膜分離技術(shù)（膜濾法）是一種常見(jiàn)的分離和過(guò)濾技術(shù)，利用膜的孔隙結(jié)構(gòu)來(lái)分離物質(zhì)。膜是一種薄膜狀的材料，可以選擇性地阻止或允許特定大小或性質(zhì)的分子通過(guò)。根據(jù)制作材料的不同，過(guò)濾膜分為兩類：一類是以聚偏氟乙烯（PVDF）等高分子材料制成的有機(jī)膜；另一類是以無(wú)機(jī)材料為分離介質(zhì)制成的陶瓷膜、金屬膜等無(wú)機(jī)膜。有機(jī)膜由于材料的限制，使用一段時(shí)間后容易變形，從而導(dǎo)致膜孔徑變化，最終會(huì)導(dǎo)致透出液水質(zhì)不穩(wěn)定。而無(wú)機(jī)膜，尤其是以陶瓷膜為代表的無(wú)機(jī)膜，具備耐酸堿、耐高溫、耐有機(jī)溶劑、分離精度高、機(jī)械性能好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞。

陶瓷膜的結(jié)構(gòu)

陶瓷膜是利用氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、碳化硅等原料經(jīng)特殊工藝制備而成的具有特殊選擇性分離功能的高性能膜材料。

在陶瓷膜的微觀結(jié)構(gòu)上，陶瓷膜有對(duì)稱性和非對(duì)稱性兩種結(jié)構(gòu)，對(duì)稱性陶瓷膜物理結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向是一致的，在所有方向的孔隙率也相似。非對(duì)稱性陶瓷膜一般是由支撐體層、過(guò)渡層以及分離層構(gòu)成的“三明治”結(jié)構(gòu)，孔徑由支撐層到膜層逐漸減小，因此每層發(fā)揮的作用也不相同：

1、底部支撐體層：厚度一般在幾毫米左右，孔徑為1-20μm，滲透通量大，主要作用是作為支撐體，提高陶瓷膜整體的機(jī)械強(qiáng)度以及為反沖洗提供便利條件；

2、中間過(guò)渡層：厚度在10-100μm之間，孔徑為1-5μm，在制備時(shí)若將小粒徑的分離膜層直接涂覆于大孔徑的支撐體層上，容易滲入支撐體層，造成支撐體孔隙堵塞，因此，引入了過(guò)渡層，幫助膜層與支撐體層更好地結(jié)合；

3、膜分離層：為致密陶瓷薄膜，孔徑較小，一般為0.8nm-1μm，厚度在5-30μm之間，是控制陶瓷膜的過(guò)濾范圍、分離精度的關(guān)鍵部位。

這樣的結(jié)構(gòu)使得非對(duì)稱性陶瓷膜能夠利用膜分離層兼顧過(guò)濾精度的同時(shí)，相比對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，還能利用支撐體層的高滲透通量更輕松通過(guò)反沖技術(shù)清除膜表面膜孔內(nèi)的污物，降低膜堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中更受歡迎。

對(duì)稱性陶瓷膜（左）、非對(duì)稱性陶瓷膜結(jié)構(gòu)（右）

從陶瓷膜的整體構(gòu)型上來(lái)看，陶瓷膜有平板、管式2種構(gòu)型，這兩種構(gòu)型過(guò)濾原理不同，適用范圍也不同。

1、平板式陶瓷膜——高通量過(guò)濾

平板式陶瓷膜為中空平板結(jié)構(gòu)，具有很大的過(guò)濾面積，因此過(guò)濾通量也比較大。過(guò)濾時(shí)懸浮物被截留在膜片表面并逐漸形成濾餅層，可通過(guò)反沖將其去除，濾出液則通過(guò)中間孔通道并在膜片密封端被收集。由于平板式陶瓷膜的機(jī)械強(qiáng)度較低，比較適合固含量較少或已經(jīng)過(guò)預(yù)處理的高通量過(guò)濾。

平板式陶瓷膜過(guò)濾原理（來(lái)源：博鑫精陶）

2、管式陶瓷膜——高固含量原水過(guò)濾

管式陶瓷膜為管狀多通道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得管式陶瓷膜具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受較大的水流沖擊。管式陶瓷膜的應(yīng)用是基于“錯(cuò)流過(guò)濾”的原理：原水通過(guò)泵平行于陶瓷膜面流動(dòng)，由于壓力作用水流在陶瓷膜表面產(chǎn)生切向和法向的兩個(gè)分力，垂直于膜面的法向力使得小分子濾液經(jīng)過(guò)陶瓷膜上的微小孔隙濾出，平行于膜面的切向剪切力則把無(wú)法通過(guò)陶瓷膜孔隙的大分子截留物沖刷掉，使污染層保持在一個(gè)較薄的水平。基于這個(gè)原理，管式陶瓷膜的的濾餅層不易積累，能夠保持過(guò)濾的高效、連續(xù)運(yùn)行，但因過(guò)濾面積較小，過(guò)濾通量也較小，適合固液分離或高固含量原水的過(guò)濾。

管式陶瓷膜錯(cuò)流過(guò)濾的原理（來(lái)源：迪潔膜）

陶瓷膜制備

1、支撐體層的制備：

支撐體層典型的制備技術(shù)主要有擠壓成型、流延成型以及傳統(tǒng)的注漿法。針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的管式多通道陶瓷膜的支撐體層常采用擠壓成型技術(shù)或注漿法，其中擠壓成型技術(shù)較為成熟，制備的支撐體層具有較大的孔隙率、密度和耐壓強(qiáng)度，且孔徑分布集中，過(guò)濾通量較大，工業(yè)化生產(chǎn)陶瓷膜支撐體最常用的方法。注漿法采用模具制備，技術(shù)簡(jiǎn)單且靈活性很強(qiáng)，但成型形狀粗糙，注漿時(shí)間較長(zhǎng)，坯體密度、強(qiáng)度也不高，故很少用在工業(yè)生產(chǎn)中。

流延成型技術(shù)常用在平板陶瓷膜支撐體層的制備上，可連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，制成的坯體性能均一，非常適合大批量平板陶瓷膜的生產(chǎn)。

流延成型示意圖

2、過(guò)渡層的制備

過(guò)渡層的孔徑介于微濾膜范圍，常采用固態(tài)粒子燒結(jié)法，該技術(shù)是在大顆粒中摻雜小顆粒，利用細(xì)小顆粒容易燒結(jié)的特點(diǎn)，升至一定溫度使大顆粒間形成連接，其中理想情況為大顆粒間頸部粘接，留有大量貫通孔道，能夠制備出孔徑范圍在10nm一10μm的微濾膜。

但該方法在制膜過(guò)程中易出現(xiàn)漿料粒子團(tuán)聚、架橋等現(xiàn)象，因此使膜層表面很容易形成微裂紋、針孔等缺陷，所以在制備漿料過(guò)程中特別注意粉體粒子的分散性能。

3、膜分離層的制備：

膜分離層一般為超濾和納濾膜，通常采用溶膠－凝膠(Sol-gel)技術(shù)制備，采用金屬醇鹽作為前驅(qū)體，通過(guò)快速攪拌制備均勻穩(wěn)定的漿料涂覆于材料上，經(jīng)水解、縮合、陳化等反應(yīng)，形成凝膠。凝膠經(jīng)干燥、高溫?zé)Y(jié)陶瓷化，可以制備出2-20ｎｍ 的膜材料。溶膠凝膠工藝簡(jiǎn)單，合成溫度低，得到的產(chǎn)品純度高、化學(xué)組分均勻，制得的膜孔徑小且孔徑分布范圍窄，但薄膜與基體的附著力較差，對(duì)溶膠的配制和多孔金屬基體的要求很高。

溶膠凝膠法示意圖

此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，陽(yáng)極氧化法、化學(xué)氣相沉積法、磁控濺射法等多項(xiàng)工藝也在陶瓷膜分離層的制備上展現(xiàn)出廣闊的前景，并逐步在工業(yè)上取得應(yīng)用。

小結(jié)

陶瓷膜因其優(yōu)異的過(guò)濾精度、高機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及較長(zhǎng)的使用壽命而備受市場(chǎng)青睞，在陶瓷膜的制備工藝上，除了上述工藝，還逐漸發(fā)展出了層層涂覆共燒結(jié)法、一步成型燒結(jié)法等多項(xiàng)一步成型技術(shù)，極大降低了燒結(jié)能耗，大幅減少陶瓷膜的制備成本。

參考文獻(xiàn)

1、多孔陶瓷膜制備技術(shù)研究進(jìn)展，范益群，漆 虹，徐南平，南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所，材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2、無(wú)機(jī)陶瓷膜的制備，TFT，無(wú)機(jī)陶瓷膜

粉體圈 整理

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