多孔陶瓷材料引领国内过滤技术发展

     随着科技和工业化生产的发展，能源、资源、三废治理等问题更加受到重视。尤其是生物化工、精细化工、能源材料等高技术领域的迅速发展，对液、固分离技术的研究和开发提出更高的要求，高分离精度、高运行效率的微孔过滤技术及微孔过滤材料愈来愈引起人们的重视。微孔陶瓷材料由于具有孔隙率高、透气阻力小、可控孔径、清洗再生方便以及耐高温、高压、耐化学介质腐蚀等特点，在许多领域具有较大的应用市场。以微孔陶瓷材料做过滤介质的陶瓷微过滤技术及陶瓷过滤装置由于其不仅解决了高温、高压、强酸碱和化学溶剂介质等难过滤问题，而且由于本身具有过滤精度高、洁净状态好以及容易清洗、使用寿命长等特点，目前已在石油、化工、制药、食品、环保和水处理等领域得到广泛应用。
      进入新世纪以来，中材高新先后承担了科技部中小型企业创新基金项目、科研院所社会公益基金项目、科技部技术开发研究专项资金项目及国家８６３计划等重大科研项目的研究工作。目前，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及过滤装置的研制及开发方面具国内领先地位。
     中材高新下属的过滤陶瓷部是一个集陶瓷过滤材料、过滤装置的研究、开发、设计及生产为一体的高科技实体，拥有近２０项省、部级科研成果和专利技术，是目前国内研制、生产微孔陶瓷系列制品及陶瓷过滤器种类最多、应用面最广、生产技术较为成熟的专业生产厂家。其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（高温除尘）用高温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。
    国内外发展现状
    国外多孔陶瓷材料研究开发和应用已有８ ０ 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提高。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、微生物处理用微孔陶瓷过滤元件，主要用于化工、食品、饮料及水处理行业。２０世纪７０年代日本等国家在高温气体净化、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大量推广应用。从２０世纪８０年代开始，国外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又取得较大的突破。目前国外已有专业的多孔陶瓷材料及陶瓷膜材料生产厂家３００余家，如日本Ｎ Ｇ Ｋ和Ｔ Ｄ Ｋ 、法国的Ｃ Ｅ Ｒ Ｖ Ｅ Ｒ 、美国的Ｃｏｒｎｉｎｇ和Ｆｉｌｔｅｒ、乌克兰的Ｆａｉｒｅｙ工业陶瓷公司、芬兰奥托昆明克公司等。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多个国家使用。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，目前已有１６００余套高温气体过滤装置在各个领域应用。
      相比之下，国内在多孔陶瓷材料产业发展方面与国外先进国家相比存在明显不足，其中一方面是国内多孔陶瓷材料的发展技术不平衡，其二是国内绝大多数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。如中材高新材料股份有限公司（山东工业陶瓷研究设计院）在长期研究、开发多孔陶瓷材料基础上，近几年在国家几项重大科研项目支持下，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自己的技术优势，并且在产品市场推广和产业化方面有了一定规模。江苏省九吾高科技发展公司、合肥世杰膜工程有限责任公司等在陶瓷膜材料制备技术方面也在一定程度上达到国外先进水平。不容讳言，多孔陶瓷材料由于受产品制造水平及应用技术的限制，目前在国内过滤分离领域所占的市场份额较小，产品的产业化水平普遍较低。但可以预言，随着国内化工形式好转、能源和环保产业政策的扶持以及国外同行业技术的不断发展和应用市场的不断扩大，多孔陶瓷材料产业在国内将会迎来更好的发展前景。
    市场应用
    从多孔陶瓷材料及膜材料的性能特性来讲，由于其具有良好的耐热性能和介质腐蚀性能，因此可以应用于除ＨＦ、热磷酸以外所有介质过滤。另外，多孔陶瓷过滤材料高的过滤精度（０．１μｍ）、在线清洗性能以及自洁性能（无度无味、对介质无污染）和良好的操作性能，使其在许多领域具有好的推广应用前景。
    石油、化学工业石油、化学工业领域常涉及到工艺原料气、工艺原料液净化问题，其中少量固体必须最大限度除去。由于原料气、液常涉及高温、高压或强腐蚀性，其他分离材料无法应用，只能采用陶瓷材料。目前很多厂家都有这种要求，如碱厂滤液过滤、聚晴胺工艺料液净化，分子筛、催化剂生产过程中产品回收，钛白粉生产中偏钛酸细微粒子回收，超细粉体生产过程中产品回收，盐水及氯化钙等溶液的过滤等。另外，陶瓷过滤器在国内各大炼油厂中航空煤油过滤、催化气体净化、石蜡加氢工艺中也得到推广应用。
    制药及食品行业
    制药及食品行业常涉及活性炭进行脱色过滤及催化剂过滤问题。由于这些介质过滤通常要求过滤精度比较高，又常涉及到高温（６０～１５０℃）和腐蚀性溶液等，采用传统的袋式过滤器或离心过滤机一般很难达到好的去初效果或根本无法使用。使用微孔陶瓷或陶瓷膜过滤器则可很容易解决这个问题，它不但可以提高滤液质量，而且滤芯清洗再生效果好，可长时间连续使用。
    无菌空气及压缩气体净化
    采用微孔陶瓷过滤器进行空气的无菌处理具有洁净状态好、滤速高、净化效果好、再生周期长（１～２月）、清洗效果好、可高温消毒杀菌等特点，在制药、啤酒行业发酵用无菌空气制备方面具有很好的应用前景。因此，采用微孔陶瓷过滤器代替价格昂贵的金属过滤器用于食品、酿造及制药行业发酵无菌空气的制备是完全可行的。另外，陶瓷过滤器用于高压压缩气体的净化，用于除油、除杂质，在国内也得到推广应用。其次，陶瓷过滤器在高压高温蒸气（１５０～２００℃）净化方面也有较大的应用市场。
    水处理在水处理领域，陶瓷过滤材料可应用于生活饮用水处理、工厂工艺用
水制备、工业循环水净化及工业污水和城市生活废水处理等。如采用硅藻土质陶瓷滤芯进行家庭生活饮用水净化，具有独特的除菌和再生性能，目前已在中国、韩国、美国、英国、日本和中国台湾等得到大量开发和应用。陶瓷过滤材料用于工业冷却水处理及酸碱性废水处理，目前已在国内的蓄电池行业、石化行业、电厂中取得了较好的应用成果。在工业污水处理方面，陶瓷膜过滤装置用于乳化油废水处理、印钞及印染废水处理，不仅可以保证废水达标排放或回用，而且还可大大降低处理成本。实验数据表明在国内采用陶瓷微滤膜过滤装置处理工业废水，相同情况下，其设备价格仅为进口有机膜设备的１／４左右，运行费用约为其１／１０左右。
    高温气体净化
    很多生产领域，如电厂进入第二涡轮室用燃烧气体制备、露点以上碳水化合物生产热气体中粒子杂质去除、燃煤锅炉高温烟气净化、冶金炉、电石炉等排出的高温含尘气体净化等都需要一种高效粒子去除设备。目前，国内采用的热气体粒子去除装置绝大多数为旋风除尘，由于其运行和分级效率低，约为０ ． ８ ９ ％ ～０ ． ９ ６ ％和ｄｃ５０为６．５～８．５μｍ，即使采用三级旋风处理，其排出物浓度仍将数倍于ＮＳＰＳ最大极限，也达不到目前现行烟气排放标准２００ｍｇ／ｍ３。高温过滤技术是近２０年来粒子控制技术最主要发展，在其它过滤介质不能选用的情况下，高温陶瓷过滤器则成为首选过滤设备，其除尘效率可达９９．５％以上，分级效率为ｄｃ５０为１μｍ。该产品的产业化将会对国内日益迫切的冶金炉含尘气体排放，电石厂电石气回收，ＰＧＢＣ装置热气体净化技术水平提高起到重要促进作用。
    饮料、食品工业
    根据陶瓷膜特点和国外发展陶瓷膜经验，陶瓷膜在我国应用领域极其广泛，食品工业是其重要应用领域，诸如矿泉水生产、酒、饮料过滤、调味品、果汁过滤等。该领域对膜设备的要求是抗污染能力强，可以蒸汽原位消毒，使用寿命长，而陶瓷膜恰具这种优势。如采用１～１．５μｍ陶瓷膜脱除低脂的牛奶中的细菌，效率达９９．６％，滤速达５００～７５０　ｌ／ｍ２ｈｒ，该工艺生产出牛奶，其低温保存期由处理前６～８天延长到１６～２１天。采用孔径０．５μｍ的陶瓷膜，在不改变色、香、味前提下，除菌率达１００％，保存期可延长３个月。另采用０．４μｍ陶瓷膜用于果汁澄清，生产的果汁品质优良，更具芳香味。
    矿浆脱水和物料干燥
    采用多孔陶瓷材料的毛细管原理研制开发的真空园盘陶瓷过滤机是国外２０世纪８０年代后期才发展起来的一种用于粘细物料过滤脱水的高效节能装置，它在过滤机理和工艺效果方面均有新的突破，其用于粘细物料脱水显示出无比的优越性，在世界各地已得到大量推广应用。该过滤机特点是：整机能耗低，约为真空过滤机的１０％，处理成本约为板矿过滤机的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。可以说，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、很有应用前途的一种过滤设备。它在我国的各种矿浆脱水、无机盐工业中的重碱脱水、碳酸盐、磷酸盐等制备过程物料干燥、脱水方面有较好的应用推广前景。
    高温金属熔体过滤
    泡沫陶瓷作为一种特殊多孔陶瓷材料在金属熔体过滤中起着重要作用。金属中杂质的种类、形状、大小及分布对材料的强度、硬度、断裂韧性等有着很大的影响，由于金属熔体的熔融温度非常高，其它过滤介质无法满足要求，而泡沫陶瓷材料不仅具有非常高的熔体透过能力和夹杂质去除能力，还具有非常高的抗高温能力。如采用堇青石－莫来石系列的泡沫陶瓷材料，可以满足熔融铝合金、金属铜液的过滤，而采用氧化铝、碳化硅质高温泡沫陶瓷材料则可以满足更高温度下（１４００～１６００℃）铁水和钢水过滤的需要。目前国际上工业较发达国家的铸造行业，已普遍采用金属熔体过滤工艺。比如在生产生铁铸件时，采用泡沫陶瓷过滤器，可使合格铸件的产量提高到８０％。在连续铸钢中，采用泡沫陶瓷过滤时，不锈钢中非金属夹杂物的含量可大约减少２０％。
   汽车尾气净化
    蜂窝陶瓷作为多孔陶瓷材料中又一特殊材料，目前在催化剂载体、汽车尾气净化器和换热储能器方面有很好的推广应用前景。由堇青石等低热膨胀陶瓷材料制成的蜂窝状多孔陶瓷材料，通过被敷催化剂后，可以作为催化转换器，用来净化内燃机尾气，以防止空气污染。与其它形式的尾气净化器相比，采用蜂窝陶瓷的汽车尾气净化器具有耐热震稳定性好、催化层阻力小、预热能力好、抗磨性高等优点。采用蜂窝陶瓷催化器，一方面通过过滤作用，可将尾气中的烟尘颗粒有效出除，并在高温下燃尽；另一方面，通过催化氧化和还原，可将排气中的有毒的一氧化碳和一氧化氮转换成二氧化碳和二氧化氮。因此，蜂窝陶瓷目前在国外已被广泛应用于汽车尾气处理装置。
    发展方向
    （１）通过优化工艺配方和工艺过程，制备高孔隙率高强多孔陶瓷材料，提高材料气孔均匀性：气孔率和孔径是多孔陶瓷材料的主要微孔性能指标，在满足其它强度的情况下，适当提高材料的气孔率，可以大幅度提高材料的透气性能，降低单位面积材料的流体透过阻力，提高过滤效率。为此，可以通过在多孔陶瓷基体中引入陶瓷纤维，或通过采用编制陶瓷纤维利用化学气相沉积技术来制备高强、高空隙率的陶瓷纤维复合多孔陶瓷材料。
    （２）降低材料成本，制备大尺寸多孔陶瓷制品：目前，多孔陶瓷用做过滤材料，其综合成本虽然要比粉末冶金过滤材料要低的多，但同其它过滤材料相比，价格仍显偏高，这也是影响多孔陶瓷材料大面积推广应用的一个主要原因。另外，随着将来大端面陶瓷过滤器的工业化推广应用，基于材料密封等原因的陶瓷过滤元件规格尺寸也要求增大，探索新的制备工艺，制备低成本、大尺寸的多孔陶瓷制品，是发展多孔陶瓷材料产业的必然选择。
    （３）采用陶瓷膜材料的表面修饰技术，制备大尺寸无缺陷的陶瓷膜材料：陶瓷膜材料作为一种精密过滤与分离材料，其膜层孔径大小、孔径均匀性、膜层厚度及表面缺陷等对其分离性能有很大的影响。现有的制备技术，包括支撑体技术、膜层的工艺控制技术完整膜的无损在线检测技术等很难达到制备完全无缺陷的膜的技术要求。以上问题也是制约陶瓷膜材料在国内大量推广的一个主要原因。为此，在今后的工作中，应就陶瓷膜材料的表面修饰技术及在线检测技术方面做更深入的研究工作。
    （４）研究开发多功能性多孔陶瓷复合材料：现有的多孔陶瓷材料功能单一，尤其用做过滤材料的多孔陶瓷材料，其过滤机理基本以物理过滤为主，今后若能采用陶瓷材料复合技术或嫁接技术制备一些多功能性陶瓷材料，如采用纳米抗菌功能材料与微孔制备技术结合，研制开发具抗菌和净化功能的微孔陶瓷材料；采用陶瓷一金属复合技术，制备具有选择吸收、催化功能的多孔陶瓷材料；采用无机和有机材料复合技术制备其他一些电传导膜、生物反应膜等，这对扩大多孔陶瓷材料的应用范围有重要意义。
    （５）加强多孔陶瓷材料的应用技术研究，提高产业化水平：目前国内从事多孔陶瓷材料研究工作者大多数只注重于材料本身性能的研究，而缺乏对材料应用性能的研究。事实上，多孔陶瓷的应用技术，包括过滤技术、材料的清洗再生技术、过滤系统的优化等是一门很深的学问，多孔陶瓷材料推广应用一方面取决于材料本身优良的性能，而另一方面更大程度取决于材料应用技术水平的提高。因此，要提高我国的多孔陶瓷材料的产业化水平，就必须加强材料应用性能的研究，建立相应的应用研究平台，并加强企业之间的技术交流与自律。
    （６）发挥优势、突出重点：结合目前国内多孔陶瓷材料发展实际状况和需求，重点开发陶瓷微过滤材料、陶瓷膜过滤材料、高温气体过滤材料及高温气体催化分离材料及装备技术，以满足目前国内能源、化工、环保和水处理行业的需要，提高国内的过滤与分离技术水平。

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