多孔陶瓷材料在过滤分离中的应用领域

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2019-07-24 环球过滤分离技术网   guolvfenlitech6

多孔陶瓷是一种含有一定量空隙的无机非金属粉末烧结体，与其他无机非金属（致密陶瓷）的根本区别在于其是否含有空隙(气孔)及含有多少体积百分比的空隙（气孔）。根据成孔方法和空隙，多孔陶瓷可分为：泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷、粒状陶瓷，其对应气孔率见下表。

多孔陶瓷

泡沫陶瓷

蜂窝陶瓷

粒状陶瓷

气孔率/%

80-90

70

30-5

由于一定量气孔的存在使得多孔陶瓷的结构、性质、功能发生了显著的改变。多孔陶瓷与致密陶瓷相比具有如下5个特点：

1、体积密度小，质量较轻。

2、较大的比表面积和良好的过滤功能。

3、低的热传导率，良好的隔热和隔音性能。

4、良好的化学和物理稳定性，可适应各种腐蚀环境，具有良好的机械强度及刚度，耐热性好。

5、工艺简单，成本低廉。
多孔陶瓷用于过滤与分离材料
由多孔陶瓷的板状或管状制品组成的过滤装置，具有过滤面积大和过滤效率高等特点，广泛应用于水的净化处理、油类的分离过滤，以及有机溶液、酸碱溶液、粘性液体、压缩空气、焦炉煤气、甲烷、乙炔等的分离过滤。

此外多孔陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀等优点，在高温流体、熔融金属、腐蚀性流体、放射性流体等过滤分离方面，显示出了独特的优势。

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用于熔融金属的过滤

在铸造业中，经常使用泡沫陶瓷过滤器以除去熔融金属中的非金属杂质。作为熔融金属过滤器，其服役条件相当苛刻，要求多孔陶瓷不但要有足够的强度和较好的抗热震性，而且要有抗金属冲刷能力，并且不与过滤金属起高温反应。

过滤器的材质：

通常为多组分金属氧化物，含硅酸盐、莫来石、茧青石、碳化硅、氧化锆、氧化铝、氮化硅等，与这些原料复合制成两层或三层过滤系统。可以用于过滤铁合金，不锈钢，铝、铁、铜、青铜、钢、锌等。


应用举例：氧化铝泡沫陶瓷过滤器，最高使用温度约为1150℃，可应用于铝及有色金属合金溶液的过滤净化。一方面过滤使得铝液流动变得有序和相对平静，另一方面泡沫陶瓷过滤器能有效清除熔融金属中的固态夹杂，所以铝合金等可以顺利地进行锻造、铝箔制造、挤压加工等工艺，得到更高品质的产品。

2

用于热（高温）气体过滤

高温除尘技术是能源利用和环境保护领域达到能源高效利用及低污染排放的一项核心技术。高温气体干法除尘技术要求直接在高温条件下实现气体的干法除尘和净化，以最大程度地利用气体的物理显热，提高能源利用率，在实现气体洁净排放的同时节约水资源，并避免湿法除尘所带来的二次水污染

干法除尘技术概况：
根据除尘机理，高温气体干法除尘技术大致可分为惯性除尘、静电除尘及过滤式除尘。惯性除尘器耐高温，但除尘效率较低；静电除尘器虽适用于高温气体除尘，但电极寿命短，材料稳定性差，除尘效率受粉尘的比电阻影响大；普通纤维袋式过滤除尘器尽管除尘效率高，但耐高温性较差。
多孔陶瓷材料除尘特点：

以工业废气为主的含尘废气温度高、腐蚀性强，对过滤材料有很高的要求。目前正在开发和应用的多孔陶瓷材料以其耐高温、耐腐蚀、耐磨损、重量轻、价格低、除尘效率高（可达99%以上）、使用寿命长等优点，已成为过滤式干法除尘装置的主要材料选择之一。


环保对废气排放要求越来越突高，高性能的陶瓷过滤件越来越重要

高温陶瓷过滤材料种类：

1）氧化物陶瓷材料，如氧化铝/莫来石、堇青石、氧化锆等；

2）非氧化物陶瓷材料，如反应结合碳化硅、黏结合碳化硅、热压烧结氮化硅、羟基磷灰石等。

应用场合示例：

柴油清洁排放系统的关键材料是纯的SiC蜂窝陶瓷材料，其处理后可满足欧Ⅳ、欧Ⅴ排放标准，它可以清除汽车尾气排放中96.5以上的颗粒，包括极细的微粒。使汽车尾气排放颗粒标准达到欧Ⅳ以上的标准，同时也广泛应用于其他领域，如废气、废烟的环保处理。

工作原理：
颗粒捕集器采用蜂窝式结构，在两端设立有独立的敞开与堵塞的通道，废物从敞开的一段进入，穿越多孔的蜂窝壁，然后从相邻的的通道排出。烟灰颗粒由于过大，无法穿越壁孔，因为被收集在通道壁上，而不会被排放到空气中。该捕集器将会定期再生和加热，从而消除烟灰，保持清洁。
此外，多孔陶瓷除了可以应用于高温气体除尘过滤，还可用于制药、酿造行业中无菌空气净化。例如：采用孔径20μm的陶瓷过滤器可以进行制药、啤酒等酿造行业发酵用无菌空气处理。

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应用于水质污水处理

工业排污、生活排污等对水资源污染严重，部分地区因水质污染导致饮用水资源匮乏，甚至工业用水品质也无法保证，解决水质净化问题、提高水处理效率，已成燃眉之急。
多孔陶瓷因其材质的原因较之有机材料有更好的吸附性及对生物的亲和性，用作污水处理的滤料具有处理效率高等优势，但也有质量大、可加工性差等缺点。性能优越的多孔陶瓷往往也比较贵，因此多孔陶瓷用于废水处理常用还需要开发廉价高效的污水处理载体滤料,提高材料的重复使用率等。尽管如此，被环保风吹的一地鸡毛的大环境下，多孔陶瓷还是迎来了机遇。

4

用于食品及药品工业的的超过滤

陶瓷膜在食品工业中显示出潜力的超过滤用途有：从酒中分离出石碳酸和丹宁酸(蹂酸)，澄清水果汁和醋，水的纯化，以及牛奶的均匀化等。在不断增长的生物技术工业中，疫苗和酶的浓缩以及病毒的清除，其应用亦颇具意义。
碳化硅质多通道陶瓷膜是经特殊工艺制备而成的具有多孔结构的精密陶瓷过滤材料，多孔支撑层、过渡层及微孔膜层呈非对称分布，过滤精度涵盖微滤 (0.05μm-1.5μm)、超滤(0.01μm -0.05μm)、纳滤(<1nm)。主要材料有多孔陶瓷膜是以氧化铝、氧化钛、氧化锆、碳化硅等。

陶瓷膜过滤是一种“错流过滤”形式的流体分离过程：在压力驱动下，原料液在膜管内高速流动，含小分子组分的澄清液向外透过膜，含大分子组分的浓缩液被膜截留，从而使流体达到分离、浓缩、纯化的目的。
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