐為主。1998年國外上網的膜和膜設備的生產廠家及經營公司達452家。1994年世界膜市場的銷售總額為30億美元,1997年達40億美元,1998年為44億美元,1999年為47億美元,2004為100億美元,年平均增長速率為10%左右。由此可推測,到2010年將達到110~135億美元。陶瓷膜分離技術研究現狀與應用前景按照我國當前的膜技術水平和市場開拓情況,我國膜工業產值今后每年按10%~15%的增長速度發展是完全可能的,到2010年我國膜工業的產值將達50~80億元人民幣,約占世界膜市場的5%,其中液體分離膜市場為25~40億元人民幣,氣體分離膜市場為15~24億元人民幣,生物醫學和其他市場為10~16億元人民幣。無機分離膜在膜領域所占的市場份額還比較小,1997年美國無機膜市場銷售額為1億美元,其中陶瓷膜占80%左右,僅占膜市場的9%。2004年,世界分離膜的市場銷售額將超過100億美元,無機膜的市場占有率將占12%。由于陶瓷膜在精密過濾分離中的成功應用,其市場銷售額以35%的年增長率發展。
 
  5.2陶瓷膜技術研究進展
 
  盡管陶瓷膜的研究與應用已經取得了很大的成果,但仍然存在著許多問題制約著它進一步應用與發展,值得深入地研究和探討。目前陶瓷膜技術的發展方向主要有以下幾個方面:
 
  1)新型陶瓷膜制備工藝的開發。到目前為止,盡管已經開發出了許多陶瓷膜制備工藝,但只有溶膠/凝膠工藝最成熟,并被廣泛采用,因為該工藝簡單,設備要求低,適合大面積制膜,然而該工藝也存在一些問題。從發展趨勢來看,目前陶瓷膜制備技術的主要發展方向為:①在多孔膜研究方面,需進一步完善已商品化的無機超濾膜和微濾膜,發展具有分子篩功能的納濾膜、氣體分離膜和滲透氣化膜;②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能力的固體電解質膜是研究的熱點。
 
  2)陶瓷膜的改性研究。首先是提高膜的熱穩定性,可以通過增加一些新的組分,改善膜的化學成分,從而提高膜的熱穩定性;其次是提高膜的抗污染性,由于膜主要是用于過濾和分離,而由此帶來的膜污染問題由于成本較高,一直限制了它的應用,因此應開發出抗污染的膜。
 
  3)復合陶瓷膜的制備。有機膜和無機膜具有各自的優點和缺點,應該研究出一種復合材料的膜,使其兼具兩者的優點,如在無機膜中摻加一些有機組分,使其增加孔隙率,提高滲透通量。這是今后發展的主要方向。
 
  4)開發新材料。目前,已經商品化的陶瓷膜材質主要有Al2O3膜、TiO2膜、SiO2膜和ZrO2膜等。它們的不足之處主要是成本高,限制了其在更廣泛領域的應用。所以,有必要開發一種新型材料,在保證一定的機械強度和膜通量的前提下,能夠大大減化制備陶瓷膜的工藝步驟和減少成本。
 
  5)集成處理技術的開發。在某些場合采用的單一的無機膜技術處理廢水很難達到滿意的結果,而將無機膜與其他技術的集成,則可以達到降低成本,提高處理效率的目的。無機膜與其他技術的集成處理技術將是今后的重要發展方向。
 
 
 
  6、結論
 
  從應用領域來看,陶瓷膜已經在環保、化工和生物工程等領域起到了非常重要的作用,而且表現出其他產品無法替代的優勢。因此,無機陶瓷濾膜過濾技術將成為前景十分廣闊的一項高新技術,它對解決我國資源短缺,環境污染等問題,都起著十分重要的作用。同時,從陶瓷膜的制備、開發應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、有限的機械強度等都是制約無機陶瓷濾膜過濾技術進一步推廣與應用的關鍵因素,值得我們進一步研究。www.countryfloralandgift.org
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