CN100337991C - 超细金属粉烧结基复合膜及其制备方法和海水淡化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种能够适用于大通量、低压力条件下进行高效率脱盐处理的超细金属粉烧结基复合膜，其特征在于：包括采用超细金属粉烧结制备的多孔的金属粉基材，在该金属粉基材的表面填装纳米陶瓷多孔材料并烧结形成多孔陶瓷膜层，并在该多孔陶瓷膜层上覆盖有机高分子活性层。该复合膜可广泛用于海水淡化、苦咸水脱盐、纯水制备、污水处理或治理。本发明还提供一种上述超细金属粉烧结基复合膜的制备方法。本发明还提供一种包含上述复合膜的海水淡化系统。
Description
技术领域
本发明涉及用于海水淡化或水质净化或污水处理的膜分离技术，特别是一种超细金属粉烧结基复合膜，以及该复合膜的制备方法和包含该复合膜的海水淡化系统。
背景技术
众所周知，水资源的紧缺制约着社会经济的发展和人们生活的改善。因此，长期以来海水淡化、苦咸水脱盐、水质净化、污水处理或治理，以及以地表水为水源生产高品质的饮用水等，一直是科技人员竞相研究开发的热点。其中的海水淡化技术与工程，尤其受到沿海城市的关注，因为利用海水作为淡水资源对自然资源和环境不会造成任何有害影响。海水淡化过程中产生的浓缩高盐度水，经过后续的工序可制备成食用盐或工业用盐，不仅节省了盐场因晒盐而占用的土地资源，同时还有利于提高盐类的质量。与此相关的主流技术之一就是膜分离技术。膜分离技术包括微滤、超滤、渗析、纳滤、反渗透、气体分离、膜蒸馏和渗透蒸发等，因其无相变、节能和操作简单等特点而受到重视。膜分离技术的应用前景取决于膜的性能，该性能包括选择透过性、透水流量、运行稳定性、耐温、耐水解和耐生物降解等，而获得良好性能、特别是综合性能的关键在于成膜材料和膜的制备上。目前海水淡化主要是以卷式膜分离技术为主导。卷式膜的生产制造商主要是美国的陶氏膜和美国的海德能膜。膜和膜组件与光纤、超导等技术一样，已成为主导未来工业的六大新技术之一。目前全世界膜和膜组件的销售额在130亿美元左右，成套设备和膜工程的市场更大，而且每年还以13％-14％的幅度递增。国内，经济发达的沿海城市，多数是缺水城市，水资源的短缺已经成为制约经济和社会发展的瓶颈。开发高性能的金属基复合反渗透膜的制备技术，改变目前外国公司垄断的局面，将有巨大的经济效益和社会效益。
现有技术中，在海水淡化中使用的反渗透膜主要有醋酸纤维素系列膜(CA)和聚酰胺系列膜(PS)，都属于有机膜，存在化学稳定性差和机械强度低的缺陷。无机膜的材质一般为玻璃或陶瓷，组分为二氧化钛、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化硅、氧化钙、铂、钯等无机物。无机膜具有化学稳定性好和机械强度高的特点，但是，其孔径较大，难以有效保证较高水平的脱盐能力。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种能够适用于大通量、低压力条件下进行高效率脱盐处理的超细金属粉烧结基复合膜。该复合膜可广泛用于海水淡化、苦咸水脱盐、纯水制备、污水处理或治理。
本发明还提供一种上述超细金属粉烧结基复合膜的制备方法。
本发明还提供一种包含上述复合膜的海水淡化系统。
本发明总的技术构思为，通过在超细金属粉烧结基上以无机材料填充空隙形成无机多孔膜，并在该无机多孔膜上覆盖有机高分子活性层，将高分子膜的脱盐功能与多孔膜的支持功能结合在一起形成分离层，使得本发明的超细金属粉烧结基复合膜具有良好的选择透过性、透水流量和运行稳定性。
本发明的技术方案如下：
超细金属粉烧结基复合膜，其特征在于：包括采用超细金属粉烧结制备的多孔的金属粉基材，在该金属粉基材的表面填装纳米陶瓷多孔材料并烧结形成多孔陶瓷膜层，并在该多孔陶瓷膜层上覆盖有机高分子活性层。
所述多孔陶瓷膜层位于所述超细金属粉烧结基的单面表层。
该超细金属粉烧结基复合膜呈管形或管筒形。
所述超细金属粉基材为采用超细钛粉制备的多孔钛基材。
所述金属粉基材具有电解活化表面。
在所述多孔陶瓷膜层上原位聚合有机高分子形成有机高分子活性层。
超细金属粉烧结基复合膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，以超细金属粉烧结制备多孔的金属粉基材；步骤2，在多孔的金属粉基材的表面填装纳米陶瓷多孔材料并烧结形成多孔陶瓷膜层；步骤3，在该多孔陶瓷膜层上原位聚合有机高分子形成有机高分子活性层。
所述超细金属粉为超细钛粉。
海水淡化系统，包括膜分离层，其特征在于：所述膜分离层为上述超细金属粉烧结基复合膜。
本发明的技术效果如下：
由于本发明的超细金属粉烧结基复合膜，采用了基材、无机多孔膜和有机活性层的填充空隙、叠层结构，将高分子膜的脱盐功能与多孔膜的支持功能结合在一起形成分离层，使得本发明的超细金属粉烧结基复合膜具有良好的选择透过性、透水流量和运行稳定性。
经过优化实施，本发明的超细金属粉烧结基复合膜能够具有良好的化学稳定性和生物惰性，并且无毒，以及耐生物降解性、耐水解性和耐温度变化性；脱盐能力能够达到99％，透水流量能够达到0.8m3/m2·h；平均孔径为10μm，空隙率不小于35％，极限耐压7.0Mpa，工作压力4.5Mpa，在运行压力和拉力下不致发生形变和裂纹，性能稳定，适合长时间运行。
总之，本发明的超细金属粉烧结基复合膜可广泛用于大型海水淡化工厂、大型苦咸水淡化工厂、高纯水制备和大型的污水处理工厂，以及核污染废水处理和医院有毒废水处理，并且具有以下技术特性：耗电量低，操作简单，无耗材，无二次污染，无中间产物，使用寿命可长达10年。
本发明的超细金属粉烧结基复合膜的制备方法，有利于便捷地获取超细金属粉烧结基复合膜。
本发明的海水淡化系统，为超细金属粉烧结基复合膜提供了切实可行的应用。
附图说明
图1为本发明的超细金属粉烧结基复合膜的膜元件结构示意图，其中的A部放大图表明了膜的复合构造。
附图标记列示如下：
1-超细金属粉烧结基，2-无机多孔陶瓷膜，3-高分子有机活性层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的超细金属粉烧结基复合膜包括以叠层的方式依次设置的超细金属粉烧结基1、无机多孔陶瓷膜2和高分子有机活性层3，无机多孔陶瓷膜2是以无机材料填充超细金属粉烧结基中的空隙所形成的无机多孔膜，该无机多孔膜上覆盖有机高分子活性层。其中，无机多孔陶瓷膜2也可以用具有相同特性的玻璃膜进行替代。无机多孔膜位于超细金属粉烧结基的单面表层。图中表示的超细金属粉烧结基复合膜呈管筒形，也可以呈管形或其他形状。超细金属粉烧结基是以超细钛粉或者说二氧化钛粉末烧结制备的多孔钛基材，也可以采用金属铌或者说铌氧化物等材料。多孔钛基材具有电解活化表面。基材、无机多孔膜和有机活性层的填充空隙、叠层结构的结合方式为，多孔钛基材的表面填装纳米陶瓷多孔材料并烧结形成多孔陶瓷膜层，在该多孔陶瓷膜层上原位聚合有机高分子形成有机高分子活性层。
超细金属粉烧结基复合膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1，以超细金属粉烧结制备多孔的金属粉基材；超细金属粉以钛为例的制备工艺为用离心雾化法求得超细的粉末球型，球型粒径控制在100nm以下、球型率达到97％以上。超细金属粉末装入超高温模具内经高温烧结后制备成超细多孔金属粉末基材。步骤2，在多孔的金属粉基材的表面改性，形成无机多孔膜；无机多孔膜的制备是在多孔金属基材上用小分子模板来制备高比表面积的陶瓷层来作填充物形成金属基无机膜分离层。步骤3，在该无机多孔膜上原位聚合有机高分子形成有机高分子活性层。有机高分子活性层是通过纳米发泡技术对有机高分子进行发泡求得超高比面积、再由先进的有机高分子界面聚合技术对无机膜分离层进行复合而制备高脱盐功能、高通量的金属基无机填充有机复合的分离膜。显然，可替代的其他材料也可以采用同样的方式。
作为优选：超细金属粉为超细钛粉，无机多孔膜为无机多孔陶瓷膜。
作为本发明超细金属粉烧结基复合膜的一种极具经济效益和社会效益的应用，当首推海水淡化系统。
超细钛粉烧结基制备海水淡化膜技术包括下列内容：超细钛粉烧结制备多孔钛基材料技术；多孔钛基表面改性复合介孔陶瓷层技术；介孔陶瓷层涂覆高分子活性层技术。
本技术包括：超细钛粉的制备；钛基模具的制备；烧结技术的均衡；陶瓷基的复合；活性高分子的涂覆。本项目的技术关键在于，以超细钛粉烧结制备多孔钛基材，在多孔通道内形成不对称介孔陶瓷和有机活性高分子层，使反渗透活性膜具有良好的选择透过性、透水流量、运行稳定性，耐温、耐水解、耐生物降解。
本技术与现有技术的比较：
关于脱盐率：超细钛粉烧结基制备海水淡化膜脱盐达到99％。卷式膜平均脱盐率98％。
关于通透率：超细钛粉烧结基制备海水淡化膜一级一段通量为33％。卷式膜一级一段平均通量为15％。
关于能耗：超细钛粉烧结基制备海水淡化膜一级一段通过压力30-50kg/cm2。卷式膜一级一段通过压力75-83kg/cm2。
本技术于现有技术比较具有以下的先进性：
本技术不受水温限制；本技术通透率≥现有卷式膜一倍以上；本技术运行成本是现有技术的1/3。
关于产品市场调查和需求预测：
1、国内外市场调查和预测：
本产品的主要用途为海水淡化、纯水制备、污水深度处理。
根据相关资料显示，在全国沿海城市正在筹建大型的海水淡化工厂。特别是天津市自来水集团正在筹备一个日处理能力达到10万吨的海水淡化项目，天津滨海新区正在调研准备筹建一个日处理量为20万吨的海水淡化工程。辽宁的大连、山东青岛、浙江等地区也正在准备筹建。
我国的水资源状况很不乐观，我国可耕地面积在世界中的比例为7％，但养活人口占世界22％，几大水系分布较为集中，北方大部分地区都面临缺水问题。由于人类的过度索取，曾有“千湖之省”称号的湖北省的水域面积就比建国前减少了3/4，蓄水能力的下降不仅引发了洪灾，而且使宝贵的淡水资源大量流失了；加之西北、华北和东北地区的植被破坏严重，天然水资源再生问题恶化，地下水位日益下降，导致土地沙漠化加剧，引发恶性循环。片面追求发展经济，忽视环境保护和环境治理，长期造成的严重工业污染，使全国数条河流已经面目全非，虽然近几年的治理取得一些成效，但部分河流已经不能作为饮用水的水源，给下游和沿海城市造成缺水问题，成为制约社会进步和经济发展的瓶颈。
我国拥有18000多公里的海岸线，沿海岛屿星罗棋布，但许多岛屿因为缺少淡水而无人居住，长期以往，将会造成我国海洋国土资源的损失，尤其是接近海域界线附近的岛屿或岛礁。发展远海或深海养殖，虽然可以避免这类问题出现，同样面临缺少饮用水问题。
针对以上问题，除对水资源进行科学管理和优化配置外，充分发挥高新技术手段，发展节能型海水淡化技术，在国民经济的可持续发展中的作用是十分关键的。
目前海水淡化主要是以卷式膜分离技术为主导。本技术目前在全球范围内是独创的。
Claims (9)
1.超细金属粉烧结基复合膜，其特征在于：包括采用超细金属粉烧结制备的多孔的金属粉基材，在该金属粉基材的表面填装纳米陶瓷多孔材料并烧结形成多孔陶瓷膜层，并在该多孔陶瓷膜层上覆盖有机高分子活性层。
2.根据权利要求1所述的超细金属粉烧结基复合膜，其特征在于：所述多孔陶瓷膜层位于所述金属粉基材的单面表层。
3.根据权利要求1所述的超细金属粉烧结基复合膜，其特征在于：该超细金属粉烧结基复合膜呈管形或管筒形。
4.根据权利要求1所述的超细金属粉烧结基复合膜，其特征在于：所述金属粉基材为采用超细钛粉制备的多孔钛基材。
5.根据权利要求1所述的超细金属粉烧结基复合膜，其特征在于：所述金属粉基材具有电解活化表面。
6.根据权利要求4所述的超细金属粉烧结基复合膜，其特征在于：在所述多孔陶瓷膜层上原位聚合有机高分子形成有机高分子活性层。
7.超细金属粉烧结基复合膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，以超细金属粉烧结制备多孔的金属粉基材；步骤2，在多孔的金属粉基材的表面填装纳米陶瓷多孔材料并烧结形成多孔陶瓷膜层；步骤3，在该多孔陶瓷膜层上原位聚合有机高分子形成有机高分子活性层。
8.根据权利要求7所述的超细金属粉烧结基复合膜的制备方法，其特征在于：所述超细金属粉为超细钛粉。
9.海水淡化系统，包括膜分离层，其特征在于：所述膜分离层为权利要求1-6之一所述的超细金属粉烧结基复合膜。
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