基本信息
- 项目名称：
- 低成本高性能陶瓷微滤膜的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 利用陶瓷行业常见的高岭土、铝矾土、滑石等廉价的天然矿物原料或工业尾矿制备高性能陶瓷微滤膜，这些原料价格低廉、储量丰富，便于在大规模工业生产上就地或就近取材，据初步计算最终可降低制备成本30%以上（较市场上常见的Al2O3、ZrO2等陶瓷膜）。同时通过采用挤压成型法、浸渍提拉法制备的堇青石质陶瓷微滤膜具有热膨胀系数小、抗热震性强等优点，并适用于强碱等苛性介质分离，其性能卓越，达到国际先进水平。
- 详细介绍：
- 本作品以研制低成本高性能陶瓷微滤膜为目的，利用陶瓷生产企业当地或就近的资源，从源头上大大降低当前陶瓷膜的制备成本，使其可以大规模地运用于工业生产。根据《十二五规划》、省科技创新“六个一”工程、鄱阳湖生态经济区建设和《xx省中长期科技发展规划纲要》，当前应重点发展绿色产业，坚持可持续发展的理念。 因而，研究低成本陶瓷膜体现了变废为宝的理念，符合我国《十二五规划》及鄱阳湖生态经济区建设的相关要求。 本作品研制的陶瓷微滤膜技术指标为：外径9～11 mm，内径6～8 mm，平均孔径在1.5～2.0 μm，孔隙率为25～35%，抗折强度为20～35 MPa，膜厚度为30-80 μm热膨胀系数：1.0～2.5×10-6 /℃，在0.10 MPa压差下的纯净水渗透通量达到30～50 m3/(m2·h·MPa)。 本作品研制的陶瓷膜在工业污水，废气处理、海水淡化、过滤除杂、医药过滤除菌、高纯水的制备、生物及微生物的检测等领域具有广阔的前景。目前环境保护政策已经上升到国家战略高度，节能减排亦有助于社会发展，所以研制低成本高性能陶瓷微滤膜并积极推广其广泛应用是未来发展的必然趋势。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的： 为响应我国“十二五”规划及鄱阳湖生态经济区建设等相关号召，本作品以研制低成本高性能陶瓷微滤膜为目的，利用陶瓷行业中常见、廉价的天然矿物原料或工业尾矿为原料，从源头上大大降低当前陶瓷膜的制备成本。 基本思路： 利用陶瓷行业中常见的、廉价的天然矿物原料或工业尾矿制备陶瓷微滤膜。探讨原料配方的优化设计及膜成型及烧成工艺，改进制膜工艺，制备出低成本高性能陶瓷微滤膜。 创新点: 采用陶瓷行业中常见、廉价的天然矿物或工业尾矿等为原料，变废为宝，显著降低制备成本。 本作品研制的堇青石质陶瓷膜具有优良的抗热震性能，可应用于高温烟尘气体净化等热冲击环境中。同时由于堇青石材料具有良好的耐碱性能，而市场上常见的Al2O3、ZrO2质膜仅适用于强酸性介质，因此，本作品有效地填补了陶瓷膜在强碱苛性介质分离应用中的空白。 技术关键： 在膜支撑体制备方面，调节粘结剂、成孔剂、增塑剂等比例，优化制备工艺参数，使其不会出现变形开裂等缺陷。在膜制备方面，调配稳定性、流平性好的悬浮浆料，优化涂膜工艺，采用浸渍提拉法制备结构均一稳定的顶膜。 主要技术指标： 外径9-11 mm，内径6-8 mm，平均孔径1.5-2.0 μm，孔隙率25-35%，抗折强度20-35 MPa，膜厚度30-80 μm ，热膨胀系数1.0-2.5×10-6 /℃，在0.10 MPa压差下纯净水渗透通量30-50 m3/(m2·h·MPa)。
科学性、先进性
- 科学性： 当前市场上已商品化的陶瓷膜材质主要为氧化铝（2800元/T）和氧化锆(38000元/T)，原料成本相对较高，导致陶瓷膜制备应用成本相应提高，从而在石油化工、食品饮料、生物、医药卫生等大规模工业应用方面受到限制，由此可见，本作品研制的低成本高性能陶瓷膜具有显著的优势。 先进性： 低成本高性能陶瓷膜的研制具有很好的基础理论、研究意义及其实际应用价值，其先进性可以体现在以下几个方面： 1.原材料成本非常低； 2.通过研究已经形成了一套以低成本矿物原料为基础制备高性能陶瓷膜技术。制备的陶瓷微滤膜孔径分布均匀，具有良好的物理化学性能； 3.天然非金属矿物往往含有多种杂相，所以材料的烧结活性高，烧结温度低，可大大降低能耗，从而显著降低陶瓷膜的制备成本； 4.许多天然非金属矿物本身就具有一些独特的物理化学性质，充分利用原料的这些性质，可使制备的多孔陶瓷不仅具有过滤分离的功能，还具有其它特殊应用场合所需的特定的物化性能。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2011年4月被校团委评为校级一等奖。 本作品于2011年5月在全国大学生课外科技学术竞赛（xx省赛区）获得省级二等奖。
作品所处阶段
- 实验研究阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、图片、样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明及适用范围： 本作品研制的陶瓷膜可直接用于工业污水废气处理、过滤除杂等环保行业领域及生物制剂分离等生物医药领域。 技术特点和优势： 本作品利用天然矿物的低成本、储量大等优点，通过配方优化设计制备出性能优良的膜支撑体。并采用浸渍提拉法将悬浮浆料均匀地涂覆在管内壁形成顶膜。成型、涂膜工艺具有操作简单、成品率高等特点。 推广前景的技术说明和市场分析： 目前，环境保护政策已上升到国家战略高度，今后在污水处理、节能环保等领域将迎来爆发式增长。除此之外，在医药工业的过滤除菌、高纯水的制备等领域，陶瓷膜均具有广阔的市场前景。 经济效益预测： 陶瓷膜在今后的发展将保持30%的年增长率。2015年，膜市场需求将超过200亿，将占世界总量的10-15%。本作品形成的技术将大大降低陶瓷膜制备成本（大于30%），具有显著的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 陶瓷膜由于其制备原料丰富、具有耐高温、高强度、使用寿命长等优良的物理化学性能，因此在膜市场的占据较大份额。其中，氧化铝质陶瓷膜是目前工业上最常见的一种无机分离膜，该陶瓷膜一般在1300℃甚至更高的温度下烧成，因而使其制备成本偏高。同时，由于氧化铝陶瓷膜耐酸碱性较差，由此限制了氧化铝陶瓷膜的大规模工业应用。 针对目前氧化铝等材质的陶瓷膜制备成本偏高问题，国内外许多陶瓷膜科技工作者致力于低成本陶瓷膜的研发工作。其中，以天然非金属矿物为主要原料的低成本新型陶瓷膜的制备和相关应用研究日益受到国内外膜领域科技工作者的关注。如法国欧洲膜工程中心Larbot教授所领导的课题组就从事了新型矿物基陶瓷分离膜制备及其应用的相关研究，如磷灰石基支撑体及非对称陶瓷膜制备及其应用的研究等。在国内亦有一批陶瓷膜工作者从事低成本陶瓷膜的研究，如以粉煤灰、氢氧化铝为原料合成莫来石质陶瓷膜等，并取得阶段性成果。从膜制备成本上，以上研究均有较大的突破，但由于膜材质的物理化学性质的限制（如热膨胀系数，化学稳定性等），使得在某些特定场合，如高温、强酸碱性等环境下，这些膜不能实现大规模的工业应用。 本作品以高岭土、滑石、铝矾土等天然矿物为原料，在较低温度下合成堇青石质陶瓷膜。在大大减少膜制备成本的同时，也保证了膜具有一定的物理化学性能，如热膨胀系数低、较强的耐碱腐蚀能力，从而使其可广泛应用于高温、强碱性等苛性环境下的工业分离过程，大大扩展了陶瓷膜的实际应用领域。
