导致陶瓷膜成本高的因素

栏目:技术知识库 发布时间:2025-07-29
陶瓷膜是一类具有选择透过性的功能材料,因具有良好的分离性、耐腐蚀性、化学稳定性、高机械强度、使用寿命长等特点,在废水处理、海水淡化、生物工程、化工制药、食品饮料、气体分离等领域取得相当亮眼的成绩。如果要讨论陶瓷膜制备成本高的原因,就必须要介绍一下陶瓷膜的结构及常用于制备陶瓷膜的原材料。

       陶瓷膜是一类具有选择透过性的功能材料,因具有良好的分离性、耐腐蚀性、化学稳定性、高机械强度、使用寿命长等特点,在废水处理、海水淡化、生物工程、化工制药、食品饮料、气体分离等领域取得相当亮眼的成绩。

       如果要讨论陶瓷膜制备成本高的原因,就必须要介绍一下陶瓷膜的结构及常用于制备陶瓷膜的原材料。



陶瓷膜的结构

       陶瓷膜根据宏观结构的不同可以分为对称结构膜和非对称结构膜。其中,对称膜的结构较为单一,孔隙率及孔径较小,孔形状以柱状和圆锥呈现,因其无支撑结构使得机械强度极低,实际应用很少,目前主要停留在实验室和科学研究等小规模应用阶段。而非对称膜具有较高的渗透通量,通常由支撑体、中间层和分离层组成。

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陶瓷膜微观结构图(图源:文献2)

01
支撑体

支撑体的厚度和孔径最大,对陶瓷膜主要起支撑作用,需要具有较高的机械强度、高孔隙率以及优异的渗透性。由于支撑体的裂纹、针孔等结构缺陷往往会导致中间层和分离层在制备过程中产生相应的缺陷,所以支撑体的多孔结构必须保持均匀、无缺陷。

02
中间层

中间层是处于支撑体和分离层之间的结构,其厚度和孔径均介于支撑体和分离层之间,可以防止分离层制备过程中小颗粒在重力及毛细管力的作用下渗漏入支撑体中;另一方面,小孔径的中间层表面相对光滑,可以减小分离层的厚度,否则需要较厚的分离层覆盖住粗糙度较大支撑体的表面,在分离过程中渗透液的阻力增大,导致陶瓷膜的渗透通量降低。

03
分离层

分离层是膜分离过程发生的主要位置,其厚度和孔径最小,厚度一般小于10μm。根据Hagen-Poiseuille层流模型方程,陶瓷膜的渗透通量与膜厚成反比,膜层越厚,阻力越大,渗透通量越低,因此要求分离层要尽可能的薄。



常见的陶瓷膜材料

常见的陶瓷膜材料包括氧化铝、氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、碳化硅。

01
氧化铝

α-Al2O3和γ-Al2O3是用于制造工业生产和废水处理陶瓷膜的主要材料。由于其具有易加工、强度高、化学稳定性和热稳定性好的特点,常常用于制备陶瓷膜中的基材、中间层和过滤层。商业化的陶瓷膜产品多数由氧化铝制成,它们的形状和孔径可调,广泛适用于各种类型的模组件中。

02
氧化锆

在室温下,氧化锆具有单斜相晶体结构,随着温度升高逐渐转变为四方相和立方相。氧化锆膜具有表面密度高、极性强等特殊的表面特性,在乳状液分离中常常具有优越的性能,油滴几乎不粘附在其表面。但由于氧化锆价格昂贵,研究者们通常选择在氧化铝支撑体上制备氧化锆分离层或改性涂层。

03
二氧化钛

二氧化钛在常温下具有金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶相的氧化物。在用于膜的陶瓷材料中,二氧化钛具有最优的耐化学腐蚀性能。值得一提的是,由于二氧化钛在紫外线的照射下可以使有机化合物分解,因此二氧化钛膜可以同时提供过滤和光催化氧化双层效果。

04
二氧化硅

由于二氧化硅在水化后反应活性过高,因此其应用率不如上述几种氧化物。二氧化硅的水化产物硅胶的孔径可以控制在3-5Å的范围内,直径介于水分子和水合盐离子之间,因而可以对水进行高效地脱盐。

05
碳化硅

碳化硅因其突出的高温强度、热导率以及特殊条件下的化学稳定性,使其在近年来得到了广泛的关注。目前碳化硅膜常用于气体和液体分离板块。


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为什么陶瓷膜成本高?

      陶瓷膜虽然具备效率高、耐高温、抗污染、高强度、耐腐蚀、效果稳定等众多优势,但其存在制备周期长、工艺复杂、烧结过程能耗高等缺陷。通常情况下,陶瓷膜至少有3层结构,对于陶瓷超滤膜和纳滤膜,层数会达到4-5层。每一膜层的制备都需要进行高温烧结,以便让不同的膜层烧结在一起,但在每一层的制备过程中都可能引入缺陷,影响整个膜的性能,降低膜的成品率。同时,膜层数越多、厚度越厚,膜在分离过程中需要克服的渗透阻力就越大,导致膜分离效率降低和能耗提高。总而言之,高昂的原材料成本和复杂的制备过程导致了陶瓷膜的生产成本居高不下。

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常见陶瓷膜支撑体类型:(a)平板式;(b)管式;(c)碟式;(d)蜂窝式

(图源:文献3)

参考文献:

1、田浩均.陶瓷基复合膜的制备与研究[D].天津理工大学.

2、黄吉光.陶瓷复合膜成膜机理及其应用研究[D].华北电力大学(北京).

3、傅宏明.陶瓷复合膜捕集CO2的传质机理与应用研究[D].华北电力大学(北京).