所謂隔行如隔山,可能生活中還有很多人對陶瓷的認識還停留在自家的馬桶上,頂多再聯想到淡雅的青花瓷來個雅俗共賞。然而,迄今為止,隨著先進陶瓷的興起,陶瓷已經演繹了很多種新角色,比如:陶瓷刀、防彈衣、汽車部件、核武器(核反應堆控制棒),甚至還會飛到天上去(飛機發動機),并且還會繼續扮演很多未知的角色。
陶瓷膜分離技術就是一項意義非凡的先進技術,尤其是對起步較晚,卻走在世界前列的中國來說,需要更大的科研力量,投入來促進產業化的發展。
概念及其原理
陶瓷膜又稱無機陶瓷膜,是以無機陶瓷材料(氧化鋁、氧化鋯等)及稀土材料經特殊工藝制備而形成的非對稱膜。陶瓷膜分為管式陶瓷膜和平板陶瓷膜兩種。
管式陶瓷膜管壁密布微孔,在壓力作用下,原料液在膜管內或膜外側流動,小分子物質(或液體)透過膜,大分子物質(或固體)被膜截留,從而達到分離、濃縮、純化和環保等目的。
平板陶瓷膜板面密布微孔,根據在一定的膜孔徑范圍內,滲透的物質分子直徑不同則滲透率不同,以膜兩側的壓力差為驅動力,膜為過濾介質,在一定壓力作用下,當料液流過膜表面時,只允許水、無機鹽、小分子物質透過膜,而阻止水中的懸浮物、膠和微生物等大分子物質通過。
看完以上對陶瓷膜的介紹,你會不會冒出一句“這不就是個篩子或是濾網嗎”
你想的還是太單純了,其實,隨著研究的不斷深入,陶瓷膜不僅用以分離液體和固體,甚至可以用來分離氣體,成為一種新氣體分離技術。美國早在上個世紀就用陶瓷膜制備出了高純氧氣(99.9999%),這個不是簡單地物理篩分,而是和電化學作用相結合的結果。央視《走近科學》欄目曾對這種分離技術進行了專題報道。
國內外研究現狀
國外陶瓷膜的研究始于上世紀40年代,起初由軍方掌握,屬于軍轉民用產品,其制備技術已經趨于成熟,在上個世紀80年代,美國、日本、德國和法國相繼出現商品化的陶瓷膜生產企業。像林德氣體公司運用陶瓷膜分離氣體的技術都已經非常成熟。美國甚至都已經將其運用到戰場和太空中了。
“九五”期間,在國家重點科技攻關項目,國家“863計劃”,國家自然科學基金的大力支持下,以徐南平院士為首的科研小組展開了對陶瓷膜技術的研究,成為了中國陶瓷膜技術產業化的探索者。他從零開始,艱苦創業,開展了陶瓷膜工業生產、人才培養、行業標準制定和推廣應用工作,經過十幾年的努力,終于在中國形成了能夠與國際先進技術相競爭的陶瓷膜應用技術。
他們自主開發的陶瓷膜裝備能夠在化學反應存在的極端環境中,實現無清洗狀況下3個月以上的連續穩定運行,這被認為是中國陶瓷膜裝備能夠在連續放大工業中應用的保證。
此外,由于行業技術門檻較高,國內能夠生產無機陶瓷膜及成套裝備的企業數量很少,具備規模化生產能力且產品品質穩定的企業更是十分稀少,導致行業內產能和市場份額都集中在少數公司中。然而由于陶瓷膜作為一個新興產品在我國的發展時間還比較短,所以下游應用的普及率還有待進一步提升。而且根據陶瓷膜的技術性能,還有很多領域等待開發,未來市場的潛在空間還很大
陶瓷膜的優缺點
優點:
1、耐酸、耐堿、耐高溫、耐有機溶劑。
2、化學穩定性好,機械強度大。
3、可反向沖洗。
4、孔徑分布窄,分離時無需相變,分離效率高。
缺點:
1、生產工藝復雜,燒結后產品性能差異化大。
2、價格較高,一般是有機膜價格的數倍。
3、產品脆性大。
制備方法簡述
目前制備陶瓷膜的方法主要有溶膠/凝膠法、粒子燒結法、陽極氧化法,此外,制備陶瓷膜的方法還有很多,像流延法、原位合成法、原位制粒法等。
陶瓷膜的應用
1、廢水處理
陶瓷膜可以在苛刻的條件下進行長期穩定的分離操作,特別適合工業廢水處理。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。
2、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氣對整個設備進行消毒,使產品質量得到保證,對推動食品方面。
3、氣體分離
采用獨特的工藝和方法(涉及到電化學領域,對原料及工藝要求非常高),用陶瓷膜分離技術可以從空氣中制得超高純度的氧氣、氫氣等氣體,且相比于變壓吸附法,此方法分離氣體更加徹底,純度更高。
4、燃料電池
在固態燃料電池中,將陶瓷膜用作電解質,可以降低電池內阻,提高功率輸出,從而在不需要高溫的條件實現了中溫化,操作溫度降到500~700℃。這種新型燃料電池繼承了高溫固體氧化物燃料電池的優點,同時降低了成本。
5、海水淡化
由于陶瓷膜具有孔徑分布窄,孔隙率高,穩定性高,而且單位膜面積處理量高,產水能力大,可以在海水中長期運行,可以做海水預處理。
6、航空航天
作為一種氣體分離技術,可以應用到航空制氧及發電裝備。