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多孔陶瓷膜制备技术研究进展

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多孔陶瓷膜制备技术研究进展  第64卷 第1期   化 工 学 报        Vol.64 No.1   2013年1月   CIESC Journal    January 2013 檭檭檭檭檭檭檭檭 檭 檭檭檭檭檭檭檭檭 檭 殐 殐殐 殐 综述与专论 多孔陶瓷膜制备技术研究进展 范益群,漆 虹,徐南平 (南京工业大学膜科学技术研究所,材料化学工程国家重点实验室,江苏 南京210009) 摘要:多孔陶瓷膜具有化学稳定性好、机械强度大、耐酸碱、耐高温等优点,在石油和化学工业等苛刻环境中 有着广泛的应用,多孔陶瓷膜的制备技...

多孔陶瓷膜制备技术研究进展
 第64卷 第1期   化 工 学 报        Vol.64 No.1   2013年1月   CIESC Journal    January 2013 檭檭檭檭檭檭檭檭 檭 檭檭檭檭檭檭檭檭 檭 殐 殐殐 殐 综述与专论 多孔陶瓷膜制备技术研究进展 范益群,漆 虹,徐南平 (南京工业大学膜科学技术研究所,材料化学工程国家重点实验室,江苏 南京210009) 摘要:多孔陶瓷膜具有化学稳定性好、机械强度大、耐酸碱、耐高温等优点,在石油和化学工业等苛刻环境中 有着广泛的应用,多孔陶瓷膜的制备技术是推动多孔陶瓷膜产业发展的核心部分。多孔陶瓷膜制备技术的核心 和关键是以提高陶瓷膜整体性能为导向,通过对陶瓷膜微结构的调控,实现陶瓷膜制备技术的突破。针对近十 年来陶瓷膜领域的研究,概述了当前陶瓷膜领域在制备具有高渗透性、高渗透选择性的陶瓷膜以及陶瓷膜低成 本化方面的研究进展,并对未来陶瓷膜领域的发展趋势及瓶颈性问题进行了讨论。 关键词:综述;陶瓷膜;制备技术;微结构 DOI:10.3969/j.issn.0438-1157.2013.01.013 中图分类号:TQ 028 18      文献标志码:A 文章编号:0438-1157 (2013)01-0107-09 Advance in preparation techniques of porous ceramic membranes FAN Yiqun,QI Hong,XU Nanping (State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering,School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University of Technology,Nanjing210009,Jiangsu,China) Abstract:Porous ceramic membrane has been widely used in petroleum and chemical industries due to its chemical stability,mechanical strength,resistance to acid and alkali,thermal stability,and so on.The preparation techniques of porous ceramic membrane are the essential parts of its commercialization.A breakthrough in preparation techniques of porous ceramic membranes can be achieved by precisely controlling the microstructure, which is critical in improving overall performance of ceramic membranes.The advance in the past ten years in the techniques to lower the cost of ceramic membranes and prepare membranes with high permeability,high selectivity is reviewed.The trend of future development and the bottleneck problem of ceramic membranes are also discussed. Key words:review;ceramic membranes;preparation techniques;microstructure   2012-08-01收到初稿,2012-11-05收到修改稿。 联系人及第一作者:范益群 (1968— ),男,博士,教授。 基金项目:国家高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目 (2012AA03A606); 江苏高校优势学科建设工程资助项目。   引 言 膜技术是新型高效分离技术,以其节约能源和 环境友好的特征成为解决全球能源、环境、水资源 等重大问题的共性支撑技术之一[1]。多孔陶瓷膜, 以其优异的材料稳定性,在石油和化学工业、医 药、冶金等过程工业众多领域获得了广泛的应用,   Received date:2012-08-01. Corresponding author:Prof.FAN Yiqun,yiqunfan@njut.edu. cn  Foundation item:supported by the National High-tech Research and Development Program of China (2012AA03A606)and the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions.   已成为膜领域发展最迅速、最具应用前景的膜材料 之一[2]。 多孔陶瓷膜的分离性能与材料的孔径大小及其 分布、孔隙率、孔形态等微结构有着密切的关系。 多孔陶瓷膜的孔径可以在几个纳米到几十个微米范 围进行调变。与多孔陶瓷相比,多孔陶瓷膜为非对 称结构,具有更高的分离性能。膜的厚度一般介于 几十纳米到几百个微米,可以进行从纳米尺度的筛 分 (如纳滤膜对多价离子的高截留率)到可见大颗 粒的分离 (如高温气体除尘),具有广泛的应用领 域。多孔陶瓷膜的分离层孔结构是颗粒以任意堆积 方式形成的,孔隙率通常为30%~35%[3],且曲 折因子调控较为困难,这使得陶瓷膜性能的大幅提 高受到局限。研究陶瓷膜制备新技术以提高其渗透 性及渗透选择性是目前陶瓷膜领域的研究重点之 一。如何进一步降低陶瓷膜制备的成本亦是陶瓷膜 制备研究领域的重点之一。 本文针对近十年来陶瓷膜领域的众多研究热 点,全面评述国内外研究者在制备具有高渗透性、 高渗透选择性以及低成本陶瓷膜制备技术等方面的 研究进展。 1 高渗透性陶瓷膜制备技术研究 陶瓷膜的渗透性主要取决于其孔隙率、孔曲折 因子及孔形态等。造孔剂法及纤维搭建法是当前制 备高渗透性陶瓷膜的主流技术。造孔剂法通过加入 造孔剂以使孔数量扩大化,从而提高陶瓷膜孔隙 率。模板剂法是一类特殊的造孔剂法,其造孔剂具 有特定大小及形状以使孔道有序化,亦可提高其孔 隙率。纤维搭建法则采用陶瓷纤维作为制膜原料, 通过层层搭建纤维孔道以使孔形态多样化,从而实 现孔隙率的提高。 1.1 造孔剂法 造孔剂法是提高多孔陶瓷孔隙率的简单又经济 的方法,造孔剂可分为无机物和有机物两类。无机 造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵和氯化铵等高温可分解 的盐类或者无机碳如石墨、煤粉等;有机造孔剂主 要包括天然纤维、高分子聚合物,如锯末、淀粉、 聚苯乙烯 (PS)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 等[4-6]。  姚爱华等[7]采用高岭土和氧化铝为原料,原位 反应烧结莫来石-刚玉多孔陶瓷,研究 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,当加 入20%的石墨,多孔陶瓷的孔隙率达50.64%,而 未添加石墨制得的孔隙率仅为29.67%,当石墨加 入量超过20%后,孔隙率增加量降低,主要是因 为过多造孔剂的加入使得样品在烧结过程中收缩量 显著增大,部分抵消了由于造孔剂脱除所增加的孔 隙率。Liu等[8]研究了不同粒径的石墨及其含量对 多孔堇青石结合SiC陶瓷性能的影响,结果表明, 采用平均粒径为10μm的石墨为造孔剂,添加量 为25%时,多孔SiC的孔隙率由未添加造孔剂时 的28.07%增大到44.51%;当石墨粒径从5μm增 大至20μm,孔隙率有所增加,但增幅不明显。董 国祥等[9]考察了活性炭的添加量对多孔 Al2O3 陶 瓷孔径的影响,研究发现,在1450℃烧结温度下, 当活性炭含量从0增加至17%,孔隙率从36%增 大至45%,而抗弯强度基本保持在50MPa;当石 墨含量一定时,多孔陶瓷的平均孔径随烧成温度的 增加而略有增大,主要是因为活性炭在高温烧结过 程中会产生 “架桥”现象,促进了孔与孔之间的连 接,从而导致这一趋势的发生[10]。She等[11]采用 石墨作为造孔剂,研究制备多孔SiC陶瓷,当石墨 的加入量从25%提高到60%,多孔陶瓷孔隙率从 36.4%线性增大至75.4%。 Collier等[12]以Al2O3 (D50=20μm)为骨料, 加入15%淀粉后,在1600℃烧结制得多孔陶瓷孔 隙率高达64.6%,平均孔径为10.1μm,纯水渗 透通量达122m3·m-2·h-1 (0.1MPa)。Yang 等[13]以Al2O3 为骨料 (D50=4μm),加入膨润土 为烧结助剂,以玉米淀粉作为造孔剂 (D50=53 μm),发现随着淀粉含量的增加,Al2O3 支撑体的 最大孔径和平均孔径均有所增大,当淀粉含量为 10%时,支撑体的孔隙率和气体渗透系数分别由未 添加造孔剂时的24%和1.68×10-12 m2 提高至 38%和6.86×10-12 m2。 1.2 模板剂法 采用规整均一的造孔剂,以有效控制所合成材 料的形貌、结构和大小,并制备出孔结构有序、孔 径均一、孔隙率大的一系列微孔、介孔和大孔材料 的方法称为模板剂法。模板剂法具有丰富的选材和 灵活的调节手段,采用模板剂法制备陶瓷膜是目前 的一个研究热点。 1.2.1 有机微球作为模板剂 Velev等[14]采用胶 体晶体作为模板剂首先制备出了三维有序的大孔 SiO2 材料,通过改变模板剂的粒径,可以制备出 孔径范围在0.15~1μm之间的有序大孔SiO2 材 料,孔隙率达到78%。Xia等[15]以有机PS微球为 ·801· 化 工 学 报   第64卷  模板剂,采用 UV聚合的方法制备出孔径为100 nm的三维有序聚氨酯大孔材料。Sadakane等[16] 以PMMA为模板剂制备出具有三维有序大孔的金 属氧化物材料,其孔隙率范围为66%~81%。 Zhao等[17-18]以PMMA 为模板剂成孔,采用 共沉积法制备了三维有序大孔 ZrO2、SiO2 和 Al2O3 对称陶瓷膜,并采用浸浆法制备了非对称α- Al2O3 膜[19],其中 ZrO2 膜的孔隙率达到60%, SiO2 膜的孔隙率达到48.1%。徐建等[20]以PS微 球或其自己聚集成的胶体为模板剂,采用 TiO2- SiO2 溶胶与PS球混合旋涂制备出了多孔 TiO2- SiO2 膜,孔径大小为200~300nm。 1.2.2 表面活性剂作为模板剂 由于表面活性剂 在溶液中可以形成胶束、微乳、液晶、囊泡等自组 装体,因此常被用作自组装技术中的有机物模板 剂。1992年 Mobil公司利用表面活性剂十六烷基 三甲基溴化铵 (CTAB)为有机大分子模板剂,首 次制备出了有序的介孔分子筛 MCM-41[21]。这种 介孔材料具有多种对称性能的孔道,孔径在2~50 nm的范围内。 Kumar等[22]以溴化铵为模板剂,采用水热合 成法分别在孔径200nm和300nm的支撑体上制 备介孔 MCM-48分离膜。发现该分离膜的膜孔径 为2.6nm,孔隙率约为40%,并且孔道呈现高度 有序化分布,这种结构更有利于膜层分离性能的提 高。Choi等[23]以Tween80为模板剂,制备了具有 梯度孔径结构的TiO2-Al2O3 陶瓷膜,孔径梯度分 别为2~6nm,3~8nm,5~11nm,膜层渗透性 能,对 应 孔 隙 率 分 别 达 到 46.2%,56.7%, 69.3%,膜层的渗透性能大大提高。Zhang等[24] 以正硅酸乙酯 (TEOS)为无机前驱物、十六烷基 三甲基氯化铵 (CTAC)为有机模板剂制备了介孔 有序的无支撑SiO2 薄膜和以 Al2O3 为支撑体的 SiO2 分离膜。该膜为膜孔径在2~3nm之间,并 呈单一分布的无支撑有序介孔SiO2 膜。王丽[25]进 而研究了通过旋涂法在 Al2O3 支撑体上制备介孔 SiO2 分离膜,SiO2 分离膜对 N2 的渗透通量约为 1.0×10-6 mol·m-2·s-1 (1Pa)。 1.3 纤维搭建技术 陶瓷纤维材料由于其纤细的构型,在成膜过程 中纤维可以迅速在支撑体表面搭桥,显著减少了膜 层的内渗[26],并且容易得到较高的孔隙率和比表 面积,对膜材料渗透性能的提高具有显著作用[27]。 王耀明等[28]用堇青石陶瓷纤维为原料,通过 真空抽滤的方法制备了具有孔梯度的陶瓷微滤膜, 其分离层气孔率达到60%~70%,孔径为5~10 μm。雷玮等 [29]以 TiO2 纤维为原料,通过浸浆法 制备出平均膜孔径为2.6μm的陶瓷微滤膜,其纯 水通量是普通颗粒堆积相同孔径膜的两倍。Ke 等[30-31]以大尺寸的TiO2 纤维和小尺寸的勃姆石纤 维为原料,通过旋涂法制备出平均孔径在50nm 的陶瓷纤维膜,对60nm的球形粒子截留率超过 95%,同时膜的渗透通量在900L·m-2·h-1 以上。 纤维搭建的膜层通过高孔隙率提高了渗透通 量,但却降低了膜层的强度。因此,需要通过加强 纤维间颈部连接以提高纤维膜的强度。 Fernando等[32]在制备对称结构的 Al2O3 纤维 膜的过程中,通过加入黏结剂磷酸盐,促进了纤维 接触点的颈部连接,提高了膜层的强度。Qiu 等[33]在制备 TiO2 纤维超滤膜的过程中,采用 TiO2 溶胶颗粒实现纤维间的颈部连接,使其在较 低的温度下烧结就具有较好的强度,避免了在高温 烧结过程中纤维断裂和团聚现象的发生。 总之,采用造孔剂法、模板剂法及纤维搭建技 术等能够有效提高陶瓷膜的渗透性能。造孔剂法可 以定量控制多孔陶瓷的孔隙率,通过提高孔隙率以 制备具有高渗透性能的多孔陶瓷膜,但孔径会有所 变化。模板剂法已成为制备陶瓷膜的一种新方法, 通过选用不同尺寸大小的模板剂,在调控膜层孔径 的同时,使其分布窄,膜层孔隙率相对较高。纤维 搭建技术可以获得较高的孔隙率,但膜层强度有待 提高。这些高渗透性能陶瓷膜制备方法都具有其各 自的适用性和独特性。 2 高渗透选择性陶瓷膜制备技术研究 渗透选择性主要由膜孔径及其分布决定,微 滤、超滤等陶瓷膜制备技术逐渐成熟,近年来的研 究主要向两个方向发展,一是开发具有较大孔径的 陶瓷膜材料,用于高温气体除尘[34-37],另一方面 是研发更小孔径的陶瓷膜材料,用于纳滤过程,甚 至是气体分离。采用溶胶-凝胶技术进行陶瓷纳滤 膜的研究取得了较多进展。 2.1 溶胶-凝胶技术 溶胶-凝胶技术主要是通过调整材料尺寸控制 陶瓷分离层的分离精度。溶胶-凝胶法可以制备出 ·901· 第1期   范益群等:多孔陶瓷膜制备技术研究进展 平均粒径几百纳米至几纳米的溶胶,得到的膜层孔 径小、孔径分布窄,适用于高渗透选择性的超滤膜 和纳滤膜的制备。 Das等[38]采用平均粒径30~40nm的颗粒溶 胶在0.1~0.7μm孔径范围的支撑体上制备出平 均孔径为10nm的Al2O3 超滤膜,可100%去除水 体中的大肠杆菌。Manjumol等[39]采用颗粒溶胶路 线制备出平均孔径为5nm的 TiO2 超滤膜,对平 均粒径为11nm 的 BSA 截留率高达98%。Va- cassy等[40]采用聚合溶胶路线制备ZrO2 超滤膜, 对蔗糖 (MW=342g·mol-1)的截留率达54%, 对维生素B12 (MW=1355g·mol-1)的截留率达 73%。范苏等[41]利用溶胶-凝胶法在平均孔径为 200nm 的多通道α-Al2O3 支撑体上,制备出了 TiO2 超滤膜,其对葡聚糖的截留分子量为9000 Da,对染料 “直接黑” (MW=909g·mol-1)及 退浆废水中聚乙烯醇 (MW=70000g·mol-1)的 截留率均达到99%以上。此外,控制超滤膜的烧 成温度可以有效调控超滤膜的分离精度,使其适用 于不同的分离和浓缩体系。琚行松[42]采用颗粒溶 胶路线制备出 ZrO2 超滤膜,膜的烧结温度从 1100℃降低到500℃,膜的最可几孔径由50nm减 小到20nm,随着温度的降低分离精度提高。 陶瓷纳滤膜具有更高的分离精度,可用于低聚 糖、染料、多价离子等选择性分离。Tsuru等[43] 通过聚合溶胶路线制备出平均孔径0.7~2.5nm 可调控的TiO2 纳滤膜,对PEG的截留分子量为 500~2000Da,其中截留分子量为800Da的纳滤 膜对 Mg2+的截留率为88%,对棉籽糖 (MW=504 g·mol-1)的截留率达99%。Benfer等[44]以正丙 醇锆为前驱体,采用聚合溶胶路线制备出ZrO2 纳 滤膜,其对染料 “直接红” (MW =990.8g· mol-1)的截留率达99.2%。Tsuru等[45]在平均孔 径约1μm的α-Al2O3 支撑体上经多次涂覆制备出 平均孔径为1.2nm的 TiO2 膜层,其截留分子量 为600Da,对 NaCl的截留率达60%。漆虹等[46] 通过聚合溶胶路线制备出平均粒径为1.2nm TiO2 溶胶,所制备的 TiO2 纳滤膜对PEG的截留分子 量为890Da,对0.025mol·L-1的Ca2+和 Mg2+ 溶液的离子截留率分别达到 96.5% 和 92.8% (pH=4.0,5×105Pa)。Tsuru等[47]采用颗粒溶胶 路线制备了一系列不同粒径分布的SiO2-ZrO2 复合 溶胶,并制备出平均孔径为2.9、1.6、1.0nm的 SiO2-ZrO2 复合膜层,所用的溶胶粒径越小,膜的 平均孔径越小。Aust等[48]通过聚合溶胶路线制备 TiO2-ZrO2 复合纳滤膜,通过调整钛锆前驱体的比 例,制备出不同分离精度的纳滤膜,对染料 “直接 红”的截留率均大于95%,并且相比较于纯TiO2 和ZrO2 纳滤膜,具有较高的相转化温度和热稳 定性。 2.2 修饰技术 溶胶-凝胶法制备小孔径超滤膜已经商业化, 为了进一步提升膜的渗透与分离性能,研究者们也 一直研究减小陶瓷膜孔径和改善孔径分布的修饰技 术。实现陶瓷膜的修饰可以采用化学气相沉积法、 超临界流体沉积技术、原子层沉积技术和表面接枝 技术。这些调控孔的手段不仅可以修复可能存在的 大孔缺陷,提高膜的稳定性[49],还可以进一步减 小膜的孔径,提高膜的分离精度。 2.2.1 化学气相沉积法修饰陶瓷膜孔径 采用化 学气相沉积法 (CVD)在多孔基底表面沉积硅氧 化物或金属氧化物来改善陶瓷膜孔结构以及渗透性 能,是 一 项 非 常 有 效 的 手 段[50]。Labropoulos 等[51]在573K温度下,采用循环CVD的方法,成 功地将 SiO2 膜平均孔径由初始的1nm 减小至 0.56nm。Lin等[52]采用 CVD法对平均孔径为4 nm的γ-Al2O3 陶瓷膜进行修饰,制备出厚约1.5 μm,孔径范围为0.4~0.6nm 的SiO2 膜。Fer- nandes等[53]在多孔石英玻璃上通过CVD沉积硅烷 化的四氯化硅溶液,修饰后的多孔玻璃孔径由初始 的4.4nm减小至2nm。CVD的方法一般需要在 高温、真空的环境中进行,并且要求前驱物具有一 定的挥发性,目前尚处于较多实验室的基础研究 阶段。 2.2.2 超临界流体沉积技术修饰陶瓷膜孔径 超 临界 流 体 沉 积 (supercritical fluid deposition, SCFD)技术是以超临界流体为溶剂 (如 SC- CO2),携带陶瓷前驱物沉积在多孔陶瓷的孔隙中, 是一种修饰陶瓷膜的路线[54]。通过降低压力,陶 瓷前驱物在超临界流体中的溶解度减小并在孔中沉 积下来,从而使陶瓷基体孔径减小。Tatsuda等[55] 采用四异丙苯氧化钛 (TTIP)为前驱物,在介孔 氧化硅材料中修饰TiO2 颗粒,结果表明采用SC- CO2 作溶剂时,TTIP能够渗入平均孔径为2.3~ 2.7nm的介孔氧化硅材料中,使孔道减小。Bras- seur等[56]提出采用超临界异丙醇为溶剂,在氧化 ·011· 化 工 学 报   第64卷  铝基底上沉积钛醇盐前驱体,氧化铝基底的孔径由 110nm减小至5nm。Wang等[57-58]基于孔径变化 的动力学方程、超临界溶液相平衡模型和经典成核 理论建立了一套用于描述超临界流体渗透过程的数 学模型,并通过实验使α-Al2O3 的孔径分布范围变 窄,并将平均孔径由110nm减小至80nm。 2.2.3 其他孔径修饰的新技术 原子层沉积技术 (ALD)是一种可以将物质以单原子膜形式一层一 层地沉积在基底表面的方法。Li等[59]在平均孔径 50nm基底上通过原子层沉积氧化铝层,通过控制 原子层沉积次数来调控膜的平均孔径,在沉积600 次后,对BSA的截留率由2.9%升至97.1%。 目前,表面接枝技术较多地用来调节膜材料的 表面性质[60-66],对于具有较小孔径的膜,接枝过 程也将改变膜的孔结构,达到减小孔径的目的。陶 瓷膜表面一般会吸附水形成羟基团,可以通过接枝 有机硅烷的方法在介孔膜表面修饰一层有机分子 层。通过调控接枝分子的链长与官能团等特性实现 调控孔径大小的目的,以获得特殊的表面性质以适 应各种不同需要[67]。Sah等[62]发现接枝三甲基氯 硅烷可以使多孔基底材料的孔径由2.3nm降低至 2nm。Faibish等[64]通过两步反应将PVP接枝在 陶瓷超滤膜上,改性后的膜孔径减小了25%~ 28%,提高了膜的截留性能。 因此,为制备高渗透选择性陶瓷膜必须努力减 小膜层颗粒的大小及通过修饰技术进一步减小孔 径,并设法获得更窄孔径分布的陶瓷膜,达到更加 精细的分离精度。 3 低成本陶瓷膜制备技术研究 相对于有机膜,陶瓷膜的制备成本较高,其应 用受到了一定的限制。陶瓷膜的制备成本主要集中 在原材料及烧结工艺上,因此,通过添加烧结助剂 以降低烧结温度、采用低成本易烧结原料以降低原 料成本,以及利用先进的烧结工艺以达到低成本控 制已成为陶瓷膜的研究热点。 3.1 低成本易烧结原料降低制备成本 为实现陶瓷膜的低温烧结,降低成本,研究人 员常在骨料中加入一些液相型或者固相型烧结助 剂,前者如高岭土、钾长石等天然硅酸盐黏土矿 物,其在较低的温度便熔融形成液相,在颗粒间毛 细管力的作用下润湿并包裹骨料粉体颗粒,并将颗 粒黏结起来,辅以多孔陶瓷良好的机械强度;后者 如氧化钛、氧化锆、氧化钇等金属氧化物,能与氧 化铝形成多元氧化物固熔物而使烧结温度下降[68]。 胡锦猛等[69]以平均粒径22μm的α-Al2O3 粉 体为骨料,粒径0.5μm的α-Al2O3 粉体为烧结助 剂,采用聚甲基丙烯酸铵和聚乙烯亚胺将烧结助剂 均匀包覆在骨料表面,从而在1550℃下实现烧结, 低于常规烧结温度1700℃,多孔陶瓷的机械强度 为34.2MPa,孔隙率为34%,平均孔径为2.34 μm,纯水通量为205m 3·m-2·h-1 (1MPa)。 Falamaki等[70]采用CaCO3 作为造孔剂混入烧结助 剂制备片式氧化铝多孔支撑体,工业氧化铝 (α- Al2O3 的质量分数高于96%)的粉体平均粒径为 160μm,当CaCO3 含量为5%时,在1350℃下烧 结制得的支撑体孔隙率为 41%,抗弯强度 25 MPa,此时渗透性最大,这是由于液相烧结使得陶 瓷孔道趋于圆柱形,曲折度降低。Wang等[71]以大 颗粒高纯氧化铝粉体 (D50=17.5μm)为原料, 加入5%亚微米级的金红石型钛白粉作为烧结助 剂,在1400℃保温4h烧结,支撑体平均孔径为 2.2μm,抗弯强度55MPa,经过NaOH溶液处理 后,强度仍能维持在50MPa。 廉价的天然非金属矿物高岭土、工业用的莫来 石、工业废弃物粉煤灰等也被用作膜材料,以实现 陶瓷膜的低成本化制备[72-74]。Almandoz等[75]以高 岭土、石英、氧化铝和碳酸钙为原料在1200~ 1300℃烧结后制备出无支撑的板状微滤膜。Ma- jouli等[76]采 用 珍 珠 岩 (主 要 成 分 为 SiO2 和 Al2O3)制 备 平 板 膜 支 撑 体,当 烧 结 温 度 为 1000℃,支撑体孔径为6.64μm,孔隙率41.8%, 纯水渗透通量为1797L·m-2·h-1 (0.1MPa), 支撑体在1mol·L-1的 HNO3 和 NaOH (80℃) 溶液中静置7天后质量损失分别为0.2%和6%, 说明支撑体有较好的耐酸腐蚀性能。Dong等[77]以 粉煤灰为膜层材料,采用喷涂法在堇青石管式支撑 体上制备微滤膜,烧结后膜层主要为堇青石和莫来 石相,随烧结温度的提高,膜层平均孔径增大且分 布变宽,主要是因为在较高温度时,在液相烧结的 作用下,颗粒尺寸增大使得大孔形成,小孔消失, 在1150℃下烧结,支撑体的平均孔径为5μm,孔 隙率达54%。 3.2 烧结工艺降低制备成本 为了获得多层非对称结构,多孔陶瓷膜必须经 过多次烧结,造成烧结工艺周期长、能耗高,这已 ·111· 第1期   范益群等:多孔陶瓷膜制备技术研究进展 成为陶瓷膜成本难下降的关键制约瓶颈。为了解决 这一难题,除了上述采用烧结助剂或采用易烧结材 料以降低烧结温度外,减少烧结时间或缩短制备周 期也可以达到降低烧结工艺成本的目的。 在减少烧结时间方面,一些研究者采用快速烧 结技术以显著缩短烧结时间从而降低烧结成本,其 中微波烧结技术是较多采用的方法。该技术是一种 非接触技术,热通过电磁波的形式传递,可直达材 料内部,最大限度地减少了烧结的不均匀性,可在 缩短烧结时间的同时,降低烧结温度[78]。微波技 术大多用于制备几近致密的陶瓷复合物,如 Al2O3-ZrO2[79]、Al2O3-TiO2[80]等,同时由于其可 改善材料组织、提高材料性能,亦可用于多孔陶瓷 复合物的制备。Oh等[81]采用微波烧结技术制备多 孔Al2O3-ZrO2 陶瓷,结果显示,相比于传统烧结 技术,其具有更高的弹性模量及断裂强度,机械强 度显著增强。 在缩短烧结周期方面,一些研究者借鉴低温共 烧陶瓷技术在多层结构陶瓷元器件封装领域的成功 应用,提出采用共烧结技术来减少烧结次数,从而 降低烧结成本。Feng等[82-83]采用在刚性支撑体将 过渡层和分离层共烧结从而实现双层 Al2O3 微滤 膜的制备后,又进一步制备出ZrO2 及Al2O3 微滤 膜。Qiu等[33]以 TiO2 陶瓷纤维作为过渡层材料、 TiO2 溶胶作为分离层材料,通过将分离层材料掺 杂入过渡层以实现共烧结,从而制备出具有高通 量、高分离选择性的 TiO2 超滤膜,同时解决了 TiO2 陶瓷纤维成膜结合强度较差的缺点。Dong 等[84]以两种低成本的、具有较小的烧结收缩差异 的工业级堇青石粉体为原料,采用共烧结技术制备 出双层高质量堇青石微滤膜,平均孔径分别为 1.55μm和2.17μm。 综上所述,低成本陶瓷膜制备技术主要是基于 采用低廉的陶瓷膜制备原材料、通过添加烧结助剂 和优化烧结条件等方面来考虑,为推进陶瓷膜大规 模工业化应用奠定良好的基础,但其在强酸强碱等 苛刻环境中的应用稳定性尚需更深入的考察。 4 结束语 多孔陶瓷膜制备技术研究以提高陶瓷膜整体性 能为导向,通过对陶瓷膜微结构的调控,实现陶瓷 膜制备技术的突破。经过多年的发展,现已形成以 固态粒子烧结技术、溶胶-凝胶技术等传统陶瓷膜 制备技术为基础,造孔剂法、模板剂法、修饰技术 等陶瓷膜制备新技术蓬勃发展的新态势。这些方法 互相借鉴互相融合,对提高膜性能,降低膜的制造 成本起到了促进作用,在很大程度上也进一步促进 了对膜制备过程的定量控制,正因为如此,陶瓷膜 制备技术已从经验为主推进到定量控制的水平,推 动了陶瓷膜产品的工业化发展。 未来陶瓷膜领域的发展趋势将集中在以下5个 方面:(1)进一步提高陶瓷膜材料的分离精度及其 分离稳定性,使其在液体分离领域实现纳滤级别的 连续高效运行,在气体分离领域实现多组分气体的 高效分离;(2)研制具有大孔径及高孔隙率的耐高 温陶瓷分离膜材料,使其在资源的高效利用及环境 保护等领域实现高温气固分离过程的长期稳定运 行;(3)实现陶瓷膜表面性质的调控,通过改变其 表面亲疏水性及荷电性、生物兼容性等以拓展陶瓷 膜的应用领域;(4)实现陶瓷膜的低成本化生产, 结合构建面向应用过程的膜材料设计与制备方法, 解决陶瓷膜推广应用的瓶颈问题;(5)研制耐强酸 强碱等苛刻体系的膜材料,提高膜材料分离性能的 稳定性,拓展其在过程工业的应用范围。 多孔陶瓷膜制备技术研究必将进一步引领和推 动陶瓷膜技术及产业的发展,进而实现制备技术从 理论到应用的转化。早日攻克困扰陶瓷膜技术发展 的热点及瓶颈性难点,将缓解过程工业面临的资 源、能源与环境的瓶颈压力。 References [1] Pabby A K,Rizvi S S H,Sastre A M.Handbook of Membrane Separations:Chemical,Pharmaceutical,Food, and Biotechnological Applications [M].New York:CRC Press,2008 [2] Xu Nanping (徐南平).Development status and prospect of inorganic membranes [J]. 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