陶瓷膜的作用和分類

陶瓷膜(ceramic membrane)又稱無機(jī)陶瓷膜，是以無機(jī)陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制備而形成的非對(duì)稱膜。陶瓷膜分為管式陶瓷膜和平板陶瓷膜兩種。請(qǐng)注意，“CT膜”并非陶瓷膜的別名，該稱謂實(shí)為非專業(yè)人士對(duì)陶瓷膜英文簡(jiǎn)稱的一種錯(cuò)誤表述。管式陶瓷膜管壁密布微孔，在壓力作用下，原料液在膜管內(nèi)或膜外側(cè)流動(dòng)，小分子物質(zhì)（或液體）透過膜，大分子物質(zhì)（或固體）被膜截留，從而達(dá)到分離、濃縮、純化和環(huán)保等目的。

平板陶瓷膜板面密布微孔，根據(jù)在一定的膜孔徑范圍內(nèi)，滲透的物質(zhì)分子直徑不同則滲透率不同，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，膜為過濾介質(zhì)，在一定壓力作用下，當(dāng)料液流過膜表面時(shí)，只允許水、無機(jī)鹽、小分子物質(zhì)透過膜，而阻止水中的懸浮物、膠和微生物等大分子物質(zhì)通過。陶瓷膜具有分離效率高、效果穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐有機(jī)溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、機(jī)械強(qiáng)度高、再生性能好、分離過程簡(jiǎn)單、能耗低、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、使用壽命長等眾多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成功應(yīng)用于食品、飲料、植（藥）物深加工、生物醫(yī)藥、發(fā)酵、精細(xì)化工等眾多領(lǐng)域，可用于工藝過程中的分離、澄清、純化、濃縮、除菌、除鹽等。

陶瓷膜分離工藝是一種“錯(cuò)流過濾”形式的流體分離過程：原料液在膜管內(nèi)高速流動(dòng)，在壓力驅(qū)動(dòng)下含小分子組分的澄清滲透液沿與之垂直方向向外透過膜，含大分子組分的混濁濃縮液被膜截留，從而使流體達(dá)到分離、濃縮、純化的目的。

陶瓷膜是由孔隙率30%~50%、孔徑50nm~15μm的陶瓷載體，采用溶膠-凝膠法或其它工藝制作而成的非對(duì)稱復(fù)合膜。用于分離的陶瓷膜的結(jié)構(gòu)通常為三明治式的：支撐層（又稱載體層）、過渡層（又稱中間層）、膜層（又稱分離層）。其中支撐層的孔徑一般為1~20μm，孔隙率為30%~65%，其作用是增加膜的機(jī)械強(qiáng)度；中間層的孔徑比支撐層的孔徑小，其作用是防止膜層制備過程中顆粒向多孔支撐層的滲透，厚度約為20~60μm，孔隙率為30%~40%；膜層具有分離功能，孔徑從0.8nm~1μm不等，厚度約為3~10μm，孔隙率40%~55%。整個(gè)膜的孔徑分布由支撐層到膜層逐漸減小，形成不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)分布。

多孔膜

多孔陶瓷膜的構(gòu)型主要有平板、管式和多通道3種，其中平板膜主要用于小規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室研究。管式膜組合起來形成類似于列管換熱器的形式，可增大膜裝填而積，但由于其強(qiáng)度問題，已逐步退出工業(yè)應(yīng)用。規(guī)模應(yīng)用的陶瓷膜，通常采用多通道構(gòu)型，即在一圓截面上分布著多個(gè)通道，一般通道數(shù)為7、19、37等。無機(jī)陶瓷膜的主要制備技術(shù)有：采用固態(tài)粒子燒結(jié)法制備載體及微濾膜、采用溶膠凝膠法制備超濾及納濾膜、采用分相法制備玻璃膜、采用專門技術(shù)（如化學(xué)氣相沉積、無電鍍等）制備微孔膜或致密膜等，其基本理論涉及材料學(xué)科的膠體與表面化學(xué)、材料化學(xué)、固態(tài)離子學(xué)、材料加工等。

多孔陶瓷膜由于具有優(yōu)異的耐高溫、耐溶劑、耐酸堿性能和機(jī)械強(qiáng)度高、容易再生等優(yōu)點(diǎn)，在食品、生物、化工、能源和環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。某課題組主要對(duì)以氧化鋁和特種燒結(jié)促進(jìn)劑為起始原料，在1400℃的燒成溫度下制備出的支撐體進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究，得到滲透性能、機(jī)械性能及耐腐性能統(tǒng)一的支撐體。他們還以原料性質(zhì)預(yù)測(cè)支撐體的孔結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，以支撐體的制備過程和微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立了原料性質(zhì)與支撐體孔隙率、孔徑分布之間的計(jì)算方法，為特定孔結(jié)構(gòu)支撐體的定量制備提供了理論依據(jù)。

過濾膜

2004年8月，由北京邁勝普技術(shù)有限公司與山東魯抗醫(yī)藥有限公司研制的陶瓷膜過濾系統(tǒng)用于某種抗生素的分離提純獲得成功，這不僅優(yōu)化了此種抗生素的生產(chǎn)工藝，而目使抗生素收率提高15%，這是中國首次將陶瓷膜技術(shù)運(yùn)用于抗生素生產(chǎn)?？股氐姆蛛x提純，必須經(jīng)過對(duì)發(fā)酵液的過濾和對(duì)濾出的藥液進(jìn)行樹脂交換。許多抗生素生產(chǎn)企業(yè)對(duì)氨基糖苷類抗生素發(fā)酵液的分離提純均采用真空轉(zhuǎn)鼓過濾器，這種工藝需先將發(fā)酵液酸化調(diào)至一定的pH值，然后用敷設(shè)助濾劑層的真空轉(zhuǎn)鼓過濾器進(jìn)行預(yù)過濾，再用板框進(jìn)行復(fù)濾及樹脂交換。采用這種工藝不僅過程繁瑣，而目有效成分收率低，僅過濾和樹脂交換過程的收率損失達(dá)30%。

而運(yùn)用“邁勝普”與“魯抗”共同研制的陶瓷膜過濾系統(tǒng)分離提純某種抗生素，卻能使有效成分在過濾過程的收失損提高近5%，在樹脂交換過程中的收率提高10%以上。西方發(fā)達(dá)國家在食品工業(yè)、石油化工、環(huán)境保護(hù)、生化制藥等許多領(lǐng)域?qū)δぜ夹g(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，而用無機(jī)材料制成的過濾膜的發(fā)展前景有可能比有機(jī)過濾膜更好。對(duì)于面臨抗生素政策性降價(jià)和抗菌藥限售雙重壓力的眾多抗生素生產(chǎn)企業(yè)而言，通過創(chuàng)新工藝提高產(chǎn)品收率和質(zhì)量不失為降低成本的明智選擇，而以陶瓷膜技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)行抗生素分離提純工藝有可能成為降成本、提高效益的突破口。

包裝膜

在食品包裝領(lǐng)域，引人注目的是具有高功能性和良好環(huán)保適應(yīng)性的透明鍍陶瓷膜。這種膜盡管價(jià)格較高，物理性能還有待進(jìn)一步改進(jìn)，但可預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來它將在食品包裝材料中占據(jù)重要的地位。陶瓷膜的加工鍍膜方法與通常的鍍金屬方法相似，基本上按己知的加工法進(jìn)行。鍍陶瓷膜由PET(12μm)陶瓷(SiOx)組成。氧化硅能分成4類，即SiO、Si?O?、Si?O?、SiO?。然而，在自然界它們通常以SiO?形式存在，因此根據(jù)鍍金屬條件，它們的變化很大。對(duì)這種膜的主要要求是具有良好的透明度、極佳的阻隔性、優(yōu)良的耐蒸煮性、較好的可透過微波性與良好的環(huán)境保護(hù)性以及良好的機(jī)械性能。

鍍陶瓷膜基本上可以用制作鍍鋁膜一樣的條件制取，在制取過程中，仔細(xì)處理表面層，不使鍍層受到損傷是極其重要的。由于這種膜是由氧化硅處理的，表面具有極好的潤濕性，因此，它在油墨或粘合劑的選擇范圍上比較廣，幾乎與任何油墨或粘合劑都能親和。聚氨酯類粘合劑是最可取的粘合劑，而油墨可以按用途任意選擇，不用進(jìn)行表面處理。然而，鍍陶瓷膜像鍍鋁膜那樣容易向聚乙烯復(fù)合，因?yàn)镻ET膜作為基材料，當(dāng)其氧化硅表而直接熔融聚乙烯高溫涂布或復(fù)合時(shí)，易趨向于伸長，從而破壞氧化硅表面層，導(dǎo)致阻隔性下降。同時(shí)，由于技術(shù)工藝上的問題，PET膜在鍍陶瓷過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生卷曲，從而影響膜的質(zhì)量。當(dāng)然，這類問題正得到解決。

鍍陶瓷膜首先用作細(xì)條實(shí)心面的調(diào)味品包裝材料。其優(yōu)良的包裝性能引起了人們的注意。由于這種膜保味性極佳，因此，尤其適合于包裝易升華產(chǎn)品，如茶（樟腦）之類的易揮發(fā)材質(zhì)。由于其極好的阻隔性，除了作為高阻隔性包裝材料和作食品包裝材料用外、預(yù)計(jì)還可用在微波容器上作為蓋材，在調(diào)味品、精密機(jī)械零配件、電子零件、藥物和醫(yī)藥儀器等方而作為包裝材料。隨著加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，如果這種膜在成本上大幅下降，那么它將得到迅速推廣和應(yīng)用。

電池膜

“863”計(jì)劃固體氧化物燃料電池(SOFC)項(xiàng)目經(jīng)過對(duì)新型中溫固體氧化物陶瓷膜燃料電池的長期研制，把陶瓷膜制備技術(shù)開拓應(yīng)用于SOFC的制作，把通常SOFC的高溫(1000~900℃)拓延到中溫階段(700~500℃)。中國科技大學(xué)無機(jī)膜研究所已經(jīng)研制成功的新型中溫陶瓷膜燃料電池，是一種以陶瓷膜作為電解質(zhì)的燃料電池。電池部件薄膜化以后，降低了電池的內(nèi)阻，提高了有用功率的輸出，不需要高溫的條件下實(shí)現(xiàn)了中溫化，操作溫度降到700~500℃。這種新型燃料電池繼承了高溫SOFC的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低了成本。此類陶瓷膜燃料電池具有廣闊的應(yīng)用前景。

隔熱膜

2004年8月，基于金屬膜對(duì)無線電信號(hào)的干擾和容易氧化等缺點(diǎn)，中國韶華科技公司攜手德國某著名工業(yè)研究機(jī)構(gòu)共同開發(fā)融入納米蜂窩陶瓷技術(shù)，并將韶華科技獨(dú)有的真空濺射技術(shù)用于陶瓷隔熱膜的生產(chǎn)上，創(chuàng)造了獨(dú)一無二的琥珀陶瓷隔熱膜，解決了金屬膜無法逾越的技術(shù)問題。對(duì)無線電信號(hào)無任何干擾，特別是衛(wèi)星的短波信號(hào)，絕不氧化，因?yàn)樘沾沙鯇こ５姆€(wěn)定性，從而保證隔熱性能始終如一。

永不褪色，陶瓷隔熱膜采用陶瓷固有的顏色，不添加任何顏料，囚此，陶瓷隔熱膜絕不會(huì)像染色金屬會(huì)發(fā)生褪色現(xiàn)象。超級(jí)耐用，陶瓷隔熱膜保質(zhì)期為10年，金屬膜一般為5年。經(jīng)典美感，象琉泊一樣的晶瑩剔透的美感，色澤柔和，擁有最舒適的視覺效果。琥珀納米陶瓷隔熱膜最先應(yīng)用于美國的航天飛機(jī)和國際空間站，而后廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、海事等各個(gè)領(lǐng)域。由于技術(shù)敏感，直到2003年該產(chǎn)品才在中國銷售。