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这种陶瓷材料市场极大,竟还涉及核工业!


来源:中国粉体网   漫道

[导读]  陶瓷膜也被称为无机陶瓷膜,是以氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)和氧化钛(TiO2)等粉体为原材料,采用特殊工艺制备而形成的非对称膜。90年代,无机膜研究进入以气体分离运用为主和无机膜分离器—反应器组合构件的阶段,给传统的化学工业、石油化工、生物化工等领域带来革命性的变化。

中国粉体网讯  在第二次世界大战时期,欧美等国家为了获得核裂变所需要的原料铀235,要从天然铀矿中以UF6的形式提取出来。

 

由于UF6是可以气化的,人们利用气体扩散分离技术,采用平均孔径约为6~40nm的多孔陶瓷过滤膜235U从天然的铀元素中分离和富集到3%。这是人类历史上首次采用多孔陶瓷过滤膜实现工业规模的气体混合物分离的实例,史称曼哈顿原子弹计划。

 

通过这一计划,也引出了本文要介绍的主角——陶瓷过滤膜。

 

陶瓷膜也被称为无机陶瓷膜,是以氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)和氧化钛(TiO2)等粉体为原材料,采用特殊工艺制备而形成的非对称膜。

 

上个世纪80年代,陶瓷过滤膜分离技术作为一项精密的过滤分离技术开始转向民用领域,被用来取代蒸发、离心、板框过滤等传统分离技术。

 

90年代,无机膜研究进入以气体分离运用为主和无机膜分离器—反应器组合构件的阶段,给传统的化学工业、石油化工、生物化工等领域带来革命性的变化。

 

陶瓷膜的特点

 

陶瓷膜既能涉及核工业,还号称给化学工业带来革命性变化,它有什么优异之处能够有这么大的能量呢?接下来就简单了解下它。

 

陶瓷膜的特点:

(1)热稳定性好,在400℃一1000℃的高温下使用时,仍能保持其性

能不变,这使采用膜分离技术进行高温气体的净化具有了可能性;

 

(2)化学性质稳定,能耐有机溶剂、氯化物和强酸溶液,并且不被微生物降解;

 

(3)具有较大的机械强度,能在很大压力梯度下操作,因为其机械性能好,在任何溶剂中不溶胀,能经受固体颗粒的磨损。

 

(4)清洗方便,由于陶瓷膜的高耐腐蚀性,可以用酸溶解固体堵塞物,用碱液清洗油性沉积物;

 

(5)膜的使用寿命长,经过多次的高温清洗仍能保持分离性能不变,它一般比有机膜的使用寿命长3—5倍;

 

(6)抗微生物能力强,不与微生物发生作用,可在生物工程及医学科学领域中应用;

 

(7)孔径分布窄,分离效率高,容易控制孔径大小和尺寸分布,从而有效地控制分离组分的透过率和选择性。

 

陶瓷膜的制备

 

陶瓷膜相关技术的关键是陶瓷膜的制备,根据制备膜的材料、膜及其载体的结构、孔径大小、气孔率和膜的厚度不同,有着不同的制备方法。归纳起来主要有:

 

固态粒子烧结法

 

固态粒子烧结法是一种较常见的无机陶瓷膜制备方法,烧结流程如下,  




相对而言,在陶瓷微滤膜的诸多制备方法中粒子烧结法最为成熟,较适合制备孔径范围在10nm一10μm的大面积的微滤或超滤陶瓷膜。该法已成功开发出商品氧化铝微滤膜、碳化硅微滤膜和氧化锆微滤膜。


 

溶胶一凝胶法

 

该法是目前合成无机膜的一种重要方法,主要用于制备超滤膜和微滤膜。根据起始原料和得到溶胶方法的不同,溶胶一凝胶法又可分为胶体凝胶法和聚合凝胶法。

 

(1)胶体路线,金属盐与水混合形成溶胶,涂覆在膜支撑体上,从而形成胶态凝胶。

 

(2)聚合物路线,有机金属前驱体与有机溶剂混合形成溶胶,然后涂覆在膜支撑体上,从而形成聚合物凝胶。

 

与其它制备方法相比,溶胶一凝胶法由于是在室温附近进行的一系列湿化学反应,制备过程温度低,工艺易于控制,只要条件控制得当,即可得到窄孔径分布和气孔率高的膜。

 

浸渍涂膜法

 

浸渍涂膜工艺最关键的因素是颗粒悬浮液的粘度和涂膜速度或时间。当基体接触到相对湿度低于100%的大气时,干燥过程与浸渍涂膜则同时进行。在一个多步骤的过程中,先将浸渍涂膜好的第一层进行煅烧,然后又重复浸渍、干燥、煅烧的完整周期过程。

 

下图为浸渍涂膜工艺的简单示意图。


 


化学气相沉积法

 

化学气相沉积是在一定的温度条件下通过被气体介质包围的组分之间所发生的化学反应在材料表面沉积一层相同或不同的化合物来修饰膜表面性能的工艺。

 

化学气相沉积法具有成膜厚度均匀,孔径大小及分布窄,孔径大小可控制,膜与基体结合强度高等特点。化学气相沉积技术已在半导体集成电路的制造等领域得到广泛的应用。

 

但此技术还存在着设备装置和工艺复杂,反应条件流程不易控制等缺点。

 

 

除了上述方法之外,还有一些其他制备方法,如阳极氧化法、原位合成法、静电成型法、水热晶化法及晶粒二次生长法等制备方法。

 

陶瓷膜的应用及市场分析

 

数据显示,仅计算包含市场流通的单陶瓷膜材料,我国陶瓷膜材料的市场规模从2014年的1.28亿元上升到2018年的2.03亿元。




2014-2019年中国陶瓷膜材料市场规模增长统计

 

而陶瓷膜系统集成市场规模从2014年的5.56亿元上升到2018年的8.52亿元。




2014-2019年中国陶瓷膜系统集成市场规模增长统计

 

可以看出,陶瓷膜发展前景广阔,在食品工业、生物化工、制药工业、化学工业、能源工业、环境工程等多种领域都得到了广泛的应用。

 

在液体处理领域的应用

 

(1)污水处理

作为一类新型的膜分离材料无机分离膜比有机分离膜更具优点,在水处理方面的应用是陶瓷微滤膜的环境工程领域中的一个重要应用。

 

(2)中药萃取

陶瓷滤膜在医药用水的过滤和中药的精制上取得了良好的效果,为中成药工业的技术革新提供了一条全新的、切实可行的途径。

 

(3)饮料除菌

无机陶瓷滤膜过滤技术首先应用在牛奶、果酒过滤分离上,可脱除低脂牛奶中的细菌,效率达99.6%。

 

在气体处理领域的应用

 

无机膜在气体处理领域主要有三方面的应用:气体的净化、气体的分离、气体的合成。

(1)气体的净化

日本旭硝子公司开发的多孔质荃青石陶瓷过滤器,应用于气体除尘,对粒径为0.3—0.7μm的粉尘,效率为95%;对0.7—3μm的粉尘,效率为99.5%。

 

(2)气体分离

美国能源技术中心采用一种特殊的物质浸渍到陶瓷膜的多孔结构中,制成的无机膜,可用于煤气化过程中的高温脱硫。

 

(3)气体合成

Eltron公司开发的陶瓷膜反应器,能把湿的天然气转化为合成气。其单程产率为90%,能节约40%的生产费用。

 

 

可以看出,陶瓷膜应用极其广泛,尤其在分离、净化领域有着其他材料无法匹敌的优质性能。可以预见,陶瓷膜市场将逐步增长,未来市场规模将进一步扩大。

 

如下表所示,2014年全球陶瓷膜产量为39.7万平方米,至2018年产量增至46.7万平方米,同比上年增长9.2%。



2014-2019年全球陶瓷膜行业产量增长统计

 

陶瓷膜的优质性能决定着其应用市场的广泛,实际上,陶瓷膜的市场规模尚未得到彻底释放,仍有很大的发展空间。

 

参考来源

吴鲁.一种非对称陶瓷过滤膜的制备

秦伍.氧化铝陶瓷微滤膜的一步法制备技术

张超等.无机陶瓷膜技术优势及市场分析

立鼎产业研究中心

前沿产业研究院

 

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