中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，歐美等國(guó)家為了獲得核裂變所需要的原料鈾235，要從天然鈾礦中以UF6的形式提取出來。
由于UF6是可以氣化的，人們利用氣體擴(kuò)散分離技術(shù)，采用平均孔徑約為6～40nm的多孔陶瓷過濾膜把235U從天然的鈾元素中分離和富集到3%。這是人類歷史上首次采用多孔陶瓷過濾膜實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的氣體混合物分離的實(shí)例，史稱曼哈頓原子彈計(jì)劃。
通過這一計(jì)劃，也引出了本文要介紹的主角——陶瓷過濾膜。
陶瓷膜也被稱為無機(jī)陶瓷膜，是以氧化鋁（Al2O3）、氧化鋯（ZrO2）和氧化鈦（TiO2）等粉體為原材料，采用特殊工藝制備而形成的非對(duì)稱膜。
上個(gè)世紀(jì)80年代，陶瓷過濾膜分離技術(shù)作為一項(xiàng)精密的過濾分離技術(shù)開始轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，被用來取代蒸發(fā)、離心、板框過濾等傳統(tǒng)分離技術(shù)。
90年代，無機(jī)膜研究進(jìn)入以氣體分離運(yùn)用為主和無機(jī)膜分離器—反應(yīng)器組合構(gòu)件的階段，給傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)、石油化工、生物化工等領(lǐng)域帶來革命性的變化。
陶瓷膜的特點(diǎn)
陶瓷膜既能涉及核工業(yè)，還號(hào)稱給化學(xué)工業(yè)帶來革命性變化，它有什么優(yōu)異之處能夠有這么大的能量呢？接下來就簡(jiǎn)單了解下它。
陶瓷膜的特點(diǎn)：
（1）熱穩(wěn)定性好，在400℃一1000℃的高溫下使用時(shí)，仍能保持其性
能不變，這使采用膜分離技術(shù)進(jìn)行高溫氣體的凈化具有了可能性；
（2）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能耐有機(jī)溶劑、氯化物和強(qiáng)酸溶液，并且不被微生物降解；
（3）具有較大的機(jī)械強(qiáng)度，能在很大壓力梯度下操作，因?yàn)槠錂C(jī)械性能好，在任何溶劑中不溶脹，能經(jīng)受固體顆粒的磨損。
（4）清洗方便，由于陶瓷膜的高耐腐蝕性，可以用酸溶解固體堵塞物，用堿液清洗油性沉積物；
（5）膜的使用壽命長(zhǎng)，經(jīng)過多次的高溫清洗仍能保持分離性能不變，它一般比有機(jī)膜的使用壽命長(zhǎng)3—5倍；
（6）抗微生物能力強(qiáng)，不與微生物發(fā)生作用，可在生物工程及醫(yī)學(xué)科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用；
（7）孔徑分布窄，分離效率高，容易控制孔徑大小和尺寸分布，從而有效地控制分離組分的透過率和選擇性。
陶瓷膜的制備
陶瓷膜相關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵是陶瓷膜的制備，根據(jù)制備膜的材料、膜及其載體的結(jié)構(gòu)、孔徑大小、氣孔率和膜的厚度不同，有著不同的制備方法。歸納起來主要有：
固態(tài)粒子燒結(jié)法
固態(tài)粒子燒結(jié)法是一種較常見的無機(jī)陶瓷膜制備方法，燒結(jié)流程如下，
相對(duì)而言，在陶瓷微濾膜的諸多制備方法中粒子燒結(jié)法最為成熟，較適合制備孔徑范圍在10nm一10μm的大面積的微濾或超濾陶瓷膜。該法已成功開發(fā)出商品氧化鋁微濾膜、碳化硅微濾膜和氧化鋯微濾膜。
溶膠一凝膠法
該法是目前合成無機(jī)膜的一種重要方法，主要用于制備超濾膜和微濾膜。根據(jù)起始原料和得到溶膠方法的不同，溶膠一凝膠法又可分為膠體凝膠法和聚合凝膠法。
（1）膠體路線，金屬鹽與水混合形成溶膠，涂覆在膜支撐體上，從而形成膠態(tài)凝膠。
（2）聚合物路線，有機(jī)金屬前驅(qū)體與有機(jī)溶劑混合形成溶膠，然后涂覆在膜支撐體上，從而形成聚合物凝膠。
與其它制備方法相比，溶膠一凝膠法由于是在室溫附近進(jìn)行的一系列濕化學(xué)反應(yīng)，制備過程溫度低，工藝易于控制，只要條件控制得當(dāng)，即可得到窄孔徑分布和氣孔率高的膜。
浸漬涂膜法
浸漬涂膜工藝最關(guān)鍵的因素是顆粒懸浮液的粘度和涂膜速度或時(shí)間。當(dāng)基體接觸到相對(duì)濕度低于100%的大氣時(shí)，干燥過程與浸漬涂膜則同時(shí)進(jìn)行。在一個(gè)多步驟的過程中，先將浸漬涂膜好的第一層進(jìn)行煅燒，然后又重復(fù)浸漬、干燥、煅燒的完整周期過程。
下圖為浸漬涂膜工藝的簡(jiǎn)單示意圖。
化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積是在一定的溫度條件下通過被氣體介質(zhì)包圍的組分之間所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)在材料表面沉積一層相同或不同的化合物來修飾膜表面性能的工藝。
化學(xué)氣相沉積法具有成膜厚度均勻，孔徑大小及分布窄，孔徑大小可控制，膜與基體結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)�；瘜W(xué)氣相沉積技術(shù)已在半導(dǎo)體集成電路的制造等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
但此技術(shù)還存在著設(shè)備裝置和工藝復(fù)雜，反應(yīng)條件流程不易控制等缺點(diǎn)。
除了上述方法之外，還有一些其他制備方法，如陽極氧化法、原位合成法、靜電成型法、水熱晶化法及晶粒二次生長(zhǎng)法等制備方法。
陶瓷膜的應(yīng)用及市場(chǎng)分析
數(shù)據(jù)顯示，僅計(jì)算包含市場(chǎng)流通的單陶瓷膜材料，我國(guó)陶瓷膜材料的市場(chǎng)規(guī)模從2014年的1.28億元上升到2018年的2.03億元。
2014-2019年中國(guó)陶瓷膜材料市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)
而陶瓷膜系統(tǒng)集成市場(chǎng)規(guī)模從2014年的5.56億元上升到2018年的8.52億元。
2014-2019年中國(guó)陶瓷膜系統(tǒng)集成市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)
可以看出，陶瓷膜發(fā)展前景廣闊，在食品工業(yè)、生物化工、制藥工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、環(huán)境工程等多種領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
在液體處理領(lǐng)域的應(yīng)用
（1）污水處理
作為一類新型的膜分離材料無機(jī)分離膜比有機(jī)分離膜更具優(yōu)點(diǎn)，在水處理方面的應(yīng)用是陶瓷微濾膜的環(huán)境工程領(lǐng)域中的一個(gè)重要應(yīng)用。
（2）中藥萃取
陶瓷濾膜在醫(yī)藥用水的過濾和中藥的精制上取得了良好的效果，為中成藥工業(yè)的技術(shù)革新提供了一條全新的、切實(shí)可行的途徑。
（3）飲料除菌
無機(jī)陶瓷濾膜過濾技術(shù)首先應(yīng)用在牛奶、果酒過濾分離上，可脫除低脂牛奶中的細(xì)菌，效率達(dá)99.6%。
在氣體處理領(lǐng)域的應(yīng)用
無機(jī)膜在氣體處理領(lǐng)域主要有三方面的應(yīng)用：氣體的凈化、氣體的分離、氣體的合成。
（1）氣體的凈化
日本旭硝子公司開發(fā)的多孔質(zhì)荃青石陶瓷過濾器，應(yīng)用于氣體除塵，對(duì)粒徑為0.3—0.7μm的粉塵，效率為95%;對(duì)0.7—3μm的粉塵，效率為99.5%。
（2）氣體分離
美國(guó)能源技術(shù)中心采用一種特殊的物質(zhì)浸漬到陶瓷膜的多孔結(jié)構(gòu)中，制成的無機(jī)膜，可用于煤氣化過程中的高溫脫硫。
（3）氣體合成
Eltron公司開發(fā)的陶瓷膜反應(yīng)器，能把濕的天然氣轉(zhuǎn)化為合成氣。其單程產(chǎn)率為90%，能節(jié)約40%的生產(chǎn)費(fèi)用。
可以看出，陶瓷膜應(yīng)用極其廣泛，尤其在分離、凈化領(lǐng)域有著其他材料無法匹敵的優(yōu)質(zhì)性能�？梢灶A(yù)見，陶瓷膜市場(chǎng)將逐步增長(zhǎng)，未來市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。
如下表所示，2014年全球陶瓷膜產(chǎn)量為39.7萬平方米，至2018年產(chǎn)量增至46.7萬平方米，同比上年增長(zhǎng)9.2%。
2014-2019年全球陶瓷膜行業(yè)產(chǎn)量增長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)
陶瓷膜的優(yōu)質(zhì)性能決定著其應(yīng)用市場(chǎng)的廣泛，實(shí)際上，陶瓷膜的市場(chǎng)規(guī)模尚未得到徹底釋放，仍有很大的發(fā)展空間。
參考來源
吳魯.一種非對(duì)稱陶瓷過濾膜的制備
秦伍.氧化鋁陶瓷微濾膜的一步法制備技術(shù)
張超等.無機(jī)陶瓷膜技術(shù)優(yōu)勢(shì)及市場(chǎng)分析
立鼎產(chǎn)業(yè)研究中心
前沿產(chǎn)業(yè)研究院
注：圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除
