中國(guó)粉體網(wǎng)訊  陶瓷過(guò)濾膜是一種主要由Al₂O₃，ZrO₂，TiO₂和SiO₂等無(wú)機(jī)材料制備而成的多孔膜，具有分離效率高、耐酸堿、耐有機(jī)溶劑、抗微生物、耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度高、再生性能好、分離過(guò)程簡(jiǎn)單、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)等眾多優(yōu)勢(shì)。在環(huán)保、污水處理、氣體凈化、食品加工、膜催化、生物醫(yī)藥、氣體分離、膜生物反應(yīng)器、資源回收再利用、精細(xì)化工等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。可用于工藝過(guò)程中的分離、澄清、純化、濃縮、除菌、除鹽等。

陶瓷過(guò)濾膜的制備方法

溶膠凝膠法

溶膠凝膠法最開(kāi)始被Leenaars等人用來(lái)開(kāi)發(fā)陶瓷超濾膜。溶膠凝膠法是制備陶瓷過(guò)濾膜最重要的工藝之一，其優(yōu)勢(shì)在于膜的孔徑可以隨意控制，特別對(duì)于小孔而言，主要有兩種路線來(lái)制備溶膠凝膠膜：

（1）膠體路線，金屬鹽與水混合形成溶膠，涂覆在膜支撐體上，從而形成膠態(tài)凝膠。

（2）聚合物路線，有機(jī)金屬前驅(qū)體與有機(jī)溶劑混合形成溶膠，然后涂覆在膜支撐體上，從而形成聚合物凝膠。

溶膠是致密氧化物顆粒的膠體溶液，如Al₂O₃，SiO₂，TiO₂，或ZrO₂。Leenaars等人從勃姆石溶膠研制出孔徑為4-10nm的γ-Al₂O₃膜。由于這些膜的孔徑處于超濾范圍，因此它們被用于膠體顆粒和大分子量溶質(zhì)的分離，或者被用作膜支撐體來(lái)研制孔徑更小的膜。

對(duì)基于分子篩效應(yīng)的氣體分離，必須采用孔徑小于1nm的陶瓷過(guò)濾膜。在這種情況下，可以將上述溶膠制得的γ-Al₂O₃膜作為支撐體，通過(guò)聚合物溶膠路線在該支撐體上制備出分子篩膜。應(yīng)該注意的是在聚合物溶膠路線中，所制得的膜的孔徑是由無(wú)機(jī)聚合物的支化程度所決定的，如下圖，可以看出，低支化程度會(huì)導(dǎo)致更小的孔隙。人們利用相應(yīng)的硅醇鹽的酸性水解制備出了含有低支化團(tuán)簇的SiO₂聚合物溶膠，這些溶膠凝膠膜在氣體分離方面表現(xiàn)出高選擇透過(guò)性。

聚合物溶膠的支化對(duì)孔隙率的影響

因?yàn)槿苣z的顆粒尺寸非常小，并且是通過(guò)它們相應(yīng)的醇鹽的水解與凝結(jié)作用而制得的，所以醇鹽中金屬的局部電荷會(huì)影響到醇鹽的水解行為。過(guò)濾金屬如Ti或Zr在它們的醇鹽中所攜帶的局部電荷要高于正硅酸乙酯中Si所帶電荷。過(guò)濾金屬醇鹽的水解速率比硅醇鹽的水解速率快得多。另外，醇鹽中R配體的特性、初始醇鹽的齊聚反應(yīng)程度、水解過(guò)程金屬配位擴(kuò)展的可能性以及pH值都會(huì)對(duì)水解行為產(chǎn)生影響。溶膠在干燥過(guò)程中發(fā)生了凝膠化。經(jīng)過(guò)熱處理之后，制得了陶瓷過(guò)濾膜。

浸漬涂膜法

浸漬涂膜工藝最關(guān)鍵的因素是顆粒懸浮液的粘度和涂膜速度或時(shí)間。當(dāng)基體接觸到相對(duì)濕度低于100%的大氣時(shí)，干燥過(guò)程與浸漬涂膜則同時(shí)進(jìn)行。在一個(gè)多步驟的過(guò)程中，現(xiàn)將浸漬涂膜好的第一層進(jìn)行煅燒，然后又重復(fù)浸漬、干燥、煅燒的完整周期過(guò)程。例如，如果要獲得平均孔徑為100nm的氧化鋁膜層，則可以通過(guò)平均粒徑為500nm的亞微米氧化鋁粉體的懸浮液制得。

化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法是在一定的溫度條件下通過(guò)被氣體介質(zhì)包圍的組分之間所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)材料表面沉積一層相同或不同的化合物來(lái)修飾膜表面性能的工藝。下圖顯示了一個(gè)CVD系統(tǒng)，它包括了一個(gè)計(jì)量反應(yīng)氣體和運(yùn)載氣體混合物的系統(tǒng)、一個(gè)加熱反應(yīng)室以及一個(gè)廢氣處理系統(tǒng)。氣體混合物（一般由氫氣、氮?dú)饣蝠逇猓�以及反�?yīng)氣體如金屬鹵化物和碳?xì)浠�合物）被送進(jìn)一個(gè)加熱到目標(biāo)溫度的反應(yīng)室中。

陶瓷過(guò)濾膜的未來(lái)發(fā)展

未來(lái)陶瓷過(guò)濾膜領(lǐng)域的發(fā)展將集中在以下幾個(gè)方面：

（1）進(jìn)一步提高陶瓷過(guò)濾膜材料的分離精度及其分離穩(wěn)定性，使其在液體分離領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)納濾級(jí)別的連續(xù)高效運(yùn)行，在氣體分離領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)多組分氣體的高效分離；

（2）研制具有大孔徑及高孔隙率的耐高溫陶瓷分離膜材料，使其在資源的高效利用及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高溫氣固分離過(guò)程的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；

（3）實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)陶瓷過(guò)濾膜，結(jié)合構(gòu)建針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的膜材料的設(shè)計(jì)和制備方法，從而為陶瓷過(guò)濾膜在應(yīng)用過(guò)程中面臨的瓶頸問(wèn)題提供解決之道；

（4）研發(fā)制備能夠耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿耐腐蝕的膜材料，提高陶瓷過(guò)濾膜的分離穩(wěn)定性，拓展陶瓷過(guò)濾膜在工業(yè)中的使用范圍。

要發(fā)揮陶瓷過(guò)濾膜的優(yōu)勢(shì)，使其能夠?yàn)樯鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，就必須解決：（1）大通量陶瓷過(guò)濾膜支撐體的強(qiáng)度以及耐酸堿性問(wèn)題；（2）陶瓷過(guò)濾膜阻力過(guò)大，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高通量與高選擇性等問(wèn)題。