2015年,碧菲分離膜(大連)有限公司開(kāi)始將碧菲分離技術(shù)引入中國(guó),成為美國(guó)碧菲科技集團(tuán)在中國(guó)的制造中心。
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技術(shù)優(yōu)享丨陶瓷膜的原理及應(yīng)用

 二維碼
發(fā)表時(shí)間:2022-08-08 15:04

陶瓷膜(ceramic membrane)又稱無(wú)機(jī)陶瓷膜,是以無(wú)機(jī)陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制備而形成的非對(duì)稱膜。陶瓷膜分為管式陶瓷膜和平板陶瓷膜兩種。請(qǐng)注意,"CT膜"并非陶瓷膜的別名,該稱謂實(shí)為非專業(yè)人士對(duì)陶瓷膜英文簡(jiǎn)稱的一種錯(cuò)誤表述。管式陶瓷膜管壁密布微孔,在壓力作用下,原料液在膜管內(nèi)或膜外側(cè)流動(dòng),小分子物質(zhì)(或液體)透過(guò)膜,大分子物質(zhì)(或固體)被膜截留,從而達(dá)到分離、濃縮、純化和環(huán)保等目的。平板陶瓷膜板面密布微孔,根據(jù)在一定的膜孔徑范圍內(nèi),滲透的物質(zhì)分子直徑不同則滲透率不同,以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力,膜為過(guò)濾介質(zhì),在一定壓力作用下,當(dāng)料液流過(guò)膜表面時(shí),只允許水、無(wú)機(jī)鹽、小分子物質(zhì)透過(guò)膜,而阻止水中的懸浮物、膠和微生物等大分子物質(zhì)通過(guò)。陶瓷膜具有分離效率高、效果穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐有機(jī)溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、機(jī)械強(qiáng)度高、再生性能好、分離過(guò)程簡(jiǎn)單、能耗低、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)等眾多優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成功應(yīng)用于食品、飲料、植(藥)物深加工、生物醫(yī)藥、發(fā)酵、精細(xì)化工等眾多領(lǐng)域,可用于工藝過(guò)程中的分離、澄清、純化、濃縮、除菌、除鹽等。


結(jié)構(gòu)

陶瓷膜是無(wú)機(jī)膜中的一種,屬于膜分離技術(shù)中的固體膜材料,主要以不同規(guī)格的氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦和氧化硅等無(wú)機(jī)陶瓷材料作為支撐體,經(jīng)表面涂膜、高溫?zé)贫?。商品化的陶瓷膜通常具有三層結(jié)構(gòu)(多孔支撐層、過(guò)渡層及分離層),呈非對(duì)稱分布,其孔徑規(guī)格為0.8nm~1μm不等,過(guò)濾精度涵蓋微濾、超濾、納濾級(jí)別

根據(jù)支撐體的不同,陶瓷膜的構(gòu)型可分為平板、管式、多通道三種。陶瓷膜由于耐酸堿、耐高溫和在極端環(huán)境下的化學(xué)穩(wěn)定性,又由于商品化的陶瓷膜孔徑較小(通常小于0.2μm),可以成功地實(shí)現(xiàn)分子級(jí)過(guò)濾,因此其主要用于對(duì)液態(tài)、氣態(tài)混合物進(jìn)行過(guò)濾分離,可以取代傳統(tǒng)的離心、蒸發(fā)、精餾、過(guò)濾等分離技術(shù),達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目標(biāo),在石油和化學(xué)工業(yè)等苛刻環(huán)境中具有廣泛的應(yīng)用前景。


特性

相較于傳統(tǒng)聚合物分離膜材料,陶瓷膜具有化學(xué)穩(wěn)定性好,能耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑;機(jī)械強(qiáng)度大,可反向沖洗;抗微生物能力強(qiáng);耐高溫;孔徑分布窄、分離效率高等優(yōu)點(diǎn),在食品工業(yè)、生物工程、環(huán)境工程、化學(xué)工業(yè)、石油化工、冶金工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,其市場(chǎng)銷售額以30%的年增長(zhǎng)率發(fā)展著。陶瓷膜的不足之處在于造價(jià)較高、無(wú)機(jī)材料脆性大、彈性小、給膜的成型加工及組件裝備帶來(lái)一定的困難等。


陶瓷膜分離工藝是一種"錯(cuò)流過(guò)濾"形式的流體分離過(guò)程:原料液在膜管內(nèi)高速流動(dòng),在壓力驅(qū)動(dòng)下含小分子組分的澄清滲透液沿與之垂直方向向外透過(guò)膜,含大分子組分的混濁濃縮液被膜截留,從而使流體達(dá)到分離、濃縮、純化的目的。

陶瓷膜是由孔隙率30%~50%、孔徑50nm~15μm的陶瓷載體,采用溶膠-凝膠法或其它工藝制作而成的非對(duì)稱復(fù)合膜。用于分離的陶瓷膜的結(jié)構(gòu)通常為三明治式的:支撐層(又稱載體層)、過(guò)渡層(又稱中間層)、膜層(又稱分離層)。其中支撐層的孔徑一般為1~20μm,孔隙率為30%~65%,其作用是增加膜的機(jī)械強(qiáng)度;中間層的孔徑比支撐層的孔徑小,其作用是防

止膜層制備過(guò)程中顆粒向多孔支撐層的滲透,厚度約為20~60μm,孔隙率為30%~40%;膜層具有分離功能,孔徑從0.8nm~1μm不等,厚度約為3~10μm,孔隙率為40%~55%。整個(gè)膜的孔徑分布由支撐層到膜層逐漸減小,形成不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)分布。

陶瓷膜根據(jù)孔徑可分為微濾(孔徑大于50nm)、超濾(孔徑2~50nm)、納濾(孔徑小于2nm)等種類。進(jìn)行分離時(shí),在外力的作用下,小分子物質(zhì)透過(guò)膜,大分子物質(zhì)被膜截留,從而達(dá)到分離、濃縮、純化、去雜、除菌等目的。

應(yīng)用

陶瓷膜的研究始于20世紀(jì)40年代,其發(fā)展可分為3個(gè)階段:用于鈾的同位素分離的核工業(yè)時(shí)期,以無(wú)機(jī)微濾膜和超濾膜為主的液分離時(shí)期,以及以膜催化反應(yīng)為核心的全面發(fā)展的時(shí)期。20世紀(jì)80年代初期成功地在法國(guó)的奶業(yè)和飲料(葡萄酒、啤酒、蘋果酒)業(yè)推廣應(yīng)用后,陶瓷膜分離技術(shù)和產(chǎn)業(yè)地位逐步確立,應(yīng)用也已拓展至食品工業(yè)、生物工程、環(huán)境工程、化學(xué)工程、石油化工、冶金工業(yè)等領(lǐng)域,成為苛刻條件下精密過(guò)濾分離的重要新技術(shù)。1998年網(wǎng)上公布的膜和膜設(shè)備生產(chǎn)廠家及經(jīng)營(yíng)公司達(dá)452家,其中金屬膜廠50家,陶瓷膜生產(chǎn)廠94家。

因開(kāi)發(fā)時(shí)期較晚且成本高昂,無(wú)機(jī)分離膜領(lǐng)域所占的市場(chǎng)份額還比較小,1997年美國(guó)無(wú)機(jī)膜市場(chǎng)銷售額為1億美元,其中陶瓷膜占80%左右,僅占膜市場(chǎng)的9%。另?yè)?jù)估計(jì),2004年世界陶瓷膜的市場(chǎng)銷售額約超過(guò)100億美元,無(wú)機(jī)膜的市場(chǎng)占有率占12%。由于陶瓷膜在精密過(guò)濾分離中的成功應(yīng)用,其市場(chǎng)銷售額以30%的年增長(zhǎng)率發(fā)展。

我國(guó)無(wú)機(jī)膜的研究始于20世紀(jì)80年代末,通過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金以及各部委的支持,以南京工業(yè)大學(xué)為代表的陶瓷膜研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制備出無(wú)機(jī)微濾膜及超濾膜等,反應(yīng)用膜以及微孔膜也正在開(kāi)發(fā)中。進(jìn)入90年代,原國(guó)家科委(現(xiàn)科學(xué)技術(shù)部)對(duì)無(wú)機(jī)陶瓷膜的工業(yè)化技術(shù)組織了科技攻關(guān),推進(jìn)了陶瓷微濾膜的工業(yè)化進(jìn)程。國(guó)家"863"計(jì)劃也將"無(wú)機(jī)分離催化膜"項(xiàng)目列入其中。截至20世紀(jì)初,我國(guó)已初步實(shí)現(xiàn)了多通道陶瓷濾膜的工業(yè)化生產(chǎn),并在相關(guān)的工業(yè)過(guò)程中獲得了成功的應(yīng)用。2002年第七屆國(guó)際無(wú)機(jī)膜大會(huì)在中國(guó)召開(kāi),標(biāo)志著我國(guó)的無(wú)機(jī)膜研究與工業(yè)化工作已進(jìn)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,我國(guó)的無(wú)機(jī)陶瓷膜行業(yè)已經(jīng)具備世界領(lǐng)先的技術(shù),行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)的技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)品品質(zhì)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際一流的水平。行業(yè)內(nèi)企業(yè)從無(wú)到有,企業(yè)產(chǎn)值也從起初的百萬(wàn)元已經(jīng)發(fā)展到數(shù)億元的規(guī)模,2010-2012年國(guó)內(nèi)無(wú)機(jī)陶瓷膜成套裝備安裝面積合計(jì)約為12萬(wàn)平方米。據(jù)測(cè)算,2012年全年,我國(guó)的無(wú)機(jī)陶瓷膜及成套裝備的市場(chǎng)總量約為5~6億元人民幣規(guī)模,其中國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的市場(chǎng)份額約為70%,已經(jīng)在生物發(fā)酵、食品飲料、化工和水處理領(lǐng)域的應(yīng)用具備一定的規(guī)模。


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