成本居高不下的陶瓷膜，如何實現普惠化？

發布時間 | 2025-06-09 14:59 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 367

石英碳化硅氧化鎂氧化硅氧化鋯氧化鋁二氧化鈦

導讀：詳細分析導致陶瓷膜成本高的原因以及降低陶瓷膜成本的辦法。

陶瓷膜是一類具有選擇透過性的功能材料，因具有良好的分離性、耐腐蝕性、化學穩定性、高機械強度、使用壽命長等特點，在廢水處理、海水淡化、生物工程、化工制藥、食品飲料、氣體分離等領域取得相當亮眼的成績。然而，陶瓷膜存在成本居高不下的問題，如何有效解決上述問題，是陶瓷膜得以進一步發展和應用的關鍵。接下來，小編將為大家詳細分析導致陶瓷膜成本高的原因以及降低陶瓷膜成本的辦法。

(圖源：文獻1)

導致陶瓷膜成本高的因素

如果要討論陶瓷膜制備成本高的原因，就必須要介紹一下陶瓷膜的結構及常用于制備陶瓷膜的原材料。

一、陶瓷膜的結構

陶瓷膜根據宏觀結構的不同可以分為對稱結構膜和非對稱結構膜。其中，對稱膜的結構較為單一，孔隙率及孔徑較小，孔形狀以柱狀和圓錐呈現，因其無支撐結構使得機械強度極低，實際應用很少，目前主要停留在實驗室和科學研究等小規模應用階段。而非對稱膜具有較高的滲透通量，通常由支撐體、中間層和分離層組成。

陶瓷膜微觀結構圖（圖源：文獻2）

1、支撐體：支撐體的厚度和孔徑最大，對陶瓷膜主要起支撐作用，需要具有較高的機械強度、高孔隙率以及優異的滲透性。由于支撐體的裂紋、針孔等結構缺陷往往會導致中間層和分離層在制備過程中產生相應的缺陷，所以支撐體的多孔結構必須保持均勻、無缺陷。

2、中間層：中間層是處于支撐體和分離層之間的結構，其厚度和孔徑均介于支撐體和分離層之間，可以防止分離層制備過程中小顆粒在重力及毛細管力的作用下滲漏入支撐體中；另一方面，小孔徑的中間層表面相對光滑，可以減小分離層的厚度，否則需要較厚的分離層覆蓋住粗糙度較大支撐體的表面，在分離過程中滲透液的阻力增大，導致陶瓷膜的滲透通量降低。

3、分離層：分離層是膜分離過程發生的主要位置，其厚度和孔徑最小，厚度一般小于10ΜM。根據HAGEN-POISEUILLE層流模型方程，陶瓷膜的滲透通量與膜厚成反比，膜層越厚，阻力越大，滲透通量越低，因此要求分離層要盡可能的薄。

二、常見的陶瓷膜材料

常見的陶瓷膜材料包括氧化鋁、氧化鋯、二氧化鈦、二氧化硅、碳化硅。

1、氧化鋁：Α-AL₂O₃和Γ-AL₂O₃是用于制造工業生產和廢水處理陶瓷膜的主要材料。由于其具有易加工、強度高、化學穩定性和熱穩定性好的特點，常常用于制備陶瓷膜中的基材、中間層和過濾層。商業化的陶瓷膜產品多數由氧化鋁制成，它們的形狀和孔徑可調，廣泛適用于各種類型的模組件中。

2、氧化鋯：在室溫下，氧化鋯具有單斜相晶體結構，隨著溫度升高逐漸轉變為四方相和立方相。氧化鋯膜具有表面密度高、極性強等特殊的表面特性，在乳狀液分離中常常具有優越的性能，油滴幾乎不粘附在其表面。但由于氧化鋯價格昂貴，研究者們通常選擇在氧化鋁支撐體上制備氧化鋯分離層或改性涂層。

3、二氧化鈦：二氧化鈦在常溫下具有金紅石、銳鈦礦和板鈦礦三種晶相的氧化物。在用于膜的陶瓷材料中，二氧化鈦具有最優的耐化學腐蝕性能。值得一提的是，由于二氧化鈦在紫外線的照射下可以使有機化合物分解，因此二氧化鈦膜可以同時提供過濾和光催化氧化雙層效果。

4、二氧化硅：由于二氧化硅在水化后反應活性過高，因此其應用率不如上述幾種氧化物。二氧化硅的水化產物硅膠的孔徑可以控制在3-5?的范圍內，直徑介于水分子和水合鹽離子之間，因而可以對水進行高效地脫鹽。

5、碳化硅：碳化硅因其突出的高溫強度、熱導率以及特殊條件下的化學穩定性，使其在近年來得到了廣泛的關注。目前碳化硅膜常用于氣體和液體分離板塊。

為什么陶瓷膜成本高？

陶瓷膜雖然具備效率高、耐高溫、抗污染、高強度、耐腐蝕、效果穩定等眾多優勢，但其存在制備周期長、工藝復雜、燒結過程能耗高等缺陷。通常情況下，陶瓷膜至少有3層結構，對于陶瓷超濾膜和納濾膜，層數會達到4-5層。每一膜層的制備都需要進行高溫燒結，以便讓不同的膜層燒結在一起，但在每一層的制備過程中都可能引入缺陷，影響整個膜的性能，降低膜的成品率。同時，膜層數越多、厚度越厚，膜在分離過程中需要克服的滲透阻力就越大，導致膜分離效率降低和能耗提高。總而言之，高昂的原材料成本和復雜的制備過程導致了陶瓷膜的生產成本居高不下。

常見陶瓷膜支撐體類型：(A)平板式；(B)管式；(C)碟式；（D）蜂窩式

(圖源：文獻3)

應對方法

低成本陶瓷膜的制備離不開原材料的選擇和制備工藝兩個方面，擴大原材料的選擇范圍，優化制備工藝，降低燒結溫度，以減少制備過程中的能量消耗，是降低陶瓷膜成本的關鍵。

1、原材料

（1）磷灰石

當前，由天然磷酸鹽制成的微濾膜在水處理中表現出優異性能，尤其在海水淡化和工業廢水處理方面效果更為顯著。磷灰石可以通過各種低成本途徑合成，也可以從自然資源中提取，例如海洋生物廢棄物和漁業加工副產品。與合成材料相比，直接從天然礦物中提取磷灰石來制備陶瓷膜的支撐層或過濾層，更能節省成本并獲得更大的經濟效益。

HUBADILLAH等在1200℃燒結溫度下制備出基于羥基磷灰石的生物陶瓷中空纖維膜，最小孔徑為0.013ΜM，膜通量為88.3L/M²H，對重金屬的去除率達到100%，證明磷灰石基陶瓷膜具備在工業廢水處理中的應用潛力。

（2）菱鎂礦：天然菱鎂礦在自然界中資源十分豐富且價格低廉，菱鎂礦主要由氧化鎂和少量氧化鈣組成，在氧化燒結的制膜過程中可以分解為CO₂和MGO，無需添加造孔劑就能直接在膜上形成孔隙。菱鎂礦基陶瓷微濾膜的制備方法包括擠出、干壓、浸漬涂層和滑鑄，其中干壓是最簡單有效的平板陶瓷膜成型技術。

MANNI等研究表明，采用單軸壓制法和燒結工藝制成的菱鎂礦基陶瓷膜，與傳統商用陶瓷膜相比，不僅能夠節省大量原材料及制備成本，還可以降低對自然環境的二次污染。

（3）水泥

水泥與水混合最初是具有可塑性的漿體，隨著時間的增長水泥漿體變稠失去可塑性而產生強度，強度逐漸增加并發生凝結、硬化和成型，因此制備以水泥為基底的多孔分離陶瓷膜，具有能耗低、操作簡單和占地面積小等優勢。

SUN等采用干熱澆注法制備了多孔硅酸鹽水泥陶瓷膜，表現出優異的滲透性能和分離性能，相較于通過冷凍鑄造技術制備的多孔硅酸鹽水泥壓坯，可以節省33.3%的制備時間和能源成本。

（4）高嶺土

高嶺土是一種天然礦物，因具有較低的燒結溫度、低塑性和親水性而受到廣泛的關注。由于高嶺土自身的粒徑足夠小，在研磨過程種無需耗費大量時間和能源便能使粒徑進一步縮小。高嶺土含有大量玻璃相，使其制膜的燒結溫度降低至850℃-1250℃的范圍，從而減少制膜能耗。高嶺土基陶瓷膜與傳統商用陶瓷膜相比，在原材料、加工以及燒結能耗方面均能節省大量成本，在孔隙率、機械穩定性和孔徑分布等方面，也完全能與傳統商業陶瓷膜相媲美。因此，高嶺土成為制備低成本高性能陶瓷膜的首選原材料，尤其適用于陶瓷中空纖維膜。

HUBADILLAH等重點介紹了高嶺土制備陶瓷膜的方法以及高嶺土基陶瓷中空纖維膜的應用，同時指出制備高性能和高經濟性陶瓷膜的關鍵在于提高機械強度和表面面積與體積的比值。

（5）粉煤灰

粉煤灰是煤燃燒過程中的副產物，是目前最豐富的固體廢棄物之一。目前，粉煤灰在混凝土、鋪路和建筑行業得到了廣泛的應用，但其安全處置仍然存在問題。粉煤灰的成分因煤的來源而各不相同，其主要由SI、AI、FE、CA和MG等氧化物組成，占總成分的95%左右，類似于陶瓷生產原料。目前有研究者以粉煤灰為原料制備多孔陶瓷膜支撐體以進行微濾。該方法可實現粉煤灰的高附加值利用，保護生態環境的同時降低陶瓷膜的成產成本。單一粉煤灰制備膜支撐體中的組成物相取決于燒結溫度。當燒結溫度為800℃時，支撐體由石英、莫來石、菱白石和赤鐵礦組成。1200℃以上則由莫來石、鈣長石和方石英組成。

齊魯工業大學朱志文教授團隊采用粉煤灰顆粒制備膜支撐體。結果表明，在1250℃條件下，由堇青石相組成的膜支撐體具有30MPA的抗彎強度，30%的孔隙率。而將粉煤灰和鋁土礦結合，可得到機械穩定性和化學穩定性都有所提高的膜支撐體。

（6）煤矸石

煤矸石是采煤和洗煤過程中排出的副產物，在成煤過程中與煤層形成共存，其含有豐富的礦物（石英、高嶺石和菱鐵礦）和一些可燃物。目前，中國煤矸石累計存量超過50億噸，面積高達1.2萬公頃，其中只有少量的煤矸石用于生產普通的硅酸鹽水泥和建筑材料。通常工業開采出的煤矸石以堆積和填埋的方式處理，不僅占用大量耕地，還會導致金屬離子在儲存過程中釋放出來，對地下水和土壤造成不可逆轉的破壞。近年來，以煤矸石為原料制備陶瓷膜已取得一定的進展，既解決了煤矸石的處置問題，又實現了廢物資源化利用。

FAN等以煤矸石為原料制備了管狀煤矸石基陶瓷膜，其孔隙率達到51.23%，抗彎強度為4.51MPA，透氣率為30.12M³H^-1M^-2KPA^-1。

2、制備工藝

（1）預封孔法

秦伍等利用預封孔法實現了無中間過渡層的高滲透通量氧化鋁陶瓷過濾膜的一步制備。利用PVA與硼酸的界面交聯絡合反應在支撐體表面形成一層平整致密的水凝膠層，預先封住支撐體的孔，然后在“PVA-硼酸”交聯隔層表面通過一步成膜形成陶瓷過濾膜前驅體，從而設計出由陶瓷過濾膜前驅體、“PVA-硼酸”交聯隔層與支撐體組成的三明治結構。與傳統方法所制備出的陶瓷過濾膜相比通量提高了一到兩倍。這種方法對于低成本高效制備高滲透性的陶瓷過濾膜具有實際參考價值。

陶瓷過濾膜前驅體的行程示意圖（圖源：文獻4）

（2）相轉化法

相轉化法通過一步成型和一次高溫燒成可制備出非對稱結構的中空纖維陶瓷微濾膜，可大大簡化制備過程和降低成本，且膜微結構可調控性強，易于獲得高滲透性支撐體。另外，中空纖維陶瓷膜管徑小、管壁薄，其微結構與孔隙分布特點不同于較厚的多通道支撐體，通過溶膠浸漬涂覆技術制備超濾膜層時，溶膠吸附性能和隨后熱處理中膜層的收縮與致密化過程可能不同于現有常用支撐體。

詹濤等采用相轉化法制備的小孔徑ZRO₂陶瓷超濾膜，在引入適量釔后可使ZRO₂形成穩定的立方螢石結構晶相，可避免膜層出現開裂。在優化熱處理溫度、溶膠組成的條件下，通過二次涂覆可在中空纖維膜支撐體表面制備出連續光滑、無缺陷的ZRO₂膜層，膜厚度和平均孔徑分別為450NM和12NM，相應的陶瓷膜的純水通量和抗彎強度分別可達到2020L/（M²·H·MPA）和97.1MPA。

不同浸涂次數與膜性能（圖源：文獻5）

（3）共擠出法

與傳統耗時的多步法相比，該方法不僅縮短了制備時間，降低了制備成本，而且可以調控外層厚度，優化其本身性能。

劉金云等采用共擠出法制備雙層中空纖維陶瓷復合膜，內外層紡絲液分別摻雜平均粒徑為1ΜM和300NM的Α-AL₂O₃粉體。系統考察了內層紡絲液TIO₂摻雜量、外層紡絲液AL₂O₃/聚醚砜(PESF)質量比和煅燒溫度對膜的結構與性能的影響。結果表明，在內層紡絲液TIO₂摻雜量為2WT%，外層紡絲液AL₂O₃PESF質量比為5.60，燒結溫度為1350℃的最優條件下，中空纖維膜斷裂負荷為24N、平均孔徑為0.15ΜM、去油率為97.5%。