无机材料制备超滤膜技术和无机超滤膜应用综述

无机材料制备超滤膜技术和无机超滤膜应用综述

摘要：超滤是在一定的压力下，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜，而使大分子溶质不能透过。超滤是介于微滤与纳滤之间的膜分离技术，能使溶液得到净化，分离或提浓。超滤膜材料是超滤过程的关键，本文主要介绍超滤膜材料的制备技术手段和应用。

关键词：超滤；无机超滤膜；无机超滤膜的应用；

Abstract: Ultrafiltration is to make some kinds of small molecule and solvent through a special film with specific pore size under a certain pressure, while the macromolecule can’t penetrate. Ultrafiltration is a process between the microfiltration and nanofiltration. This technology can purify the solution, or be used in separation or concentration. Ultrafiltration membrane material is the key ofthe ultrafiltration process. This paper mainly introduces the preparation technology and application of ultrafiltration membrane material.

Keywords: Ultrafiltration; Inorganic Ultrafiltration membrane; Application of inorganic ultrafiltration membrane;

1．超滤简介

超过滤简称超滤(Ultrafiltration)，用于去除废水中大分子物质和微粒，和微滤(Microfiltration)、纳滤(Nanofiltration)、反渗透(Reverse Osmosis) 等技术一样，都是压力驱动下的膜分离过程。超滤膜大多是结构不对称的，由一层极薄(通常小于1um)、具有一定尺寸和孔径的活性层和一层较厚、具有海绵结构的支撑层组成。前者起到分离作用，后者主要起支撑作用。对于超滤过程，通常认为其原理是形象的“筛分”作用。“筛分”理论认为，膜的活性层具有无数微孔，这些微孔就像筛眼一样，在压力的作用下能把大的分子或粒子留着而让溶剂分子和其他小分子向低压侧运动。因为尺寸大于膜孔径的大分子及微粒被膜阻挡，料液逐渐被浓缩；溶液中的大分子例如胶体、蛋白质，细菌或者其他微粒等则被超滤膜截留而作为浓缩液被回收。

2．超滤膜的膜材料

2.1 有机膜目前许多高分子材料已经被用于制备有机超滤膜，制备方法已经比较成熟，有机膜的应用也已经达到了一个比较稳定的阶段。有机超滤膜的主要膜材料有：醋酸纤维素(CA)、聚砜(PS)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF) 、聚醚砜(PES)、聚砜酰胺(PSA)、聚酰亚胺(PI) 、壳聚糖等等，也可以在膜上添

加不同种类的微粒以获得特定的功能[1,2]。

2.2无机膜无机膜的材料种类很多，可以分为氧化物类和非氧化物类。氧化

物类主要有 Al

2O

3

、SiO

2

、TiO

2

、ZrO

2

等，也有的是它们两者或两者以上的复合材

料，如 ZnAl

2O

4

和TiO

2

[3，4]。氧化物无机膜可用于制备成微滤膜、超滤膜等。非

氧化物膜主要有金属膜，玻璃膜和碳膜。金属膜是以金属粉末为原料，涂装成管式膜件，通过烧结工艺制成。玻璃膜一般是由各向同性的海面状结构联结的微孔构成，这种膜是通过将玻璃进行分相处理，将其中易溶于酸的成分用酸侵蚀使之溶解出去，剩余玻璃体成为多孔膜。碳膜一种是首先将石墨挤出成为管式膜，然后再使精细微粒沉积在这种对称结构上，另一种是利用碳纤维制品的管材[2]。

有机膜的制备成本低，但是不能耐受高温和腐蚀，使用受到限制。无机分离膜的制备成本比较高，但是具有热稳定性高，机械强度高，耐化学和生物侵蚀，易再生，使用寿命长且分离极限和选择性可控等特点，已经被广泛地用于医药、水处理、食品工业以及一些其他新兴技术领域[5]。

3.无机超滤膜的主要制备方法

制备无机膜的方法有很多，目前有工业应用前景的主要有：固态粒子烧结法、溶胶-凝胶法、假凝胶法、薄膜沉积法、化学镀、相分离-沥滤法、放射粒子径迹刻蚀法等。可根据制膜的材料、膜及载体的结构、膜孔径的大小和分布、膜孔隙率和膜厚度的不同而选择不同的方法。

3.1固态粒子烧结法（Granule Sintering）

固态粒子烧结法的主要步骤是将粒径在0.1至10微米的无机粉体颗粒与适当的分散介质和其他添加剂混合分散形成稳定的悬浮液，成型后制成生坯，干燥，高温烧结。固态粒子烧结法可制备微孔无机膜或无机膜的支撑体，微孔金属膜。因为粒子烧结法中，其采用的颗粒的粒径受到制备条件和工艺的限制，纳米级的粒子是很难得到的，所以这种方法在制备超滤膜的过程中主要用于制备超滤膜的支撑体。也可采用此法在基质膜的基础上增加过渡层或控制层，进一步制成多层不对称结构膜，其过程为将成膜的原料制成稳定的悬浮液一粉料或胶体．加入添加剂后得到浸涂液中介质优先流入基质膜的孔中，在基质膜表面的粉浆或胶体被浓缩，形成一层粒子层或凝胶层，再经干燥和焙烧，就可制得不对称的复合膜。

3.2溶胶-凝胶法（Sol-gel）

溶胶-凝胶法的主要原理是：以金属醇盐及其化合物为原料，在一定介质和催化剂存在的条件下，进行水解-缩聚反应，使溶液由溶胶变成凝胶，再经干燥、热处理而得到合成材料。主要反应如下：

1)溶剂化:金属阳离子M z+吸引水分子形成溶剂单元M(H

2O)z+

n

,为保持其配位

数,具有强烈释放H+的趋势。

M(H

2O)z+

n

→ M(H

2

O)

n-1

(OH)(z+1)+ + H+