陶瓷膜教学讲解课件

陶瓷膜1陶瓷膜1陶瓷膜简介陶瓷膜也称CT膜，是固态膜的一种，最早由日本的大日本印刷公司和东洋油墨公司在1996年开发引入市场。陶瓷膜主要是A12O3，Zr02，Ti02和Si02等无机材料制备的多孔膜，其孔径为2－50mm。具有化学稳定性好，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂；机械强度大，可反向冲洗；抗微生物能力强；耐高温；孔径分布窄，分离效率高等特点。在食品工业、生物工程、环境工程、化学工业、石油化工、治金工业等领域得到了广泛的应用。2陶瓷膜简介陶瓷膜也称CT膜，是固态膜的一种，最早由日本的大日结构陶瓷膜是无机膜中的一种，属于膜分离技术中的固体膜材料，主要以不同规格的氧化铝、氧化锆、氧化钛和氧化硅等无机陶瓷材料作为支撑体，经表面涂膜、高温烧制而成。商品化的陶瓷膜通常具有三层结构（多孔支撑层、过渡层及分离层），呈非对称分布，其孔径规格为0.8nm~1μm不等，过滤精度涵盖微滤、超滤、纳滤级别。3结构陶瓷膜是无机膜中的一种，属于膜分离技术中的固体膜材料，主根据支撑体的不同，陶瓷膜的构型可分为平板、管式、多通道三种。陶瓷膜由于耐酸碱、耐高温和在极端环境下的化学稳定性，又由于商品化的陶瓷膜孔径较小（通常小于0.2μm），可以成功地实现分子级过滤，因此其主要用于对液态、气态混合物进行过滤分离，可以取代传统的离心、蒸发、精馏、过滤等分离技术，达到提高产品质量、降低生产成本的目标，在石油和化学工业等苛刻环境中具有广泛的应用前景。平板陶瓷膜多通道陶瓷膜4根据支撑体的不同，陶瓷膜的构型可分为平板、管式、多通道三种。特性相较于传统聚合物分离膜材料，陶瓷膜具有化学稳定性好，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂；机械强度大，可反向冲洗；抗微生物能力强；耐高温；孔径分布窄、分离效率高等优点，其市场销售额以30%的年增长率发展着。陶瓷膜的不足之处在于造价较高、无机材料脆性大、弹性小、给膜的成型加工及组件装备带来一定的困难等。5特性相较于传统聚合物分离膜材料，陶瓷膜具有化学稳定性好，能耐原理陶瓷膜分离工艺是一种“错流过滤”形式的流体分离过程：原料液在膜管内高速流动，在压力驱动下含小分子组分的澄清渗透液沿与之垂直方向向外透过膜，含大分子组分的混浊浓缩液被膜截留，从而使流体达到分离、浓缩、纯化的目的。6原理陶瓷膜分离工艺是一种“错流过滤”形式的流体分离过程：原料陶瓷膜分离原理图7陶瓷膜分离原理图7陶瓷膜是由孔隙率30%~50%、孔径50nm~15μm的陶瓷载体，采用溶胶-凝胶法或其它工艺制作而成的非对称复合膜。用于分离的陶瓷膜的结构通常为三明治式的：支撑层（又称载体层）、过渡层（又称中间层）、膜层（又称分离层）。其中支撑层的孔径一般为1~20μm，孔隙率为30%~65%，其作用是增加膜的机械强度；中间层的孔径比支撑层的孔径小，其作用是防止膜层制备过程中颗粒向多孔支撑层的渗透，厚度约为20~60μm，孔隙率为30%~40%；膜层具有分离功能，孔径从0.8nm~1μm不等，厚度约为3~10μm，孔隙率为40%~55%。整个膜的孔径分布由支撑层到膜层逐渐减小，形成不对称的结构分布。陶瓷膜根据孔径可分为微滤（孔径大于50nm）、超滤（孔径2~50nm）、纳滤（孔径小于2nm）等种类。进行分离时，在外力的作用下，小分子物质透过膜，大分子物质被膜截留，从而达到分离、浓缩、纯化、去杂、除菌等目的。8陶瓷膜是由孔隙率30%~50%、孔径50nm~15μm的陶瓷陶瓷膜断面图9陶瓷膜断面图9制备技术1.陶瓷膜的渗透性主要取决于其孔隙率、孔曲折因子及孔形态等。造孔剂法及纤维搭建法是当前制备高渗透性陶瓷膜的主流技术。造孔剂法通过加入造孔剂以使孔数量扩大化，从而提高陶瓷膜孔隙率。模板剂法是一类特殊的造孔剂法，其造孔剂具有特定大小及形状以使孔道有序化，亦可提高其孔隙率。纤维搭建法则采用陶瓷纤维作为制膜原料，通过层层搭建纤维孔道以使孔形态多样化，从而实现孔隙率的提高。2.渗透选择性主要由膜孔径及其分布决定，微滤、超滤等陶瓷膜制备技术逐渐成熟，近年来的研究主要向两个方向发展，一是开发具有较大孔径的陶瓷膜材料，用于高温气体除尘，另一方面是研发更小孔径的陶瓷膜材料，用于纳滤过程，甚至是气体分离。采用溶胶－凝胶技术进行陶瓷纳滤膜的研究取得了较多进展。10制备技术1.陶瓷膜的渗透性主要取决于其孔隙率、孔曲折因子及孔3.溶胶－凝胶法制备小孔径超滤膜已经商业化，为了进一步提升膜的渗透与分离性能，研究者们也一直研究减小陶瓷膜孔径和改善孔径分布的修饰技术。实现陶瓷膜的修饰可以采用化学气相沉积法(CVD)、超临界流体沉积技术(SCFT)、原子层沉积技术(ALD)和表面接枝技术。这些调控孔的手段不仅可以修复可能存在的大孔缺陷，提高膜的稳定性，还可以进一步减小膜的孔径，提高膜的分离精度。113.溶胶－凝胶法制备小孔径超滤膜已经因开发时期较晚且成本高昂，无机分离膜领域所占的市场份额还比较小，1997年美国无机膜市场销售额为1亿美元，其中陶瓷膜占80%左右，仅占膜市场的9%。另据估计，2004年世界陶瓷膜的市场销售额约超过100亿美元，无机膜的市场占有率占12%。由于陶瓷膜在精密过滤分离中的成功应用，其市场销售额以30%的年增长率发展。我国无机膜的研究始于20世纪80年代末，通过国家自然科学基金以及各部委的支持，以南京工业大学为代表的陶瓷膜研究团队已经能在实验室规模制备出无机微滤膜及超滤膜等，反应用膜以及微孔膜也正在开发中。进入90年代，原国家科委（现科学技术部）对无机陶瓷膜的工业化技术组织了科技攻关，推进了陶瓷微滤膜的工业化进程。国家“863”计划也将“无机分离催化膜”项目列入其中。截至20世纪初，我国已初步实现了多通道陶瓷滤膜的工业化生产，并在相关的工业过程中获得了成功的应用。2002年第七届国际无机膜大会在中国召开，标志着我国的无机膜研究与工业化工作已进到国际领先水平。应用12因开发时期较晚且成本高昂，无机分离膜领域所占的市场份额还比较经过十多年的发展，我国的无机陶瓷膜行业已经具备世界领先的技术，行业内领先企业的技术实力和产品品质已经达到了国际一流的水平。行业内企业从无到有，企业产值也从起初的百万元已经发展到数亿元的规模，2010-2012年国内无机陶瓷膜成套装备安装面积合计约为12万平方米。据测算，2012年全年，我国的无机陶瓷膜及成套装备的市场总量约为5~6亿元人民币规模，其中国内生产企业的市场份额约为70%，已经在生物发酵、食品饮料、化工和水处理领域的应用具备一定的规模。目前在其应用中存在两大难题:一是多孔陶瓷膜的高成本，尤其是支撑体材料的成本高:二是有限的陶瓷品种与纷繁复杂的现状存在着矛后13经过十多年的发展，我国的无机陶瓷膜行业已经具备世界领先的技术主要种类1.多孔膜多孔陶瓷膜的构型主要有平板、管式和多通道3种，其中平板膜主要用于小规模的工业生产和实验室研究。管式膜组合起来形成类似于列管换热器的形式，可增大膜装填而积，但由于其强度问题，已逐步退出工业应用。规模应用的陶瓷膜，通常采用多通道构型，即在一圆截面上分布着多个通道，一般通道数为7、19、37等。多孔陶瓷膜由于具有优异的耐高温、耐溶剂、耐酸碱性能和机械强度高、容易再生等优点。14主要种类1.多孔膜142.过滤膜西方发达国家在食品工业、石油化工、环境保护、生化制药等许多领域对膜技术的应用越来越广泛，而用无机材料制成的过滤膜的发展前景有可能比有机过滤膜更好。对于面临抗生素政策性降价和抗菌药限售双重压力的众多抗生素生产企业而言，通过创新工艺提高产品收率和质量不失为降低成本的明智选择，而以陶瓷膜技术改进现行抗生素分离提纯工艺有可能成为降成本、提高效益的突破口。

152.过滤膜153.包装膜在食品包装领域，引人注目的是具有高功能性和良好环保适应性的透明镀陶瓷膜。这种膜尽管价格较高，物理性能还有待进一步改进，但可预期在不远的将来它将在食品包装材料中占据重要的地位。陶瓷膜的加工镀膜方法与通常的镀金属方法相似，基本上按己知的加工法进行。镀陶瓷膜由PET(12μm)陶瓷(SiOx)组成。氧化硅能分成4类，即SiO、Si₃O₄、Si₂O₃、SiO₂。镀陶瓷膜首先用作细条实心面的调味品包装材料。其优良的包装性能引起了人们的注意。由于这种膜保味性极佳，因此，尤其适合于包装易升华产品，如茶（樟脑）之类的易挥发材质。由于其极好的阻隔性，除了作为高阻隔性包装材料和作食品包装材料用外、预计还可用在微波容器上作为盖材，在调味品、精密机械零配件、电子零件、药物和医药仪器等方而作为包装材料。随着加工技术的进一步发展，如果这种膜在成本上大幅下降，那么它将得到迅速推广和应用。163.包装膜164.电池膜陶瓷涂覆特种电池膜：是以PP，PE或者多层复合隔膜为基体，表面涂覆一层纳米级三氧化二铝材料，经过特殊工艺处理，和基体粘接紧密。显著提高锂离子电池的耐高温性能和安全性,特别适用于动力电池。氧化铝涂层具有优异的耐高温性，在180摄氏度以上还能保持隔膜完整形态，可中和电解液中游离的HF，提升电池耐酸性，安全性提高，循环寿命长：降低了循环过程中的机械微短路，有效提升循环寿命等。高温下烘烤30min后陶瓷隔膜与普通隔膜直观状态比较图174.电池膜高温下烘烤30min后陶瓷隔膜与普通隔膜直观状态比5.隔热膜纳米陶瓷隔热膜是将氮化钛陶瓷材料用真空溅射技术在聚脂薄膜上形成纳米级的陶瓷层，从而形成的陶瓷隔热膜。最早的纳米陶瓷隔热膜是由德国人研发出的琥珀光学纳米陶瓷隔热膜。纳米陶瓷隔热膜对无线电信号无任何干扰，特别是卫星的短波信号（GPS），无金属膜的屏蔽效应。降低空调使用负荷，节约能源，不易褪色，不易氧化，具有像琥珀一样的晶莹剔透的美感，色泽柔和，可以取得舒适的视觉效果。185.隔热膜18发展趋势未来陶瓷膜领域的发展趋势将集中在以下5个方面：进一步提高陶瓷膜材料的分离精度及其分离稳定性，使其在液体分离领域实现纳滤级别的连续高效运行，在气体分离领域实现多组分气体的高效分离；研制具有大孔径及高孔隙率