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我国陶瓷膜技术起步较晚但发展迅猛未来可拓展空间广阔

发布时间:2024-05-13 作者: 成功案例

  过滤分离工艺是工业生产过程中的重要工艺环节,在大部分工业行业中均有涉及,以陶瓷膜为核心的膜分离技术目前在我国主要使用在于过程分离与特种水处理两大领域。

  无机陶瓷膜是二十一世纪快速地发展的高新技术之一,是一种新型的高效分离材料。与有机膜相比,无机陶瓷膜耐高温和耐腐蚀和抗老化性能好、化学性质稳定、力学性能优良、微观结构稳定、易清洗再生,适应在高温苛刻环境下使用,优势显著,在解决人类面临的能源、资源、环境等重大问题上发挥了巨大的作用。

  但目前陶瓷膜为核心的膜分离技术工艺在国内的应用普及率仍总体较低,预计未来5到10年,国内无机陶瓷膜市场将有巨大的发展空间。

  陶瓷膜又称无机陶瓷膜,属于膜分离技术中的固体膜材料,主要以不一样的规格的氧化铝、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。

  陶瓷膜具有耐高温、耐非物理性腐蚀、机械强度高、抗微生物能力强、渗透量大、可清洗性强、孔径分布窄、分离性能好和常规使用的寿命长等特点。但不足之处是造价较高、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。

  无机陶瓷膜的孔径一般在微米级及以下,依据过滤孔径的不同(或截留分子量的大小),可将无机陶瓷膜分为微滤膜、超滤膜和纳滤膜。目前,已形成产业化规模应用的无机陶瓷膜主要为陶瓷微滤膜和陶瓷超滤膜,过滤孔径范围更小、分离精度更高的陶瓷纳滤膜在我国尚处于规模化制备技术探讨研究阶段。

  无机陶瓷膜的材质决定了膜的物理和化学性能,进而决定了陶瓷膜的亲水性、抗污染性、耐高温性、耐酸碱性、耐热性等主要性能指标。根据制备无机陶瓷膜的材料不同,主要可分为氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钛(TiO₂)及氧化硅(SiO₂)等陶瓷膜。

  无机陶瓷膜的构型与其制作流程与工艺有关,通常分为片式膜、板式膜以及管式膜。其中,多通道管式膜因其单位体积内的膜层面积更大、管体机械强度高和安装简便等优点,适合于工业大规模的应用,而成为企业市场的主要品种。单支(根)膜管称为膜元件,商品化的无机陶瓷膜元件根据其管长、通道数、以及管径的直径等参数的不同,还能更加进一步区分为各种构型。

  一般条件下,陶瓷膜组件和膜装置在800℃以下的工作环境中都可以稳定使用,因此陶瓷膜非常适合于高温、高粘度的流体,对部分不适于化学洗涤的液体可进行蒸汽消毒。

  耐有机溶剂的侵蚀,且抗微生物降解能力强。在处理强酸强碱物料时,化学稳定性优良特别的重要。陶瓷膜清洗可直接用热碱或酸,还可以在此类高温环境中稳定使用。

  陶瓷膜一般可耐压3Mpa以上,在高压条件下不会变形,且耐高速冲刷、耐磨,便于反冲和清洗。

  无机陶瓷膜组件一般是由多根或者多片单通道或者多通道单件膜组合而成,这种结构与有机高分子膜相比不易引起膜堵塞,且非常易清洗。因此陶瓷膜在提纯或浓缩时能够得到较高的浓度比例;陶瓷膜流量衰减速度慢,堵塞程度较高时流量值也不会太低;陶瓷膜清洗简单且效率高,成本低,且膜组件内积存物较少,此特点尤其适合于食品和制药行业。

  通过对制备原材料选择或者预处理工艺、成型的过程、烧结等参数的控制,可以有目的的调控无机陶瓷膜的微观结构。

  工业分离领域,陶瓷膜常规使用的寿命一般3-5年,甚至更长,因此后期更换与维护成本与有机膜相比大大降低。

  此外,陶瓷膜还具有分离效率高、效果稳定、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、机械强度高、再生性能好、分离过程简单、操作维护简便等众多优势。

  陶瓷膜具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性高、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、常规使用的寿命长等众多优势,已经成功应用于食品、饮料、植(药)物深加工、生物医药、发酵、精细化工等众多领域,可用于工艺过程中的分离、澄清、纯化、浓缩、除菌、除盐等。

  无机陶瓷膜技术的低温操作、分离效率高、不必添加化学试剂、不破坏热敏物质等特点,对饮食业中高热敏性、易挥发和对化学试剂敏感的体系很适用。目前,无机陶瓷膜已成功应用于牛奶过滤、果汁浓缩、天然物提取、酒类/茶类饮料生产等领域。

  归结起来,陶瓷膜在化工生产中的应用最重要的包含三大方面:固液分离、气固分离和膜催化反应器。

  无机陶瓷膜在环保领域的应用大多数表现在含油废水、纺织废水、城市生活垃圾污水和造纸废水等的净化处理方面。

  采用微滤技术进行药物澄清,除去药物中的微粒、细菌、大分子杂质,或对药物进行脱色;

  把酶或微生物固定于膜表面,使其发挥生物活性功能组织,同时通过膜分离有用微生物,使间歇式酶反应、分离过程能连续进行。

  国际上对陶瓷膜的研究始于20世纪40年代,但因其制备技术方面的要求较高,早期主要在核工业领域中应用于铀同位素的分离浓缩,未能得到推广普及。自20世纪80年代起,随着陶瓷膜材料制备技术和应用工艺技术的发展,商品化陶瓷膜及膜设备开发成功,陶瓷膜分离技术开始慢慢地取代传统过滤分离技术,在过程工业、环境工程、气体分离等领域得到普遍应用。由于陶瓷膜的优异性能及其应用领域的日益扩大,引起各发达国家对陶瓷膜研究和应用技术开发的格外的重视,将其作为一门新兴的高技术前沿学科进行研究,因而带动了陶瓷膜研究和产业化的全面发展。

  我国对陶瓷膜技术的研究、应用起步相对较晚。20世纪90年代,中国科学院、中国科学技术大学以及南京化工大学等高等科研机构热情参加并完成了“九五”国家重点科技攻关及“863”计划等科研项目,成功实现了陶瓷膜材料及制备研究方面的技术突破,继而打破了国外企业在陶瓷膜产品领域的垄断地位。

  进入到21世纪,一方面,陶瓷膜技术在国内过程工业界的认知度和接受度逐渐提高,应用案例持续不断的增加;另一方面,随着国内陶瓷膜企业的技术进步和市场拓展,国内企业与国外先进企业的技术和品牌差距日益拉近,国内陶瓷膜行业得到了加快速度进行发展。2014年,我国陶瓷膜设备的年安装面积已达约5.3万平方米。

  虽然我国陶瓷膜技术起步晚,但发展迅猛,无机陶瓷膜下游领域还将有近百万平方米膜面积的市场空间,市场容量将近百亿块钱。由贝哲斯咨询统计陶瓷膜市场多个方面数据显示,2022年全球陶瓷膜市场规模到达到了420.53亿元(人民币)。报告预估到2028年全球陶瓷膜市场规模将以11.17%的CAGR达到786.87亿元。在未来较长的一段时间里,我国的无机陶瓷膜产业还将保持迅速增加的势头,为下游所有的领域提升产品的质量、改善生产的基本工艺并降低生产能耗等方面做出贡献。

  陶瓷膜得到了长足发展,在多个领域得到应用推广,但截至目前为止,陶瓷膜的制造成本偏高,可供工程应用选择的膜种类和规格很少。陶瓷膜目前仅在高温气体净化以及造纸、氯碱、食品等特种分离领域得到了一定的应用,而在高温度高压力环境、极端化工流体(如强酸、强碱)等领域开展的制备及应用研究非常少。在陶瓷过滤与催化、亲疏水改性等功能复合研究方面,还处于实验室起步阶段。另外膜层缺陷多,过滤精度不稳定等因素也是制约其应用推广的瓶颈。

  在膜法水处理的工程应用中,膜的污染是没办法避免的,膜污染的原因很多而且很复杂,如何对污染的陶瓷膜进行再生从而恢复使用通量,延长常规使用的寿命,是目前陶瓷膜材料发展和使用的过程中存在的主要问题。

  (1)开发长寿命、高通量、高可靠性、多功能的陶瓷膜材料,同时也加强陶瓷膜材料产业关键核心技术攻关,提升陶瓷膜材料产业规模,降低膜材料及配套装置的成本;同时发展适于陶瓷膜的系统运营案,逐步降低运行成本。

  (2)以水处理、节能环保领域作为市场开拓方向,围绕农村污水处理、医疗废水净化处理、分布式供水、园区水处理、黑臭水体处理、自来水等领域需求,加强应用端的研究,实现从膜组件到膜装备、膜系统的纵深拓展。

  (3)通过“产学研”结合和多方合作,将高校和科研院所的先进成果和独特技术与市场需求及企业条件结合起来,搭建应用研究技术平台,确定最佳应用工况参数,提升装备应用能力,做好应用示范工程,解决用好膜的问题。

  (4)通过表面改性、负载等,实现与其他功能的耦合。如依托分离效率高、抗污染性强的陶瓷膜分离技术,可探讨其与光催化技术、高级氧化技术的高效耦合,将催化材料制造成膜,利用表面催化剂的高催化活性和高亲水性去除污染物。

  (5)加强行业内的技术交流,倡导互补、竞合、共赢,避免行业内恶性竞争,协同开拓万亿级的大市场;同时制定陶瓷膜材料产品国家、行业标准,强化标准引领,提升产品质量。

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