无机膜与有机膜的材料比较

膜是在表面具有某些物理或化学性质的屏障。根据成膜材料的不同，可以将膜分为有机膜和无机膜，其中有机膜也称为聚合物分离膜，由聚合物或聚合物复合材料制成，具有分离流体混合物的功能，通常包括成膜材料，例如乙酸纤维素，芳族聚酰胺，聚醚砜和含氟聚合物。无机膜是指由金属，金属氧化物，陶瓷，沸石，多孔玻璃和其他无机材料作为分离介质制成的半透膜。常见的材料包括Al2O3，ZrO2，TiO2，SiO2，SiC等。总结了这两类膜技术的综合性能，分析了它们在各自应用领域中的技术优缺点，为膜技术的工业应用提供了理论参考。 1技术背景和起源20世纪上半叶，聚合物膜和电渗析膜的研究和应用占很大比例，无机膜主要用于核工业燃料铀浓缩的早期过程，并未得到广泛应用。直到1980年代的申请为止。膜分离技术的发展历史和应用概况见表1。2膜的分类和制备方法2.1膜的分类有机膜主要由聚合物或聚合物复合材料制成。从微滤和超滤膜的最初开发开始，其类型几乎包括反渗透，纳滤，所有膜技术过程，例如电渗析和全蒸发。从不同的角度来看，有许多方法可以对无机膜进行分类。根据表面结构可分为致密膜，多孔膜和复合不对称校正膜，根据膜材料的不同，可分为陶瓷膜，金属膜，合金膜，碳化硅膜，分子筛复合膜。 ，沸石膜和玻璃膜等，根据膜组件的空间结构，可分为平板型，管型，多通道等，其中多通道无机膜元件适用于大型规模工业应用。 2.2制备方法有机膜的常见制备方法包括相转化法（包括流涎法和纺丝法）和复合膜法。无机膜的制备方法很多，包括固体颗粒烧结法，溶胶-凝胶法，化学气相沉积法，热分解法，阳极氧化法等。3膜分离工艺综合性能的比较3.1材料特性根据原理具有相似的相容性，未改性的有机膜易受有机进料液体和化学试剂的吸附，腐蚀甚至溶解，从而影响膜的防污能力，分离效果，范围和使用寿命。随着制备技术的改进，大多数有机薄膜都显示出优异的材料特性。例如，三乙酸纤维素膜是高度疏水的，pH耐受范围是4-8，温度极限是180°C，并且可以承受大多数醇和油，再生纤维素膜的pH耐受范围是1- 13，耐温极限为180℃，耐大多数有机溶剂，特别适用于颗粒过滤，聚四氟乙烯膜为疏水性，pH耐受范围为1〜14，温度极限为230℃，耐所有有机溶剂，可用于空气，气体和疏水性化学物质的过滤。与有机膜相比，无机膜的材料特性和优异的性能为：化学稳定性好，温度范围宽，抗污染性强，机械强度高，更适用于高粘度，高固含量和硬颗粒。复杂流体材料对材料的预处理要求相对较低，分离效率高，可以显着提高特征性污染物或特定分子质量溶质的去除率。能够再生，使用寿命是有机膜的3至5倍以上。无机材料具有高的脆性和低的弹性，这给成膜过程和组成设备带来了一定的困难。为了弥补这一弱点并提高膜的机械性能，许多研究已开始涉及新膜的制备和应用，例如膜材料的改性，有机-无机杂化膜/复合膜的制备和应用。有机膜的无机改性。 3.2应用领域膜分离技术被广泛应用于石油化工，生物医学，食品加工和环境工程等领域。然而，由于膜特性的差异，有机膜的应用范围往往局限于相对简单的反应，例如低浓度或微污染系统。当原料体系具有强酸，强碱，强腐蚀性，高温和有机溶剂高浓度的特性时，有机膜容易堵塞膜孔，难以回收。二次污染问题。无机膜具有高的膜渗透通量和分离效率。污染后，可以使用多种化学清洁剂进行正向清洁和反向脉冲在线清洁或高温消毒，并且可以回收酸，碱和高腐蚀性材料。表面活性剂，重金属离子和热能可以显着减少资源和能源消耗。 3.3工艺性能参数3.3.1经济技术分析实际工程运行结果表明，当系统渗透水的水质达到相关排放标准时，与进口相比，国产陶瓷膜的使用可节省设备成本2750万元。有机膜，每年可节省运行成本253万元。好处更为明显。从投资成本的角度来看，相同加工规模的家用无机膜比家用有机膜更昂贵。但是，考虑到无机膜在苛刻的加工条件下的广泛适用性和较长的使用寿命，家用无机膜和家用有机膜的投资成本差别不大。就膜系统的运行成本而言，由于错流过滤操作比盲端过滤每单位滤液消耗更多的能量，因此较高的膜表面速度会在一定程度上降低膜污染程度，并且无机膜通常具有较高的过滤操作压力和反冲洗压力，因此无机膜系统的单位加工成本一般不低于或略高于有机膜系统。 3.3.2膜的保存和保存条件是影响膜元件使用寿命的重要因素之一。无机膜和有机膜的维护方法差异很大。无机陶瓷膜管应在干燥状态下存放，置于阴凉，干燥和通风的环境中，并应防止在存储和运输过程中发生碰撞。有机膜可以通过湿法和干法保存。主要目的是防止膜水解，微生物生长以及膜的收缩和变形。相比之下，无机膜的存储方法相对简单，而有机膜对存储温度，相对湿度，pH和湿膜干存储的要求更高。 3.3.3膜污染控制方法（1）原料液的预处理。用无机膜对原料液进行预处理的目的是去除大尺寸的悬浮物和硬颗粒，使小的悬浮物和溶解的污染物形成易碎但无粘性的絮凝物，有机膜的特殊性防止污染在于防止膜的生物降解，防止进料液的温度和pH值超出适当范围等。（2）膜的表面改性和改性。无机膜使用TiO2，ZrO2和其他具有催化活性和亲水性的成膜材料来改善膜分离性能。另外在表面上的官能团可以通过与其他官能团和聚合物反应而被改性，这与无机膜改性不同。此外，高能射线辐射接枝可以使有机膜分子氧化，蚀刻，破裂，交联等。 ，而不增加截留率以增加膜的透水性和耐污染性。 （3）膜组件和流道的设计与优化。经常使用自然对流，湍流，脉冲流，螺旋流和其他流动条件，改变进料液体的流动状态可以形成良好的操作条件，提高膜分离效率并减少膜工艺污染。某些有机膜（例如板膜和中空纤维膜）在设计动态膜结构，改变流道形状和添加湍流组件方面存在困难，而管状陶瓷膜非常适合组件和流道的最佳设计。 3.3.4膜的再生和清洁膜的再生和清洁方法基本上分为物理清洁和化学清洁。前者包括正负双向清洗，气液混合清洗，脉冲清洗，静态浸泡，机械刮擦等。后者包括强酸，强碱，有机酸，表面活性剂，强氧化剂，络合剂和酶清洁剂。常见的清洗方法是将物理清洗和化学清洗相结合，同时配备了与气体混合的反向脉冲清洗。在强力化学清洗下，无机膜通常可以达到70％〜90％的再生效率，而有机膜需要根据膜材料的耐受性选择合适的强度清洗剂和清洗方法。在操作条件方面，两种类型的膜不同，因此对膜清洁效果的影响程度不同。无机膜的高机械强度使使用高跨膜压差（TMP）进行膜清洁成为可能。研究表明，在一定范围内，TMP的增加会增加膜通量，但过高的TMP会引起膜表面。被污染的层被压缩并致密，进而导致渗透通量降低。有机膜清洗应在相对较低的工作压力（约0.1MPa）下进行，以免损坏膜结构，例如膜丝断裂。作为无机膜清洗的独特方法之一，热清洗（130℃）甚至高温燃烧（耐250℃）都可以附着在膜表面的生物质污染物上。