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陶瓷膜有哪些种类呢?

2019/7/10 9:00:40 来源:水博网 作者: 阅读数:46次

陶瓷膜(ceramic membrane)又称无机陶瓷膜,是以无机陶瓷材料经特殊工艺制备而形成的非对称膜。陶瓷膜分为管式陶瓷膜和平板陶瓷膜两种。请注意,“CT膜”并非陶瓷膜的别名,该称谓实为非专业人士对陶瓷膜英文简称的一种错误表述。管式陶瓷膜管壁密布微孔,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,从而达到分离、浓缩、纯化和环保等目的。

平板陶瓷膜板面密布微孔,根据在一定的膜孔径范围内,渗透的物质分子直径不同则渗透率不同,以膜两侧的压力差为驱动力,膜为过滤介质,在一定压力作用下,当料液流过膜表面时,只允许水、无机盐、小分子物质透过膜,而阻止水中的悬浮物、胶和微生物等大分子物质通过。陶瓷膜具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、使用寿命长等众多优势,已经成功应用于食品、饮料、植(药)物深加工、生物医药、发酵、精细化工等众多领域,可用于工艺过程中的分离、澄清、纯化、浓缩、除菌、除盐等。

陶瓷膜分离工艺是一种“错流过滤”形式的流体分离过程: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。

陶瓷膜是由孔隙率30%~50%、孔径50nm~15μm的陶瓷载体,采用溶胶-凝胶法或其它工艺制作而成的非对称复合膜。用于分离的陶瓷膜的结构通常为三明治式的:支撑层(又称载体层)、过渡层(又称中间层)、膜层(又称分离层)。其中支撑层的孔径一般为1~20μm,孔隙率为30%~65%,其作用是增加膜的机械强度;中间层的孔径比支撑层的孔径小,其作用是防止膜层制备过程中颗粒向多孔支撑层的渗透,厚度约为20~60μm,孔隙率为30%~40%;膜层具有分离功能,孔径从0.8nm~1μm不等,厚度约为3~10μm,孔隙率40%~55%。整个膜的孔径分布由支撑层到膜层逐渐减小,形成不对称的结构分布。

 

多孔膜

多孔陶瓷膜的构型主要有平板、管式和多通道3种,其中平板膜主要用于小规模的工业生产和实验室研究。管式膜组合起来形成类似于列管换热器的形式,可增大膜装填而积,但由于其强度问题,已逐步退出工业应用。规模应用的陶瓷膜,通常采用多通道构型,即在一圆截面上分布着多个通道,一般通道数为7、19、37等。无机陶瓷膜的主要制备技术有:采用固态粒子烧结法制备载体及微滤膜、采用溶胶凝胶法制备超滤及纳滤膜、采用分相法制备玻璃膜、采用专门技术(如化学气相沉积、无电镀等)制备微孔膜或致密膜等,其基本理论涉及材料学科的胶体与表面化学、材料化学、固态离子学、材料加工等。

多孔陶瓷膜由于具有优异的耐高温、耐溶剂、耐酸碱性能和机械强度高、容易再生等优点,在食品、生物、化工、能源和环保领域应用广泛。某课题组主要对以氧化铝和特种烧结促进剂为起始原料,在1400℃的烧成温度下制备出的支撑体进行了系统和深入的研究,得到渗透性能、机械性能及耐腐性能统一的支撑体。他们还以原料性质预测支撑体的孔结构为目标,以支撑体的制备过程和微观结构为基础,建立了原料性质与支撑体孔隙率、孔径分布之间的计算方法,为特定孔结构支撑体的定量制备提供了理论依据。

 

过滤膜

2004年8月,由北京迈胜普技术有限公司与山东鲁抗医药有限公司研制的陶瓷膜过滤系统用于某种抗生素的分离提纯获得成功,这不仅优化了此种抗生素的生产工艺,而目使抗生素收率提高15%,这是中国首次将陶瓷膜技术运用于抗生素生产。抗生素的分离提纯,必须经过对发酵液的过滤和对滤出的药液进行树脂交换。许多抗生素生产企业对氨基糖苷类抗生素发酵液的分离提纯均采用真空转鼓过滤器,这种工艺需先将发酵液酸化调至一定的pH值,然后用敷设助滤剂层的真空转鼓过滤器进行预过滤,再用板框进行复滤及树脂交换。采用这种工艺不仅过程繁琐,而目有效成分收率低,仅过滤和树脂交换过程的收率损失达30%。

而运用“迈胜普”与“鲁抗”共同研制的陶瓷膜过滤系统分离提纯某种抗生素,却能使有效成分在过滤过程的收失损提高近5%,在树脂交换过程中的收率提高10%以上。西方发达国家在食品工业、石油化工、环境保护、生化制药等许多领域对膜技术的应用越来越广泛,而用无机材料制成的过滤膜的发展前景有可能比有机过滤膜更好。对于面临抗生素政策性降价和抗菌药限售双重压力的众多抗生素生产企业而言,通过创新工艺提高产品收率和质量不失为降低成本的明智选择,而以陶瓷膜技术改进现行抗生素分离提纯工艺有可能成为降成本、提高效益的突破口。

 

包装膜

在食品包装领域,引人注目的是具有高功能性和良好环保适应性的透明镀陶瓷膜。这种膜尽管价格较高,物理性能还有待进一步改进,但可预期在不远的将来它将在食品包装材料中占据重要的地位。陶瓷膜的加工镀膜方法与通常的镀金属方法相似,基本上按己知的加工法进行。镀陶瓷膜由PET(12μm)陶瓷(SiOx)组成。氧化硅能分成4类,即SiO、Si₃O₄、Si₂O₃、SiO₂。然而,在自然界它们通常以SiO₂形式存在,因此根据镀金属条件,它们的变化很大。对这种膜的主要要求是具有良好的透明度、极佳的阻隔性、优良的耐蒸煮性、较好的可透过微波性与良好的环境保护性以及良好的机械性能。

镀陶瓷膜基本上可以用制作镀铝膜一样的条件制取,在制取过程中,仔细处理表面层,不使镀层受到损伤是极其重要的。由于这种膜是由氧化硅处理的,表面具有极好的润湿性,因此,它在油墨或粘合剂的选择范围上比较广,几乎与任何油墨或粘合剂都能亲和。聚氨酯类粘合剂是最可取的粘合剂,而油墨可以按用途任意选择,不用进行表面处理。然而,镀陶瓷膜像镀铝膜那样容易向聚乙烯复合,因为PET膜作为基材料,当其氧化硅表而直接熔融聚乙烯高温涂布或复合时,易趋向于伸长,从而破坏氧化硅表面层,导致阻隔性下降。同时,由于技术工艺上的问题,PET膜在镀陶瓷过程中有时会发生卷曲,从而影响膜的质量。当然,这类问题正得到解决。

镀陶瓷膜首先用作细条实心面的调味品包装材料。其优良的包装性能引起了人们的注意。由于这种膜保味性极佳,因此,尤其适合于包装易升华产品,如茶(樟脑)之类的易挥发材质。由于其极好的阻隔性,除了作为高阻隔性包装材料和作食品包装材料用外、预计还可用在微波容器上作为盖材,在调味品、精密机械零配件、电子零件、药物和医药仪器等方而作为包装材料。随着加工技术的进一步发展,如果这种膜在成本上大幅下降,那么它将得到迅速推广和应用。

 

电池膜

“863”计划固体氧化物燃料电池(SOFC)项目经过对新型中温固体氧化物陶瓷膜燃料电池的长期研制,把陶瓷膜制备技术开拓应用于SOFC的制作,把通常SOFC的高温(1000~900℃)拓延到中温阶段(700~500℃)。中国科技大学无机膜研究所已经研制成功的新型中温陶瓷膜燃料电池,是一种以陶瓷膜作为电解质的燃料电池。电池部件薄膜化以后,降低了电池的内阻,提高了有用功率的输出,不需要高温的条件下实现了中温化,操作温度降到700~500℃。这种新型燃料电池继承了高温SOFC的优点,同时降低了成本。此类陶瓷膜燃料电池具有广阔的应用前景。

 

隔热膜

2004年8月,基于金属膜对无线电信号的干扰和容易氧化等缺点,中国韶华科技公司携手德国某著名工业研究机构共同开发融入纳米蜂窝陶瓷技术,并将韶华科技独有的真空溅射技术用于陶瓷隔热膜的生产上,创造了独一无二的琥珀陶瓷隔热膜,解决了金属膜无法逾越的技术问题。对无线电信号无任何干扰,特别是卫星的短波信号,绝不氧化,因为陶瓷超乎寻常的稳定性,从而保证隔热性能始终如一。

永不褪色,陶瓷隔热膜采用陶瓷固有的颜色,不添加任何颜料,囚此,陶瓷隔热膜绝不会像染色金属会发生褪色现象。超级耐用,陶瓷隔热膜保质期为10年,金属膜一般为5年。经典美感,象琉泊一样的晶莹剔透的美感,色泽柔和,拥有最舒适的视觉效果。琥珀纳米陶瓷隔热膜最先应用于美国的航天飞机和国际空间站,而后广泛应用于汽车、建筑、海事等各个领域。由于技术敏感,直到2003年该产品才在中国销售。