面向过程的陶瓷膜制备应用.pdfVIP

面向过程的陶瓷膜制各与应用 邢卫红李卫星徐南平 (南京工业大学膜科学技术研究所，江苏南京210009) 摘要针对陶瓷膜厚度定量控制技术进行了深入研究，建立了膜厚控制理论模型，实现了陶瓷膜微 结构参数(膜厚)的定量控制。通过陶瓷膜材料性质的实验分析。解释了乳化废水体系陶瓷膜孔径 对渗透性能影响，在膜材料性质与体系匹配实验数据的基础上，设计出合适的陶瓷膜材料用于钢铁 废水的处理，渗透通量提高1倍，并在国内诸多相关企业建立了数十套成套装备．取得了很好的经 济和社会效益。实际应用结果表明，面向应用过程的陶瓷膜设计和应用方法具有较好发展潜力和广 阔的应用前景。 关键词 面向过程 陶瓷膜 制备 模型 1引言 陶瓷膜孔径分布均一、材料性能优异(耐酸碱、高强度)、采用错流方式进料，操作的稳 定连续性，在固液分离领域中获得了广泛的应用，被认为足高性能价格比且环保型的单元操 作…。但膜污染引起了过滤渗透通量的大幅衰减，成为工业操作上的一大障碍。陶瓷膜所具有 的优异的材料性能应该使其在化学工业、石油化工、冶金工业、生物工程、环境工程、食品 发酵和制药等诸多领域有广泛的应用空间。但就目前市场份额分配现状而言，陶瓷膜的应用 远未达到预期的程度。 限制陶瓷膜应用最大的问题是成本，如何提高陶瓷膜应用过程的综合效益成为陶瓷膜应 用领域关注的核心问题，陶瓷膜应用的高成本与模式有很大的关系。目前，膜工程应用研究 的基本方法是通过实验的方法在现有的商品膜中挑选合适的膜材料，然后进行操作条件的优 化设汁和工程的技术经济比较分析，以此来判断工程的可行性。为此，我们提出了面向应用 过程的陶瓷膜材料设计、制备与应用的研究思路口“，通过针对性的陶瓷膜设计能发挥其最大 效率，减轻膜污染，极大降低陶瓷膜投资和运行成本。期望通过理论与实验相结合的研究． 建立依据应用过程的需求进行陶瓷膜材料设计的理论框架，将陶瓷膜过程的设计从工艺操作 条件的优化设计推进到膜材料微结构的优化设计。 面向应用过程的陶瓷膜材料设计方法，即针对实际应用体系的性质和需求，以分离功能 最大化为目标函数对陶瓷膜微结构进行优化设计，并将设计的膜定向制各出来，然后进行过 程操作参数的优化设计，主要包括两个关键问题：其一是陶瓷膜的功能与微结构的定量关系， 这是膜材料微结构设计的基础；其二是膜材料微结构与膜制备过程中控制参数的定量关系， 这是膜材料制备定量控制的基础，只有对膜材料制各过程进行定量控制，才有可能定向制备 出特定微结构的膜材料。 本文就陶瓷膜定量制各技术和面向应用过程的陶瓷膜工程应用进行详细探讨，着重考察 厚度的定量控制理论和方法，并在面向应用过程的陶瓷膜设计方法指导下进行制各和应用研 究。 2陶瓷膜厚度定量控制模型 面对越来越多、复杂多样的应用体系对陶瓷膜的需求，有限的膜品种已经成为膜应用领 域的拓展和膜产业发展的重要障碍。而导致膜品种滞后的主要原因是：膜材料的微结构形成 14 机理与控制方法这一膜制各领域的科学问题没有很好的解决。即，实验室制备的膜性能与工 业产品性能差别很大，导致一些关键膜材料一直没有实现产业化。这表明膜制备的现状是以 经验为主，达不到定量控制的程度，膜制备过程存在放大效应。 解决这一问题的根本方法是建立膜的微结构参数与膜制备过程控制参数的定量关系，实 现膜的制备从目前以经验为主向定量控制的转变。而陶瓷膜微结构的特点决定了膜制备的复 杂性。面向这一复杂的制各过程，现有的理论和机理尚不够成熟，还不能够建立理论上的定 量关系，要建立定量的控制方法，必须将理论与实验研究和模型化方法相结合。因此，在膜 材料制备研究中，结台现有理论基础，引入化学工程学科的实验与模型化方法，是建立定量 控制理论与方法的重要发展方向。本文以“浸浆(Dip．coating)”成型法成膜过程中毛细过滤 (Capillary 析。并通过实验研究，采用化学工程学科理论与实验相结台的模型化方法，建立陶瓷膜厚度 定量控制模型，以期为陶瓷膜制各过程中厚度的控制提供指导。 2．1模型建立 采用“浸浆”方法制备多孔陶瓷膜的过程，是将含有膜材料的超细粒子分散在介质中形成稳 定的浆料(Suspension)，经过涂膜在多孔支撑体上形成湿膜，再经干燥和烧结后得到多孔支撑 膜．浸浆成型法涂膜过程中包括两个步骤：载体与浆料接触