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陶瓷膜——央视《走近科学》里的先进技术

发布时间:2020-08-21 
  所谓隔行如隔山,可能生活中还有很多人对陶瓷的认识还停留在自家的马桶上,顶多再联想到淡雅的青花瓷来个雅俗共赏。然而,迄今为止,随着先进陶瓷的兴起,陶瓷已经演绎了很多种新角色,比如:陶瓷刀、防弹衣、汽车部件、核武器(核反应堆控制棒),甚至还会飞到天上去(飞机发动机),并且还会继续扮演很多未知的角色。
  陶瓷膜分离技术就是一项意义非凡的先进技术,尤其是对起步较晚,却走在世界前列的中国来说,需要更大的科研力量,投入来促进产业化的发展。
  概念及其原理
  陶瓷膜又称无机陶瓷膜,是以无机陶瓷材料(氧化铝、氧化锆等)及稀土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。
  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。
  看完以上对陶瓷膜的介绍,你会不会冒出一句“这不就是个筛子或是滤网吗”
  你想的还是太单纯了,其实,随着研究的不断深入,陶瓷膜不仅用以分离液体和固体,甚至可以用来分离气体,成为一种新气体分离技术。美国早在上个世纪就用陶瓷膜制备出了高纯氧气(99.9999%),这个不是简单地物理筛分,而是和电化学作用相结合的结果。央视《走近科学》栏目曾对这种分离技术进行了专题报道。
  国内外研究现状
  国外陶瓷膜的研究始于上世纪40年代,起初由军方掌握,属于军转民用产品,其制备技术已经趋于成熟,在上个世纪80年代,美国、日本、德国和法国相继出现商品化的陶瓷膜生产企业。像林德气体公司运用陶瓷膜分离气体的技术都已经非常成熟。美国甚至都已经将其运用到战场和太空中了。
  “九五”期间,在国家重点科技攻关项目,国家“863计划”,国家自然科学基金的大力支持下,以徐南平院士为首的科研小组展开了对陶瓷膜技术的研究,成为了中国陶瓷膜技术产业化的探索者。他从零开始,艰苦创业,开展了陶瓷膜工业生产、人才培养、行业标准制定和推广应用工作,经过十几年的努力,终于在中国形成了能够与国际先进技术相竞争的陶瓷膜应用技术。
  他们自主开发的陶瓷膜装备能够在化学反应存在的极端环境中,实现无清洗状况下3个月以上的连续稳定运行,这被认为是中国陶瓷膜装备能够在连续放大工业中应用的保证。
  此外,由于行业技术门槛较高,国内能够生产无机陶瓷膜及成套装备的企业数量很少,具备规模化生产能力且产品品质稳定的企业更是十分稀少,导致行业内产能和市场份额都集中在少数公司中。然而由于陶瓷膜作为一个新兴产品在我国的发展时间还比较短,所以下游应用的普及率还有待进一步提升。而且根据陶瓷膜的技术性能,还有很多领域等待开发,未来市场的潜在空间还很大
  陶瓷膜的优缺点
  优点:
  1、耐酸、耐碱、耐高温、耐有机溶剂。
  2、化学稳定性好,机械强度大。
  3、可反向冲洗。
  4、孔径分布窄,分离时无需相变,分离效率高。
  缺点:
  1、生产工艺复杂,烧结后产品性能差异化大。
  2、价格较高,一般是有机膜价格的数倍。
  3、产品脆性大。
  制备方法简述
  目前制备陶瓷膜的方法主要有溶胶/凝胶法、粒子烧结法、阳极氧化法,此外,制备陶瓷膜的方法还有很多,像流延法、原位合成法、原位制粒法等。
  陶瓷膜的应用
  1、废水处理
  陶瓷膜可以在苛刻的条件下进行长期稳定的分离操作,特别适合工业废水处理。目前陶瓷膜主要用于含油废水、化工及石化废水、造纸和纺织废水、生活污水及放射性废水的处理。
  2、除菌过滤
  陶瓷膜在食品工业中的应用主要是解决食品的质量问题。陶瓷膜用于牛奶、果酒、果汁、饮料、白酒、啤酒、饮用水等的除菌过滤,效果十分显著,其特别之处在于可以采用蒸气对整个设备进行消毒,使产品质量得到保证,对推动食品方面。
  3、气体分离
  采用独特的工艺和方法(涉及到电化学领域,对原料及工艺要求非常高),用陶瓷膜分离技术可以从空气中制得超高纯度的氧气、氢气等气体,且相比于变压吸附法,此方法分离气体更加彻底,纯度更高。
  4、燃料电池
  在固态燃料电池中,将陶瓷膜用作电解质,可以降低电池内阻,提高功率输出,从而在不需要高温的条件实现了中温化,操作温度降到500~700℃。这种新型燃料电池继承了高温固体氧化物燃料电池的优点,同时降低了成本。
  5、海水淡化
  由于陶瓷膜具有孔径分布窄,孔隙率高,稳定性高,而且单位膜面积处理量高,产水能力大,可以在海水中长期运行,可以做海水预处理。
  6、航空航天
  作为一种气体分离技术,可以应用到航空制氧及发电装备。

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