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    多孔陶瓷材料引領國內過濾技術發展



    隨著科技和工業化生產的發展,能源、資源、三廢治理等問題更加受到重視。尤其是生物化工、精細化工、能源材料等高技術領域的迅速發展,對液、固分離技術的研究和開發提出更高的要求,高分離精度、高運行效率的微孔過濾技術及微孔過濾材料愈來愈引起人們的重視。微孔陶瓷材料由于具有孔隙率高、透氣阻力小、可控孔徑、清洗再生方便以及耐高溫、高壓、耐化學介質腐蝕等特點,在許多領域具有較大的應用市場。以微孔陶瓷材料做過濾介質的陶瓷微過濾技術及陶瓷過濾裝置由于其不僅解決了高溫、高壓、強酸堿和化學溶劑介質等難過濾問題,而且由于本身具有過濾精度高、潔凈狀態好以及容易清洗、使用壽命長等特點,目前已在石油、化工、制藥、食品、環保和水處理等領域得到廣泛應用。
    進入新世紀以來,中材高新先后承擔了科技部中小型企業創新基金項目、科研院所社會公益基金項目、科技部技術開發研究專項資金項目及國家863計劃等重大科研項目的研究工作。目前,在微孔陶瓷材料的制備工藝及性能檢測、陶瓷過濾器的設計及應用、陶瓷微濾膜及高溫氣體凈化用陶瓷過濾材料及過濾裝置的研制及開發方面具國內領先地位。
    中材高新下屬的過濾陶瓷部是一個集陶瓷過濾材料、過濾裝置的研究、開發、設計及生產為一體的高科技實體,擁有近20項省、部級科研成果和專利技術,是目前國內研制、生產微孔陶瓷系列制品及陶瓷過濾器種類最多、應用面最廣、生產技術較為成熟的專業生產廠家。其主要產品包括各種規格的微孔陶瓷過濾元件和微孔陶瓷過濾器、高性能陶瓷膜過濾元件及陶瓷膜過濾裝置、高溫氣體凈化(高溫除塵)用高溫陶瓷過濾材料及高溫陶瓷除塵器、高溫融體過濾用泡沫陶瓷過濾元件以及陶瓷凈水器、陶瓷曝氣器、陶瓷消聲器、各種陶瓷電解隔膜等。產品已廣泛應用于化工、制藥、冶金、水處理及環保工業。
    國內外發展現狀
    國外多孔陶瓷材料研究開發和應用已有8 0 余年歷史,陶瓷膜產品研制、開發、應用也有近30年歷史,其產品的產業化、商業化程度已達到較高的水平,產品的技術水平也有了很大提高。20世紀50年代,法國、美國等先后開發了各種SiC、莫來石、ZrO2、陶瓷纖維等氣、液過濾、微生物處理用微孔陶瓷過濾元件,主要用于化工、食品、飲料及水處理行業。20世紀70年代日本等國家在高溫氣體凈化、煙氣除塵用多孔陶瓷過濾材料研究方面取得了較大進展,如日本旭硝子公司等生產的高溫陶瓷過濾器在化鐵爐等高溫煙氣除塵方面大量推廣應用。從20世紀80年代開始,國外在陶瓷膜的研究及開發應用、高溫陶瓷熱氣體凈化技術方面研究又取得較大的突破。目前國外已有專業的多孔陶瓷材料及陶瓷膜材料生產廠家300余家,如日本N G K和T D K 、法國的C E R V E R 、美國的Corning和Filter、烏克蘭的Fairey工業陶瓷公司、芬蘭奧托昆明克公司等。其中美國過濾器公司已成為目前全球最大的無機陶瓷分離膜及設備供應商,芬蘭奧托昆明克公司生產的陶瓷真空圓盤過濾機目前已在100多個國家使用。美國Anguil 環境系統公司生產的自潔式高溫陶瓷過濾器采用了陶瓷過濾和催化凈化技術,目前已有1600余套高溫氣體過濾裝置在各個領域應用。
    相比之下,國內在多孔陶瓷材料產業發展方面與國外先進國家相比存在明顯不足,其中一方面是國內多孔陶瓷材料的發展技術不平衡,其二是國內絕大多數對多孔陶瓷材料缺乏必要的了解。近年來,在國家科技攻關政策的扶持下,尤其是在國家環保、節能政策的引導下,國內多孔陶瓷材料及膜材料技術有了較快的發展,產業化及市場化規模逐漸擴大。如中材高新材料股份有限公司(山東工業陶瓷研究設計院)在長期研究、開發多孔陶瓷材料基礎上,近幾年在國家幾項重大科研項目支持下,目前已在陶瓷微濾材料、高溫陶瓷過濾材料及膜材料方面逐漸形成了自己的技術優勢,并且在產品市場推廣和產業化方面有了一定規模。江蘇省九吾高科技發展公司、合肥世杰膜工程有限責任公司等在陶瓷膜材料制備技術方面也在一定程度上達到國外先進水平。不容諱言,多孔陶瓷材料由于受產品制造水平及應用技術的限制,目前在國內過濾分離領域所占的市場份額較小,產品的產業化水平普遍較低。但可以預言,隨著國內化工形式好轉、能源和環保產業政策的扶持以及國外同行業技術的不斷發展和應用市場的不斷擴大,多孔陶瓷材料產業在國內將會迎來更好的發展前景。
    市場應用
    從多孔陶瓷材料及膜材料的性能特性來講,由于其具有良好的耐熱性能和介質腐蝕性能,因此可以應用于除HF、熱磷酸以外所有介質過濾。另外,多孔陶瓷過濾材料高的過濾精度(0.1μm)、在線清洗性能以及自潔性能(無度無味、對介質無污染)和良好的操作性能,使其在許多領域具有好的推廣應用前景。
    石油、化學工業石油、化學工業領域常涉及到工藝原料氣、工藝原料液凈化問題,其中少量固體必須最大限度除去。由于原料氣、液常涉及高溫、高壓或強腐蝕性,其他分離材料無法應用,只能采用陶瓷材料。目前很多廠家都有這種要求,如堿廠濾液過濾、聚晴胺工藝料液凈化,分子篩、催化劑生產過程中產品回收,鈦白粉生產中偏鈦酸細微粒子回收,超細粉體生產過程中產品回收,鹽水及氯化鈣等溶液的過濾等。另外,陶瓷過濾器在國內各大煉油廠中航空煤油過濾、催化氣體凈化、石蠟加氫工藝中也得到推廣應用。
    制藥及食品行業
    制藥及食品行業常涉及活性炭進行脫色過濾及催化劑過濾問題。由于這些介質過濾通常要求過濾精度比較高,又常涉及到高溫(60~150℃)和腐蝕性溶液等,采用傳統的袋式過濾器或離心過濾機一般很難達到好的去初效果或根本無法使用。使用微孔陶瓷或陶瓷膜過濾器則可很容易解決這個問題,它不但可以提高濾液質量,而且濾芯清洗再生效果好,可長時間連續使用。
    無菌空氣及壓縮氣體凈化
    采用微孔陶瓷過濾器進行空氣的無菌處理具有潔凈狀態好、濾速高、凈化效果好、再生周期長(1~2月)、清洗效果好、可高溫消毒殺菌等特點,在制藥、啤酒行業發酵用無菌空氣制備方面具有很好的應用前景。因此,采用微孔陶瓷過濾器代替價格昂貴的金屬過濾器用于食品、釀造及制藥行業發酵無菌空氣的制備是完全可行的。另外,陶瓷過濾器用于高壓壓縮氣體的凈化,用于除油、除雜質,在國內也得到推廣應用。其次,陶瓷過濾器在高壓高溫蒸氣(150~200℃)凈化方面也有較大的應用市場。
    水處理在水處理領域,陶瓷過濾材料可應用于生活飲用水處理、工廠工藝用
    水制備、工業循環水凈化及工業污水和城市生活廢水處理等。如采用硅藻土質陶瓷濾芯進行家庭生活飲用水凈化,具有獨特的除菌和再生性能,目前已在中國、韓國、美國、英國、日本和中國臺灣等得到大量開發和應用。陶瓷過濾材料用于工業冷卻水處理及酸堿性廢水處理,目前已在國內的蓄電池行業、石化行業、電廠中取得了較好的應用成果。在工業污水處理方面,陶瓷膜過濾裝置用于乳化油廢水處理、印鈔及印染廢水處理,不僅可以保證廢水達標排放或回用,而且還可大大降低處理成本。實驗數據表明在國內采用陶瓷微濾膜過濾裝置處理工業廢水,相同情況下,其設備價格僅為進口有機膜設備的1/4左右,運行費用約為其1/10左右。
    高溫氣體凈化
    很多生產領域,如電廠進入第二渦輪室用燃燒氣體制備、露點以上碳水化合物生產熱氣體中粒子雜質去除、燃煤鍋爐高溫煙氣凈化、冶金爐、電石爐等排出的高溫含塵氣體凈化等都需要一種高效粒子去除設備。目前,國內采用的熱氣體粒子去除裝置絕大多數為旋風除塵,由于其運行和分級效率低,約為0 . 8 9 % ~0 . 9 6 %和dc50為6.5~8.5μm,即使采用三級旋風處理,其排出物濃度仍將數倍于NSPS最大極限,也達不到目前現行煙氣排放標準200mg/m3。高溫過濾技術是近20年來粒子控制技術最主要發展,在其它過濾介質不能選用的情況下,高溫陶瓷過濾器則成為首選過濾設備,其除塵效率可達99.5%以上,分級效率為dc50為1μm。該產品的產業化將會對國內日益迫切的冶金爐含塵氣體排放,電石廠電石氣回收,PGBC裝置熱氣體凈化技術水平提高起到重要促進作用。
    飲料、食品工業
    根據陶瓷膜特點和國外發展陶瓷膜經驗,陶瓷膜在我國應用領域極其廣泛,食品工業是其重要應用領域,諸如礦泉水生產、酒、飲料過濾、調味品、果汁過濾等。該領域對膜設備的要求是抗污染能力強,可以蒸汽原位消毒,使用壽命長,而陶瓷膜恰具這種優勢。如采用1~1.5μm陶瓷膜脫除低脂的牛奶中的細菌,效率達99.6%,濾速達500~750 l/m2hr,該工藝生產出牛奶,其低溫保存期由處理前6~8天延長到16~21天。采用孔徑0.5μm的陶瓷膜,在不改變色、香、味前提下,除菌率達100%,保存期可延長3個月。另采用0.4μm陶瓷膜用于果汁澄清,生產的果汁品質優良,更具芳香味。
    礦漿脫水和物料干燥
    采用多孔陶瓷材料的毛細管原理研制開發的真空園盤陶瓷過濾機是國外20世紀80年代后期才發展起來的一種用于粘細物料過濾脫水的高效節能裝置,它在過濾機理和工藝效果方面均有新的突破,其用于粘細物料脫水顯示出無比的優越性,在世界各地已得到大量推廣應用。該過濾機特點是:整機能耗低,約為真空過濾機的1 0 % ,處理成本約為板礦過濾機的5 0 %,另外整機自動控制、連續運轉設備利用率高,生產維護費用低。可以說,在目前國內外開發應用的各種過濾脫水設備中,陶瓷過濾機無疑是一種較先進、很有應用前途的一種過濾設備。它在我國的各種礦漿脫水、無機鹽工業中的重堿脫水、碳酸鹽、磷酸鹽等制備過程物料干燥、脫水方面有較好的應用推廣前景。
    高溫金屬熔體過濾
    泡沫陶瓷作為一種特殊多孔陶瓷材料在金屬熔體過濾中起著重要作用。金屬中雜質的種類、形狀、大小及分布對材料的強度、硬度、斷裂韌性等有著很大的影響,由于金屬熔體的熔融溫度非常高,其它過濾介質無法滿足要求,而泡沫陶瓷材料不僅具有非常高的熔體透過能力和夾雜質去除能力,還具有非常高的抗高溫能力。如采用堇青石-莫來石系列的泡沫陶瓷材料,可以滿足熔融鋁合金、金屬銅液的過濾,而采用氧化鋁、碳化硅質高溫泡沫陶瓷材料則可以滿足更高溫度下(1400~1600℃)鐵水和鋼水過濾的需要。目前國際上工業較發達國家的鑄造行業,已普遍采用金屬熔體過濾工藝。比如在生產生鐵鑄件時,采用泡沫陶瓷過濾器,可使合格鑄件的產量提高到8 0 % 。在連續鑄鋼中,采用泡沫陶瓷過濾時,不銹鋼中非金屬夾雜物的含量可大約減少20% 。
    汽車尾氣凈化
    蜂窩陶瓷作為多孔陶瓷材料中又一特殊材料,目前在催化劑載體、汽車尾氣凈化器和換熱儲能器方面有很好的推廣應用前景。由堇青石等低熱膨脹陶瓷材料制成的蜂窩狀多孔陶瓷材料,通過被敷催化劑后,可以作為催化轉換器,用來凈化內燃機尾氣,以防止空氣污染。與其它形式的尾氣凈化器相比,采用蜂窩陶瓷的汽車尾氣凈化器具有耐熱震穩定性好、催化層阻力小、預熱能力好、抗磨性高等優點。采用蜂窩陶瓷催化器,一方面通過過濾作用,可將尾氣中的煙塵顆粒有效出除,并在高溫下燃盡;另一方面,通過催化氧化和還原,可將排氣中的有毒
    的一氧化碳和一氧化氮轉換成二氧化碳和二氧化氮。因此,蜂窩陶瓷目前在國外已被廣泛應用于汽車尾氣處理裝置。
    發展方向
    (1) 通過優化工藝配方和工藝過程,制備高孔隙率高強多孔陶瓷材料,提高材料氣孔均勻性:氣孔率和孔徑是多孔陶瓷材料的主要微孔性能指標,在滿足其它強度的情況下,適當提高材料的氣孔率,可以大幅度提高材料的透氣性能,降低單位面積材料的流體透過阻力,提高過濾效率。為此,可以通過在多孔陶瓷基體中引入陶瓷纖維,或通過采用編制陶瓷纖維利用化學氣相沉積技術來制備高強、高空隙率的陶瓷纖維復合多孔陶瓷材料。
    (2)降低材料成本,制備大尺寸多孔陶瓷制品:目前,多孔陶瓷用做過濾材料,其綜合成本雖然要比粉末冶金過濾材料要低的多,但同其它過濾材料相比,價格仍顯偏高,這也是影響多孔陶瓷材料大面積推廣應用的一個主要原因。另外,隨著將來大端面陶瓷過濾器的工業化推廣應用,基于材料密封等原因的陶瓷過濾元件規格尺寸也要求增大,探索新的制備工藝,制備低成本、大尺寸的多孔陶瓷制品,是發展多孔陶瓷材料產業的必然選擇。
    (3)采用陶瓷膜材料的表面修飾技術,制備大尺寸無缺陷的陶瓷膜材
    料:陶瓷膜材料作為一種精密過濾與分離材料,其膜層孔徑大小、孔徑均勻性、膜層厚度及表面缺陷等對其分離性能有很大的影響。現有的制備技術,包括支撐體技術、膜層的工藝控制技術完整膜的無損在線檢測技術等很難達到制備完全無缺陷的膜的技術要求。以上問題也是制約陶瓷膜材料在國內大量推廣的一個主要原因。為此,在今后的工作中,應就陶瓷膜材料的表面修飾技術及在線檢測技術方面做更深入的研究工作。
    (4)研究開發多功能性多孔陶瓷復合材料:現有的多孔陶瓷材料功能單一,尤其用做過濾材料的多孔陶瓷材料,其過濾機理基本以物理過濾為主,今后若能采用陶瓷材料復合技術或嫁接技術制備一些多功能性陶瓷材料,如采用納米抗菌功能材料與微孔制備技術結合,研制開發具抗菌和凈化功能的微孔陶瓷材料;采用陶瓷一金屬復合技術,制備具有選擇吸收、催化功能的多孔陶瓷材料;采用無機和有機材料復合技術制備其他一些電傳導膜、生物反應膜等,這對擴大多孔陶瓷材料的應用范圍有重要意義。
    (5)加強多孔陶瓷材料的應用技術研究,提高產業化水平:目前國內從事多孔陶瓷材料研究工作者大多數只注重于材料本身性能的研究,而缺乏對材料應用性能的研究。事實上,多孔陶瓷的應用技術,包括過濾技術、材料的清洗再生技術、過濾系統的優化等是一門很深的學問,多孔陶瓷材料推廣應用一方面取決于材料本身優良的性能,而另一方面更大程度取決于材料應用技術水平的提高。因此,要提高我國的多孔陶瓷材料的產業化水平,就必須加強材料應用性能的研究,建立相應的應用研究平臺,并加強企業之間的技術交流與自律。
    (6)發揮優勢、突出重點:結合目前國內多孔陶瓷材料發展實際狀況和需求,重點開發陶瓷微過濾材料、陶瓷膜過濾材料、高溫氣體過濾材料及高溫氣體催化分離材料及裝備技術,以滿足目前國內能源、化工、環保和水處理行業的需要,提高國內的過濾與分離技術水平。
     

    發布日期:2010-12-17    閱讀 5300 次   
     
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