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知识科普 中空纤维陶瓷膜
瓷录Ceramats / 时间:2020-03-08 23:44:36

陶瓷膜属于无机膜的一种,从20世纪90年代正式工业化生产以来目前已经广泛应用到环境工程、生物制药工程、食品饮料工业、纺织印染工业、化工冶金石油业等各个领域。目前陶瓷膜的形式主要分为管式、多通道式、平板式和中空纤维式,这四者里中空纤维陶瓷膜的管外径小(1~5㎜)、管壁薄(0.1-1.5㎜),因此具有装填密度大,有效膜面积大、厚度小、分离效率高的优势特点。而一般管式和多通道形式的装填密度低于300㎡/m,中空纤维则高达30000㎡/m。

中空纤维陶瓷膜通常为由单层或多层陶瓷材料构成的不对称或复合膜结构,该结构一般具有一个大孔支撑层,一到两个中间过渡层和一个多微孔或致密表面,作用分别是为机械支撑、连接层和有效分离层(如图1所示)。与普通陶瓷膜相比,既具备了无机膜所具有的高热、化学稳定性、高透过率、使用寿命长和机械强度高等优点,同时还拥有装填密度大、膜壁薄、渗透通量高、分离效率高,以及节省原料、易于实现设备小型化的特点。

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图1。中空纤维陶瓷膜的结构示例图

中空纤维陶瓷膜的制备方法

中空纤维陶瓷膜的制备方法有模板法、静电纺丝法、挤压成型法、相转化法。

①模板法

模板法是指以有机聚合物中空纤维或活化碳纤维为模板,先将经过预处理的模板浸入预先制备的稳定氧化物先驱体溶胶中,通过浸渍涂覆法,在纤维模板表面形成一层凝胶层,然后经干燥和高温烧成获得中空纤维陶瓷膜。值得注意的是模板法制备中空纤维陶瓷膜,需预先采用金属醇盐制备稳定的聚合物溶胶,并且需要经过多次涂覆才能获得合适厚度的凝胶层,工艺过程复杂,制备的膜易开裂和变形,不适合进行大规模生产,所以主要用于实验室中空纤维膜的制备。

②静电纺丝法
静电纺丝法是指在高压静电作用下,使金属醇盐聚合物溶胶通过带内插管的中空针状纺丝头流出而成型,并通过注射芯液形成中空结构。这种方法的优点是可连续成型,因而适用于大批量陶瓷中空纤维制备。目前静电纺丝法已成功用于ZrO2、Al2O3、TiO2、BaTiO3、La2CuO4等多种材质纳米陶瓷中空纤维的制备,制备的纳米纤维在催化、药物释放、射流技术、分离与净化、气体储存、能量转换和气体传感器及环境保护等领域有着广阔的应用前景。

③挤压成型法

挤压成型法制备中空纤维陶瓷膜的方法与过程与单通道管式陶瓷膜类似,仅在模具形状和尺寸大小上不同。制备过程如下:
(1)将适当质量配比的陶瓷粉料、添加剂(包括塑化剂、润滑剂、粘结剂、分散剂等)和水混合均匀后,经真空练泥制成塑性泥料
(2)将泥料置于合适湿度的密闭环境中陈腐24小时以上,利用各种成型机械进行挤压成型
(3)进行干燥和高温烧成。

挤压成型法广泛用于各种陶瓷材料的制造,技术成熟,适用于大规模工业化生产。缺点是制备的中空纤维陶瓷膜为对称结构,管壁较厚,被用作微滤膜或超滤膜时渗透通量低。所以该法多用于中空纤维复合陶瓷膜支撑体的制备。

④相转化法

相互转化法制模,就是制备一定组成的均相聚合物溶液,通过一定的物理方法使溶液中的溶剂与周围环境中的非溶剂发生传质交换,改变溶液的热力学状态,使其从均相的聚合物溶液发生相分离,最终转变成一个三维大分子网络式凝胶结构,该凝胶结构中聚合物是连续相,分散相为聚合物稀相洗脱后留下的孔状结构。相转化法在中空纤维陶瓷膜制备上具有过程简单易控制、成本低、制备的膜微观结构可控和可通过一步成型获得非对称结构的高渗透性膜等优点。既可用于非对称结构的微滤膜、超滤膜和反渗透膜等的制备,又可适用于对称结构或非对称结构的微孔滤膜制备。

应用案例

2015年4月,广州中国科学院先进技术研究所(简称:广州先进所)的一款中空纤维陶瓷膜滤水器,被微软公司创始人比尔·盖茨创办的盖茨基金会相中。盖茨基金订购的1000支滤水器从南沙送至西非,解决10万人在长期干旱、高温环境下的饮用水问题。据介绍,该款滤水器创新的将超亲水材料应用成为中空纤维陶瓷膜,具有能耗小、寿命长、过滤效果强的优点。同时,滤水器将膜做成一根根中空的管,再把管集结成束,在相同体积内大大增加了膜的面积,滤水效率更强。根据实验室提供的参数,河水经过滤水器的短短几秒内,所有颗粒杂质、重金属离子、99%以上的细菌和病毒都已过滤,达到国家饮用水的标准。


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