浅谈多孔陶瓷材料及其过滤技术

浅谈多孔陶瓷材料及其过滤技术作者：朱俊来源：《佛山陶瓷》2011年第11期摘要：陶瓷过滤器以其独特的功能特性，在分离、净化领域中已成为一种不可替代的产品。

本文根据多孔陶瓷过滤技术的发展变迁，对多孔金属滤材与多孔陶瓷滤材的性能进行了比较，阐述了多孔陶瓷滤材过滤元件的性能指标及过滤原理，介绍了多孔陶瓷及过滤器的应用现状，同时指出了多孔陶瓷材料过滤技术的发展前景。

关键词：多孔陶瓷材料；过滤技术；发展前景1引言多孔陶瓷是一种以耐火原料为骨料，配以结合剂，经过高温烧结而制成的陶瓷过滤材料，其结构内部具有大量的微细气孔。

它除具有耐高温、高压、耐酸、碱腐蚀等特性外，还具有孔径均匀、透气性高等特点。

因此，可广泛用作过滤、分离、布气和消音材料。

20世纪50年代后，国外就开始应用多孔陶瓷做过滤元件进行上、下水净化；矿泉水除菌；含油气体净化等。

现今，多孔陶瓷产品已标准化、系列化。

国内对多孔陶瓷在过滤技术中的应用研究虽起步较晚，但过滤器在分离、净化领域中已得到较全面的推广应用。

如石化行业中液一固、气～固分离；制药、酿造行业中的无菌净化处理；环保行业中高温烟气除尘等。

陶瓷过滤器以其独特的功能特性，在各分离、净化领域中已成为一种不可替代的产品。

2多孔陶瓷滤材技术的发展现状多孔陶瓷是一种含有较多孔洞，并利用其结构或表面达到所需性能的过滤材料。

其主要的制备方法有添加造孔剂法、发泡法、有机泡沫浸渍法和溶胶～凝胶法。

常用于电化学陶瓷膜及熔融金属、液体、气体等的过滤。

由于再生性差、成本高及孔结构难控制等方面的缺点，使其应用受到制约。

通过完善制备工艺、改良材质、协调孔隙度与强度的关系等措施可提高其应用性能。

多孔陶瓷材料过滤技术得主要产品包括：各种规格的微孔陶瓷过滤元件和微孔陶瓷过滤器、高性能陶瓷膜过滤元件及陶瓷膜过滤装置、高温气体净化的陶瓷过滤材料及高温陶瓷除尘器、高温融体过滤用泡沫陶瓷过滤元件以及陶瓷净水器、陶瓷曝气器、陶瓷消声器、各种陶瓷电解隔膜等。

产品已广泛应用于化工、制药、冶金、水处理及环保工业等方面。

国外多孔陶瓷材料研究开发和应用已有80余年历史，陶瓷膜产品研制、开发、应用也有近30年历史，其产品的产业化、商业化程度已达到较高的水平，产品的技术水平也有了很大地提高。

2.1微孔陶瓷过滤元件和微孔陶瓷过滤器20世纪50年代，法国、美国等先后开发了各种SiC、莫来石、ZrO2、陶瓷纤维等气、液过滤器，以及微生物处理用微孔陶瓷过滤元件，其主要用于化工、食品、饮料及水处理行业中。

20世纪70年代，日本等在高温气体净化、烟气除尘用多孔陶瓷过滤材料研究方面取得了较大的进展，如日本旭硝子公司等生产的高温陶瓷过滤器在化铁炉等高温烟气除尘方面进行了大量的推广应用。

在陶瓷膜的研究及开发应用、高温陶瓷热气体净化技术方面研究取得了较大的突破。

2.2高温气体净化的陶瓷过滤材料及高温陶瓷除尘器在高温气体除尘技术研究的早期，美国开展了以陶瓷过滤介质为主的高温气体过滤除尘技术的开发。

德、日、英等发达国家也开展了类似的研究工作。

美国Anguil环境系统公司生产的自洁式高温陶瓷过滤器采用了陶瓷过滤和催化净化技术。

而进入90年代中期以来，随着一批先进的高性能过滤材料的开发成功，高温气体介质过滤除尘技术的工业化应用进入了实质性阶段，围绕着陶瓷过滤材料抗热震性的改善，取得了实质性进展。

尤其是陶瓷纤维增强复合多孔材料的开发，使得陶瓷过滤材料抗热震性得到了显著改善。

目前已有1600余套高温气体过滤装置在各个领域中应用。

2.3高性能陶瓷膜过滤元件及陶瓷膜过滤装置国外已有专业的多孔陶瓷材料及陶瓷膜材料生产厂家近300家，如日本、法国、美国和乌克兰等。

其中，美国过滤器公司已成为目前全球最大的无机陶瓷分离膜及设备供应商，芬兰奥托昆明克公司生产的陶瓷真空圆盘过滤机目前已在100多个国家中使用。

与国外先进国家相比，国内在多孔陶瓷材料产业发展方面还存在明显的不足，主要表现在国内多孔陶瓷材料的发展技术不平衡，对多孔陶瓷材料缺乏必要的了解。

近年来，在国家科技攻关政策的扶持下，尤其是在国家环保、节能政策的引导下，国内多孔陶瓷材料及膜材料技术有了较快的发展，产业化及市场化规模逐渐扩大。

目前已在陶瓷微滤材料、高温陶瓷过滤材料及膜材料方面逐渐形成了一定的技术优势，并且在产品市场推广和产业化方面有了一定的规模。

目前，我国在微孔陶瓷材料的制备工艺及性能检测、陶瓷过滤器的设计及应用、陶瓷微滤膜及高温气体净化用陶瓷过滤材料、过滤装置的研制及开发等方面居于国内领先地位。

目前，多孔陶瓷材料的高效节能装置，在过滤机理和工艺效果方面均有新的突破，在世界各地已得到大量的推广应用。

其特点是：能耗低，约为真空过滤机的10％；成本低，约为板矿过滤机的50％。

另外，整机自动控制；连续运转设备利用率高；生产维护费用低。

在目前国内外开发应用的各种过滤脱水设备中，陶瓷过滤机无疑是一种较先进、有应用前景的过滤设备。

3多孔金属滤材与多孔陶瓷滤材性能的比较金属过滤材料具有优异的耐温性和力学性能，在常温下金属材料的强度是陶瓷材料的10倍，即使在700℃高温下，其强度仍较高。

金属材料良好的导热性和韧性使其具有优异的抗热震性能，并且适于连续的反向脉冲清洗，再生性好、使用寿命长等特点。

金属材料还具有很好的加工性和焊接性能。

这些优异性能使得金属过滤材料在高温气体除尘应用中具有很好的适应性和优越性。

金属材料良好的塑性使其可以拉拔成金属细丝或纤维，进而编织成网或铺制成毡。

粉状颗粒材料经烧结可以制成烧结金属粉末和金属膜。

金属多孔过滤材料按结构形式主要有烧结金属丝网、金属纤维毡、烧结金属粉末和金属膜等。

烧结金属丝网采用多层金属编织的丝网为原料，通过特殊的叠层设计、复合压制和真空(或保护气氛)烧结等工艺制备而成。

在发达国家，其制作工艺已相当成熟，能批量生产。

多孔金属膜在烧结时，以颗粒表面质点的扩散进行传质。

目前用于高温除尘的多孔金属膜的制备方法主要有悬浮粒子烧结法、相分离沥滤法等。

多孔金属膜具有以下几方面的优点：机械强度高：耐压性能好，因此，膜组件不易损坏；通过增大压差的方法来提高渗透率，增大膜的分离能力；具有良好的热传导性和散热能力，因此可减小膜组件的热应力，提高膜的使用寿命，非常适合高温领域的应用；密封性能好，膜材料是具有良好焊接性能的金属材料，因而膜组件易于连接密封；具有很强的应用价值，在过滤过程中，多孔金属膜吸附量大，支撑性好，过滤面积大，可在线清洗，适应范围宽。

多孔陶瓷是微孔过滤介质的一种，是以耐火原料为骨料，配以结合剂，经过高温烧结而制成的陶瓷滤材，其结构内部具有大量的微细气孔。

与其它过滤材质相比，多孔陶瓷滤材空隙率高，最高可达60％以上，孔径均匀且易于控制；机械强度高，工作压力可达16MPa，压差可达1MPa；耐高温，具有良好的耐急热、急冷性能，工作温度最高可达1000℃；过滤精度高，可达0.11a,m，适用于各种介质精密过滤；过滤元件自身清洁状态好，无毒、无味、无异物脱落，可适用于无菌处理操作；耐酸碱性好，可适用于强酸、强碱和各种有机溶剂的过滤；过滤元件使用寿命长，长期使用，微孔形貌不发生变化，便于清洗再生。

多孔陶瓷材料具有低密度、高精度、高渗透率、耐腐蚀、耐高温、抗热冲击性好以及使用寿命长等优点，是一种优良的过滤材料。

在高温干式除尘方面应用较好。

多孔陶瓷的强度主要与骨料材质、骨料颗粒大小、结合剂材质、加入量以及烧成温度有关。

按材质分，多孔陶瓷的强度按下列顺序依次变小：碳化硅>刚玉>氧化铝>莫来石>瓷粒>石英>硅藻土。

陶瓷分离膜种类很多，目前已开发的有：氧化铝质、氧化锆质、氧化硅质、氧化钛质、硅酸铝质、碳化硅质、沸石质等。

根据制备工艺不同，适用于不同的应用领域。

由于陶瓷分离膜极薄，微孔近乎直通孔，所以陶瓷分离膜的过滤分离精度与微孔孔径相当。

4多孔陶瓷滤材的性能指标及过滤原理4.1多孔陶瓷滤材的性能指标陶瓷过滤元件按陶瓷的微孔结构可分为均质陶瓷和复合膜层陶瓷，复合膜层结构包括双层和多层结构。

双层结构是由微孔孔径较大的支撑层和孔径相对较小的膜过滤层组成，这种结构克服了传统陶瓷过滤元件压力损失高、过滤效率低的问题，实现了表面过滤，是近年来开发应用最为典型的一种结构形式。

多孔陶瓷过滤材料具有优良的使用性能，其性能指标为：气孔率大于60％；气孔尺寸为14μm，不同烧成温度可以改变其气孔尺寸分布范围；气孔表面积大于0.155g／m2；气孔在陶瓷体内呈立体网状结构分布：强度大于5MPa；适合工作温度范围：-40～1350℃。

陶瓷过滤器过滤情况主要由过滤精度决定，即它表征滤除流体介质中最小固体颗粒的粒径大小。

对陶瓷过滤器来讲，其过滤精度可达0.1μm。

影响陶瓷过滤器过滤精度的主要因素是多孔陶瓷过滤元件的最大微孔直径。

对于同一流体介质来讲，孔径愈小，则过滤精度愈高，反之愈低。

其次，工作压力对过滤精度也有微弱的影响。

一般来讲，对液体介质，其能过滤掉的杂质颗粒大小约为陶瓷过滤元件孔径的1／5-1／10。

对气体介质，由于布朗运动在气体中比液体中活泼、扩散捕捉作用增大，其截留杂质颗粒大小约为过滤元件孔径的1／15-1／25。

由于多孔陶瓷的过滤是一种集惯性冲撞，扩散和截留相结合的过滤方式，因此，流体介质的粘度、介质工作压力、过滤元件本身的微孔性能等对其过滤速率都有较大的影响。

多孔陶瓷孔径愈大，孔隙率愈高，工作压差愈大，则流量愈大；随着多孔陶瓷壁厚增加，粘度增大，流量迅速减小；随着多孔陶瓷微孔的变小，其压力损失越来越大，过滤分离效率越来越低。

在精滤、超滤领域中，多孔陶瓷的微孔孔径可达到0.1μm甚至更小。

根据目前的成形方法及强度的要求，其壁厚最薄为1～2mm。

因此，和具有0.1μm微孔且膜厚为0.1mm的高分子膜相比，压力损耗太大，过滤效率太低。

4.2陶瓷过滤材料产品的特点举例说明某种碳化硅陶瓷过滤材料产品的特点如下：(1)碳化硅粉料作为多孔陶瓷的骨料，导热性好、耐热冲击、热膨胀系数小；(2)选用长石和粘土组成的低共熔混合物作为结合剂，与碳化硅颗粒的粘结性能较好：(3)采用活性炭和相关有机物颗粒作为成孔剂：(4)采用注浆成形法，其工艺简单、成本低廉；(5)采用常压烧结方法，烧成温度为1200～1280℃，保温1～3h。

陶瓷过滤材料产品气孔率高，过滤效果优良，过滤过程中压力损耗较小、过滤效率高、使用寿命长；气孔率大，使气孔的表面积大，与高温烟尘或污水的接触面积大，过滤净化的效果增加，节约污染流体的净化成本。

陶瓷过滤材料产品强度大：可以承受较大的压力，具有优良的耐腐蚀、耐冲蚀性；使用可靠性和安全性高。

孔径分布理想，95％以上的高温粉尘颗粒都可以一次过滤清除。

气孔形状呈立体网状贯通结构。