陶瓷膜以耐高溫、耐高壓和耐腐蝕等性能在很多苛刻的應用體系中顯示出獨特的優勢，在石油化工、食品、醫藥、環境、能源和冶金等領域已成為膜領域發展最為迅速、最有發展前景的品種之一。由于傳統的氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦等陶瓷膜材料在產業化應用中，高成本和種類偏少限制了其進一步拓展應用領域。因此，開發新的、廉價的陶瓷膜材料對于陶瓷膜技術的應用和推廣具有重要意義。

對新型陶瓷膜材料的研究，目前主要集中在2方面。人工合成陶瓷膜材料：主要有碳化硅、莫來石、堇青石、石墨烯和陶瓷纖維等。天然陶瓷膜材料：主要有天然沸石、粉煤灰、高嶺土和凹凸棒土等。

圖1  陶瓷膜工作示意圖

一、人工合成陶瓷膜材料

1、 碳化硅

碳化硅具有強度高、導熱率高、耐腐蝕和抗氧化等優點，在苛刻的條件下可以保持良好的熱穩定性和化學穩定性，并且價格低廉，是開發陶瓷膜材料的選擇之一。SiC陶瓷膜制備方法主要有擠出成型法和流延成型法。

圖2  SiC陶瓷膜

擠出成型法是以SiC為骨料，制成管狀碳化硅支撐體，平均孔徑為2.43μm，孔隙率為43.4%，氣體通量達到788.2m³/m².h.bar，抗彎強度達到22.8MPa。

流延成型工藝制備復合碳化硅陶瓷過濾膜，在1300℃燒結下制備出結構均勻、表面平整、孔徑范圍在4.017～11.916μm的碳化硅陶瓷膜。

SiC陶瓷膜優點是：相比于傳統陶瓷膜材料，碳化硅燒結溫度較低，機械強度高，在高溫高壓體系中具有廣闊的應用前景。

2、莫來石

莫來石是Al₂O₃-SiO₂系中唯一穩定存在的二元結晶相化合物，可以通過硅酸鋁 的熱分解或者二氧化硅與氧化鋁的高溫反應制備，由于其具有耐酸堿、低熱膨脹系數和高熔點等性能，越來越受到人們的關注。

圖3  莫來石陶瓷膜

研究者以硝酸鋁和碳酸氫銨通過沉淀法使氧化鋁粉體表面均勻地包裹1層碳酸鋁銨超細粉體，在1550℃下燒結可以獲得性能優異的莫來石－剛玉陶瓷膜支撐體，平均孔徑為9.87μm，孔隙率為40.21%，純水通量達到22.211 m³/m².h.bar，機械強度為3.4 MPa。

莫來石陶瓷膜優點是：相比于傳統陶瓷膜材料，以莫來石制備的陶瓷膜孔隙率較高，耐強堿性更強。

3、堇青石

堇青石的理論化學組成為2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂，屬于六方晶系、六元環狀硅酸鹽晶體，因其具有低的熱膨脹系數和較高的分解溫度，再加上生產成本低、產量大等優勢，在開發陶瓷膜材料方面越來越受到人們的關注。

擠壓成型法制備堇青石陶瓷膜是以工業級的堇青石為原料，制備得到性能優異的堇青石管式支撐體陶瓷膜，燒結溫度在1380℃ 時可以制得平均孔徑為8.66μm，開孔率為36.2%，氮氣通量為1.45×10⁴ m³/m².h.bar，熱膨脹系數為4.34×10^-6。

圖4  堇青石陶瓷膜

與氧化鋁陶瓷膜相比，堇青石陶瓷膜具有更好的耐強堿腐蝕性能，燒結溫度更低，可以有效的降低制備成本。

4、陶瓷纖維

陶瓷纖維不僅具有陶瓷材料固有的耐高溫、化學穩定性好、使用壽命長等特點，還兼具了纖維材料的高孔隙率、高比表面積等優點，陶瓷纖維在制膜過程中，由于本身纖維形狀特點，纖維之間雜亂無章的堆積，形成高孔隙率，總孔隙率最高能夠超過70%，而以陶瓷纖維構建的分離膜的總孔隙率最高可接近陶瓷粒子分離膜的2倍，有效提高膜通量及降低滲透阻力。

研究者以二氧化鈦納米纖維為原料，采用浸漿法在氧化鋁支撐體上制備雙層TiO₂膜，通過在纖維層中添加溶膠促進纖維之間的粘結，減少了缺陷孔的產生，在燒結溫度480℃下制得了純水通量為1000L/ m².h.bar，截留分子量為32000，膜的性能遠遠超過傳統陶瓷膜。

5、石墨烯

石墨烯又名“單層石墨片”，是指一層密集的、包裹在蜂巢晶體點陣上的碳原子，碳原子排成二維結構，與石墨的單原子層類似。石墨烯是目前發現的唯一存在的二維自由態原子晶體，其理論比表面積高達2600 m²/g，具有突出的導熱性能和力學性能，因此越來越受到人們的關注。

圖5  石墨烯陶瓷膜示意圖

研究者采用滴涂法，通過硅氧烷修飾，在陶瓷支撐體上制備出石墨烯－陶瓷復合膜。硅氧烷修飾后的陶瓷支撐體與氧化石墨烯粘結緊密，膜表面完整，同時膜表面具有親水性，通過滲透氣化作用，實現乙醇/水的選擇性分離。

二、天然膜材料

1、天然沸石

天然沸石具有特殊的多孔結構、發達的比表面、豐富的表面羥基，而且我國天然沸石儲量豐富、價格低廉，因此將天然沸石加工成陶瓷分離膜，不僅可以降低分離膜的生產成本，而且可以為陶瓷膜的制備提供新的選擇。

例如以天然沸石為主料，通過擠壓成型法制備了天然沸石陶瓷膜支撐體，平均孔徑為6.6μm，孔隙率達到46%，然后通過浸漿法在支撐體表面分別涂覆粒徑為2.1μm和0.5μm的天然沸石懸浮液，制得平均孔徑分別為0.6μm和0.1μm的過渡層和頂層膜，整個非對稱陶瓷膜的純水通量達到了187 L/ m².h.bar。

2、粉煤灰

粉煤灰是火力發電廠的廢棄物和副產品，對環境造成的污染十分嚴重。由于粉煤灰中Al₂O₃和SiO₂含量達到了8.65%，在高溫燒結后可以形成耐火度高、熱膨脹系數低、化學穩定性和熱穩定好的莫來石，所以粉煤灰可以制備性能優異的陶瓷膜，實現變廢為寶。

研究者利用低成本固體廢棄物粉煤灰和生料鋁礬土為原料，采用原位燒結法在1300℃焙燒后，制備了多孔莫來石陶瓷膜支撐體，其開孔隙率高達50%，莫來石相含量高達86.75%，支撐體的機械強度高達69.87MPa。以粉煤灰為原料在堇青石管式支撐體上制備了陶瓷微濾膜，在1150℃燒結，平均孔徑為5μm，孔隙率達到54%。

3、高嶺土

高嶺土（Al₂O₃-2SiO₂-2H₂O）又稱水合硅酸鋁瓷土，是重要的非金屬礦產資源，在我國分布廣泛，由于價格低廉，性能優越，在陶瓷領域也越來越受到人們的關注。

例如以高嶺土為原料，通過擠壓成型法，在900℃下燒結制成了平均孔徑為1.3μm，機械強度為34MPa，孔隙率為30%的陶瓷微濾膜。

參考文獻：

1、周健兒，張小珍，楊 昊等，莫來石復合陶瓷微濾膜的制備與表征，陶瓷學報。

2、范益群，漆虹，徐南平，多孔陶瓷膜制備技術研究進展，化工學報。

3、張小珍，周健兒，多孔堇青石中空纖維陶瓷膜的制備與表征，硅酸鹽學報。

作者：樂心