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无机膜分离技术简介及应用

摘要：本文主要介绍了无机膜分离技术的原理和制备方法，影响分离性能的因素以及无机膜分离技术在各方面的应用。
关键词：无机膜分离技术；结构及组件；制备；影响因素；应用
无机膜是固体膜的一种,它是由无机材料如金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料等制成的半透膜。无机膜在液体分离方面的应用研究,始于20世纪70年代中期。20世纪80年代初,无机膜在液体分离中的应用取得了实质性的进展,实现了产业化应用,尤其是陶瓷膜,成功地在法国的奶业和饮料(葡萄酒、啤酒、苹果酒)业推广使用后,其技术和产业地位逐步确立。无机膜具有以下一些优点:①化学稳定性好,能耐酸、耐碱、耐有机溶剂;②机械强度大,担载无机膜可承受几十个大气压的外压,并可反向冲洗;③抗微生物能力强,不与微生物发生作用,可以在生物工程及医学科学领域中应用;④耐高温,一般均可以在400℃下操作,最高可达800℃以上;⑤孔径分布窄,分离效率高。
1无机膜的分离原理
无机膜的分离过程可以看作是与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，膜为过滤介质，在一定压力作用下，当料液流过膜表面时，只允许水无机盐小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物胶体和微生物等大分子物质通过膜的截留作用可归纳为筛分作用，架桥作用及吸附作用。这种筛分作用通常造成污染对物在膜表面的截留和膜孔的堵塞无机膜技术在液相分离中基本原理是:在压力差下,利用膜孔的筛分特性,使混合物组分得到分级或分离。产品可以是渗透液、截留液或两者皆是。无机膜的分离特性以渗透通量和渗透选择性为衡量指标,二者均与膜结构、分离对象体系性质及操作条件等密切相关。

2无机膜的结构及组件

微孔管的多层不对称结构

无机膜主要有两大类，即微孔膜及致密膜。对于微孔型的无机膜，在使用中大多制成多层、不对称的复合结构，即多孔的载体上支撑着一层极薄的控制层，如图所示。
多孔载体（底层）具有一定的机械强度，约数毫米厚，孔径1015m左右，它是整个膜管的基体。多孔载体一般由三氧化二铝、二氧化锆、碳、金属、陶瓷以及碳化硅材料制成。在载体的上面有孔径很小、厚度很薄的控制层，用于物质的分离与富集。分离膜的厚度一般为0.510m，现在正在向超薄膜发展。工业应用的分离膜孔径在4nm5m。在载体与控制膜层之间，还可以包含一层或多层的中间过渡层，其作用是防止活性分离层制备过程中颗粒向多孔载体渗透。由于有过渡层的存在，多孔载体的孔径可以制备得较大，因而膜的阻力小，膜渗透通量大。根据需要，过渡层可以是一层，也可以是多层，其孔径逐渐减小，以与活性分离层匹配。一般而言，过渡层的孔径在0.25m之间，每层厚度不大于40m。
对于致密型的无机膜，例如金属Pd或Pd合金膜，既可以制成单层对称的结构，也可以制成多层不对称的结构，膜厚20m，有的可薄至56m，具有极高的渗透速率。
目前，商品化无机膜的几何结构主要有三种类型：即平板型、管型及多通道型（蜂窝型）。平板型主要用于小规模的工业生产和实验室实验，管型和多通道型更适合于组装成分离元件或膜反应器，特别是多通道结构的单位体积膜面积大，被更多地工业过程采用。
3无机膜的制备
无机膜的制备方法与材料的种类、膜及载体的结构、膜孔径大小、孔隙率和膜厚度密切相关，并在借鉴陶瓷、金属材料的制备技术的基础上形成了多种制膜工艺。目前几种常见的制备方法有：溶胶—凝胶法、阳极氧化法、相分离—沥滤法、热分解法、水热合成法等。
3.1多孔无机膜的制备
（一）多孔支撑体的制备
1、干压成型法
2、注浆成型法
3、挤出成型法
4、流延成型方法
（二）分离层的制备
1、溶胶—凝胶法
溶胶—凝胶法是合成无机膜的一种重要方法。采用这种工艺可以制得孔径小(1.0～5.0nm)、孔径分布窄的陶瓷膜，许多单组分和多组分金属氧化物陶瓷膜，例如：Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、Al2O3－CeO2、TiO2－SiO2、SiO2－ZrO2、TiO2-ZrO2膜等。这种陶瓷膜作为控制层既可用于超滤和气体分离，也可经修饰后作为催化膜用于膜反应器。
2.阳极氧化法
阳极氧化法是目前制备多孔A12O3功能薄膜的重要方法之一。该法制得的膜孔径均一、同向、且几乎互相平行并垂直于膜表面，这是其他方法难以达到的。
3.相分离—沥滤法
4.热分解法
5.水热法
6.其他方法（1）放射粒子径迹刻蚀法（2）聚合法
3.2致密膜的制备
致密膜有两类：金属及其合金膜；另一类为具有选择透氧功能的金属氧化物膜。下面分别介绍这两类致密膜的制备方法。
（一）金属致密膜的制备
钯等金属膜的制备方法是指用溅射、离子镀、金属镀及气相沉积等手段，将膜料沉积在多孔陶瓷、玻璃或多孔不锈钢载体上制造微孔金属膜或氧化物薄膜的方法。其制备过程大致分为两个步骤：