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一文认识陶瓷纳滤膜制备方法及应用

来源:粉体圈作者: 李波涛 浏览数:107 
文章附图

陶瓷纳滤膜以其独特的热稳定性和化学稳定性,耐有机溶剂,消毒、再生、反向冲洗均极为方便等性能,广泛应用于石油和化学工业、医药、冶金等涉及苛刻体系的过程工业领域,目前已成为膜领域发展最迅速、最具有应用前景的膜材料之一。下面小编就陶瓷纳滤膜制备方法及应用进行简要介绍。

一、陶瓷纳滤膜概述
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纳滤技术

纳滤技术是介于超滤与反渗透之间的一种新型压力驱动型分离技术,不仅能通过筛分作用有效分离相对分子质量在200~1000的物质,也可通过静电作用产生Donnan效应,对二价及高价离子有较高的去除率。

纳滤技术示意图

近年来,纳滤技术已在石油化工、食品加工、废水处理、医药技术及能源等行业过程中逐渐占据重要地位,是实现可持续发展的共性技术。

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陶瓷纳滤膜

纳滤膜材料是纳滤技术的关键核心。陶瓷纳滤膜具有优异的热稳定性、化学稳定性、机械强度高、耐酸碱及微生物侵蚀、耐氯和其它氧化性物质、抗污染等优点,目前已成为膜领域发展最迅速、最具有应用前景的膜材料之一。

陶瓷纳滤膜根据顶层膜材料划分为:

单组分陶瓷纳滤膜材料:SiO2、γ-Al2O3、TiO2、ZrO2、HfO2等。

复合陶瓷纳滤膜材料:SiO2-ZrO2、TiO2-ZrO2、Y2O3-ZrO2等。

陶瓷纳滤膜性能特点

名 称

性能特点

耐高温性

使用温度可达400℃

化学稳定性好

能耐强酸强碱(pH<1,pH>14)、耐有机溶剂

机械强度高

陶瓷纳滤膜的结构通常采用非对称膜形式,由载体层、过渡层和纳滤膜层组成,其机械强度远高于有机膜。

抗微生物能力强

使用过程中一般不与微生物发生作用,可进行原位蒸汽消毒。

孔径

孔径分布范围窄、分离效率高

抗污染性

易清洗,再生性能好,使用寿命长。

二、陶瓷纳滤膜制备方法

陶瓷纳滤膜的制备技术主要有溶胶-凝胶技术和修饰技术。

1
溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法可有效调节陶瓷膜孔径,是制备陶瓷纳滤膜的常用技术。溶胶-凝胶法主要分为:聚合溶胶法、颗粒溶胶法。

溶胶-凝胶技术优点是:具有反应均匀、精确可控且操作相对简单等,特别适用于大规模工业化生产。

陶瓷纳滤膜结构

(1)聚合溶胶法

聚合溶胶法是目前制备陶瓷纳滤膜最常用的技术路线,较易实现孔径小于2nm的陶瓷微孔膜的制备。聚合溶胶法制备陶瓷膜分离孔径由聚合物进一步水解、缩聚后,高度枝化的簇枝间相互堆叠所形成的网络结构的尺寸所决定。该方法关键是加入少量水并严格控制醇盐的水解及缩聚反应相对速率,使形成的溶胶体系中具有大量部分水解及缩聚的低支簇状聚合物。

陶瓷纳滤膜(TiO2-ZrO2

目前,国内外多所研究院校采用聚合溶胶法实现了陶瓷纳滤膜的制备,包括SiO2、γ-Al2O3、TiO2、ZrO2等单组分材料及Y2O3-ZrO2、TiO2-ZrO2等复合材料,所制备的纳滤膜截留相对分子质量在200~1000,甚至可用于渗透汽化及气体分离领域。

不同材质陶瓷纳滤膜性能比较

(2)颗粒溶胶法

颗粒溶胶法是通过对水解沉淀物进行物理解胶,从而形成具有稳定分散颗粒的溶胶的过程。采用该方法制备的材料主要是通过颗粒间堆积以形成分离孔,其难点在于获得粒径小于10nm的溶胶颗粒及控制材料堆积孔径在热处理工艺中小于2nm。

颗粒溶胶法和聚合凝胶法的区别在于前体的水解程度不同,聚合凝胶法的前体是部分水解的,而颗粒溶胶法的前体是完全水解的。

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修饰技术

修饰技术主要包括薄膜沉积技术(如化学气相沉积技术、原子层沉积技术等)及表面接枝技术等,其制备原理及方法为陶瓷纳滤膜的研制提供了新的途径及思路。

(1)化学气相沉积技术(CVD)

化学气相沉积技术是以金属-有机化合物前体为原料,借助分子水平上的气相化学反应在多孔基底表面进行分离层材料沉积的,目前,CVD技术已被用于陶瓷纳滤膜的制备。

化学气相沉积技术优点是:可有效调控孔结构,还可在减小陶瓷纳滤膜孔径的同时,修复陶瓷纳滤膜表面的缺陷。

(2)原子层沉积技术

原子层沉积技术是一种新兴的自限气相薄膜沉积技术,适合各种分离精度陶瓷膜的制备。目前,原子层沉积技术已实现SiO2、TiO2及Al2O3纳滤膜的制备。

原子层沉积设备系统

原子层沉积技术优点是:可精确调控膜层厚度在埃级或单分子层水平,其自限特性可严格控制每步沉积,使每步周期内均反应完全且无表面遗漏,因此制备的薄膜材料均匀平整、连续且无缺陷。

三、陶瓷纳滤膜应用
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化工领域

(1)在石油化工领域应用于催化剂回收。

在石化和化工生产中,催化剂的应用非常广泛,反应后一般需要对产物和催化剂进行分离。陶瓷纳滤膜具有良好的耐热、耐化学溶剂和较好的机械强度,在催化反应固液分离中采用错流过滤方式,具有耐高温、耐酸碱、耐溶剂等材料优势,与反应器耦合,可充分提高反应器的效率,分离精度高,可分离纳米级催化剂。

陶瓷纳滤膜应用于石油化工领域催化剂回收

(2)在氯碱化工领域应用于盐水精制

陶瓷纳滤膜具有耐污染性、寿命长等优异性能,广泛应用于氯碱化工领域。采用高效的“错流”过滤方式,有着其它精制及过滤技术难以达到效果和优势。

陶瓷纳滤膜应用于盐水精制

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医药精细分离

陶瓷材料复合纳滤膜与传统有机膜相比,具有分离精度高、滤液质量有保证、可维持高通量过滤、产品收率高、废水量少、清洗频率少、无需添加助剂等独特优势,可实现目标产品的脱盐和预浓缩,已成功应用于谷氨酸、柠檬酸、衣康酸、维生素C等生物企业。

陶瓷复合纳滤膜应用于医药精细分离

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环保水处理

以陶瓷膜+有机膜为核心的集成工艺,广泛适用于:含油废水处理、冶金废水处理、化工废水治理、造纸废水治理、大型纯水及超纯水制备、电厂浓盐水零排放等。

陶瓷膜应用于污水处理

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气体净化

以陶瓷纳滤膜为核心的集成工艺处理技术,具有分离精度高、流程短、耐酸碱、耐高温、耐污染等独特优势,广泛应用于工业烟气脱硫、高炉固气分离、汽车尾气处理等。

陶瓷纳滤膜应用于汽车尾气处理

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新材料领域

陶瓷纳滤膜能有效脱除浆料中的杂质离子,高效制备超细超纯纳米粉体,目前,已应用于纳米催化剂、超纯有色金属等纳米粉体的纯化。也可用于锂电池、石墨烯等材料纳米颗粒的纯化过程,可使生产过程中的杂质成分及时脱除,利于产品成品率的提高。

参考文献:

1、漆虹,李世大,江晓骆等,TiO2纳滤膜的制备及其离子截留性能。

2、李祥,张忠国,任晓晶等,纳滤膜材料研究进展。

3、范益群,漆虹,徐南平,多孔陶瓷膜制备技术研究进展。

4、蔡媛媛,颗粒溶胶路线制备TiO2纳滤膜研究。