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      知識科普 中空纖維陶瓷膜

      發表日期:2020-03-10 13:57文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

      陶瓷膜屬于無機膜的一種,從20世紀90年代正式工業化生產以來目前已經廣泛應用到環境工程、生物制藥工程、食品飲料工業、紡織印染工業、化工冶金石油業等各個領域。目前陶瓷膜的形式主要分為管式、多通道式、平板式和中空纖維式,這四者里中空纖維陶瓷膜的管外徑?。?~5㎜)、管壁?。?.1-1.5㎜),因此具有裝填密度大,有效膜面積大、厚度小、分離效率高的優勢特點。而一般管式和多通道形式的裝填密度低于300㎡/m,中空纖維則高達30000㎡/m。

      中空纖維陶瓷膜通常為由單層或多層陶瓷材料構成的不對稱或復合膜結構,該結構一般具有一個大孔支撐層,一到兩個中間過渡層和一個多微孔或致密表面,作用分別是為機械支撐、連接層和有效分離層(如圖1所示)。與普通陶瓷膜相比,既具備了無機膜所具有的高熱、化學穩定性、高透過率、使用壽命長和機械強度高等優點,同時還擁有裝填密度大、膜壁薄、滲透通量高、分離效率高,以及節省原料、易于實現設備小型化的特點。

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      圖1.中空纖維陶瓷膜的結構示例圖

      中空纖維陶瓷膜的制備方法

      中空纖維陶瓷膜的制備方法有模板法、靜電紡絲法、擠壓成型法、相轉化法。

      ①模板法

      模板法是指以有機聚合物中空纖維或活化碳纖維為模板,先將經過預處理的模板浸入預先制備的穩定氧化物先驅體溶膠中,通過浸漬涂覆法,在纖維模板表面形成一層凝膠層,然后經干燥和高溫燒成獲得中空纖維陶瓷膜。值得注意的是模板法制備中空纖維陶瓷膜,需預先采用金屬醇鹽制備穩定的聚合物溶膠,并且需要經過多次涂覆才能獲得合適厚度的凝膠層,工藝過程復雜,制備的膜易開裂和變形,不適合進行大規模生產,所以主要用于實驗室中空纖維膜的制備。

      ②靜電紡絲法
      靜電紡絲法是指在高壓靜電作用下,使金屬醇鹽聚合物溶膠通過帶內插管的中空針狀紡絲頭流出而成型,并通過注射芯液形成中空結構。這種方法的優點是可連續成型,因而適用于大批量陶瓷中空纖維制備。目前靜電紡絲法已成功用于ZrO2、Al2O3、TiO2、BaTiO3、La2CuO4等多種材質納米陶瓷中空纖維的制備,制備的納米纖維在催化、藥物釋放、射流技術、分離與凈化、氣體儲存、能量轉換和氣體傳感器及環境保護等領域有著廣闊的應用前景。

      ③擠壓成型法

      擠壓成型法制備中空纖維陶瓷膜的方法與過程與單通道管式陶瓷膜類似,僅在模具形狀和尺寸大小上不同。制備過程如下:
      (1)將適當質量配比的陶瓷粉料、添加劑(包括塑化劑、潤滑劑、粘結劑、分散劑等)和水混合均勻后,經真空練泥制成塑性泥料
      (2)將泥料置于合適濕度的密閉環境中陳腐24小時以上,利用各種成型機械進行擠壓成型
      (3)進行干燥和高溫燒成。

      擠壓成型法廣泛用于各種陶瓷材料的制造,技術成熟,適用于大規模工業化生產。缺點是制備的中空纖維陶瓷膜為對稱結構,管壁較厚,被用作微濾膜或超濾膜時滲透通量低。所以該法多用于中空纖維復合陶瓷膜支撐體的制備。

      ④相轉化法

      相互轉化法制模,就是制備一定組成的均相聚合物溶液,通過一定的物理方法使溶液中的溶劑與周圍環境中的非溶劑發生傳質交換,改變溶液的熱力學狀態,使其從均相的聚合物溶液發生相分離,最終轉變成一個三維大分子網絡式凝膠結構,該凝膠結構中聚合物是連續相,分散相為聚合物稀相洗脫后留下的孔狀結構。相轉化法在中空纖維陶瓷膜制備上具有過程簡單易控制、成本低、制備的膜微觀結構可控和可通過一步成型獲得非對稱結構的高滲透性膜等優點。既可用于非對稱結構的微濾膜、超濾膜和反滲透膜等的制備,又可適用于對稱結構或非對稱結構的微孔濾膜制備。

      應用案例

      2015年4月,廣州中國科學院先進技術研究所(簡稱:廣州先進所)的一款中空纖維陶瓷膜濾水器,被微軟公司創始人比爾·蓋茨創辦的蓋茨基金會相中。蓋茨基金訂購的1000支濾水器從南沙送至西非,解決10萬人在長期干旱、高溫環境下的飲用水問題。據介紹,該款濾水器創新的將超親水材料應用成為中空纖維陶瓷膜,具有能耗小、壽命長、過濾效果強的優點。同時,濾水器將膜做成一根根中空的管,再把管集結成束,在相同體積內大大增加了膜的面積,濾水效率更強。根據實驗室提供的參數,河水經過濾水器的短短幾秒內,所有顆粒雜質、重金屬離子、99%以上的細菌和病毒都已過濾,達到國家飲用水的標準。

       
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