La tecnología de membranas está considerada como una de las mejores tecnologías de tratamiento de agua del siglo XXI. En los últimos diez años, la tecnología de materiales de membranas y la tecnología de separación de membranas han logrado grandes avances y se utilizan ampliamente en el campo del tratamiento de agua. El rendimiento de filtración y separación de las membranas cerámicas para el tratamiento de agua está estrechamente relacionado con el tamaño y distribución de los poros, la porosidad y la morfología de la superficie. La capa de separación activa de las membranas cerámicas se forma por acumulación aleatoria de partículas. La porosidad suele ser del 30 al 35% y el factor de tortuosidad es difícil de controlar. La eficiencia del tratamiento del agua de las membranas cerámicas es limitada. El estudio de nuevas tecnologías para la preparación, modificación y optimización de procesos de membranas cerámicas para mejorar la filtración, separación y eficiencia anticontaminación de las membranas cerámicas es un punto de investigación en el campo del tratamiento de agua con membranas cerámicas.
1. Tecnología de preparación de membrana cerámica para tratamiento de agua
1.1 Proceso de preparación del agente formador de poros
El agente formador de poros es un método para mejorar la porosidad. de cerámicas para el tratamiento del agua Un método sencillo y económico. Los agentes formadores de poros se pueden dividir en sustancias inorgánicas y sustancias orgánicas. Los agentes formadores de poros inorgánicos incluyen sustancias que se descomponen fácilmente a altas temperaturas, como carbonato de amonio, bicarbonato de amonio y cloruro de amonio, o carbono inorgánico como grafito y polvo de carbón. Los porógenos orgánicos incluyen principalmente fibras naturales y polímeros de alto peso molecular, como aserrín, almidón, poliestireno (PS), polimetacrilato de metilo (PMMA), etc. Yang et al. utilizaron Al2O3 como matriz de la película, bentonita como auxiliar de sinterización y almidón de maíz como agente formador de poros para preparar membranas cerámicas mediante procesos como extrusión, reticulación, secado y sinterización. Los resultados mostraron que a medida que aumentaba el contenido de almidón, aumentaban el tamaño máximo de poro y el tamaño medio de poro del portador Al2O3, y la porosidad de la membrana cerámica aumentaba del 24% al 38%.
1.2 Proceso de preparación del agente plantilla
Esta plantilla puede controlar eficazmente la morfología, la estructura y el tamaño de los materiales sintéticos, y preparar microporos con una estructura de poros ordenada, un diámetro de poro uniforme y una porosidad grande. , materiales mesoporosos y macroporosos. El método de plantilla tiene una rica selección de materiales y métodos de ajuste flexibles. Es muy prometedor utilizar el método de plantilla para preparar membranas cerámicas para el tratamiento de agua. Xia et al. utilizaron microesferas de poliestireno orgánico como plantillas y prepararon materiales macroporosos de poliuretano ordenados tridimensionales con un tamaño de poro de 100 nm mediante polimerización con luz ultravioleta. Sadakane et al. utilizaron PMMA como plantilla para preparar materiales de óxido metálico con macroporos ordenados tridimensionales, con un rango de porosidad de 66-81%. Los tensioactivos pueden formar autoensamblajes como micelas, microemulsiones, cristales líquidos y vesículas en soluciones y, a menudo, se utilizan como plantillas orgánicas en la tecnología de autoensamblaje. Utilizando el tensioactivo bromuro de cetiltrimetilamonio como plantilla, se puede preparar el tamiz molecular mesoporoso ordenado MCM41, que tiene una variedad de poros simétricos con un diámetro de poro de 2 a 50 nm. Choi et al. utilizaron Tween80 como plantilla para preparar una membrana cerámica de TiO_2-Al2O3 con una estructura de tamaño de poro gradiente y el rendimiento de permeabilidad de la membrana cerámica mejoró enormemente.
1.3 Proceso de preparación de laminados de fibra
Los materiales de fibra cerámica pueden depositarse rápidamente sobre la superficie del soporte durante el proceso de formación de la película, lo que reduce significativamente la humectabilidad de la capa de la película y es fácil de obtener mayor La porosidad y el área de superficie específica tienen un efecto significativo en la mejora de la permeabilidad de los materiales de membrana. Ke et al. utilizaron fibra de dióxido de titanio como materia prima y utilizaron el método de recubrimiento por rotación para preparar una membrana de fibra cerámica con un diámetro de poro promedio de 50 nm. La tasa de rechazo de partículas esféricas es superior al 95% y el flujo de membrana es superior a 900Lm-2h-1.
1.4 Proceso de preparación de sol-gel
La tecnología Sol-gel controla principalmente la precisión de separación de la capa de separación de la membrana cerámica ajustando el tamaño del material. El método sol-gel puede formar sol a nanoescala, y la membrana cerámica resultante tiene un tamaño de poro pequeño y una distribución de tamaño de poro estrecha, y es adecuada para preparar membranas de ultrafiltración y membranas de nanofiltración con alta selectividad de permeabilidad. He et al. utilizaron el método del sol de polimerización para preparar membranas de nanofiltración de TiO2 con un tamaño de poro promedio de 0,7 a 2,5 nm. El peso molecular del PEG es de 500 a 000 Da y su tasa de rechazo de Mg2+ es del 88%.
2. Tecnología de modificación de la membrana cerámica para el tratamiento de agua
2.1 Tecnología de modificación por deposición química de vapor
La deposición química de vapor es la deposición de óxido de silicio u óxido de silicio sobre la La superficie de la membrana cerámica. Los óxidos metálicos son una forma muy eficaz de mejorar la estructura de los poros y el rendimiento de filtración de las membranas cerámicas. Lin et al. utilizaron tecnología CVD para modificar una membrana cerámica de Al2O3 con un tamaño de poro promedio de 4 nm y prepararon una membrana cerámica de SiO2 con un rango de tamaño de poro de 0,4 a 0,6 nm. El método CVD generalmente debe llevarse a cabo en un ambiente de vacío de alta temperatura y requiere que el precursor tenga cierta volatilidad.
2.2 Tecnología de modificación de deposición de capa atómica
La tecnología de deposición de capa atómica (ALD) puede depositar sustancias en la superficie de películas cerámicas capa por capa en forma de películas atómicas individuales, construyendo así micro -nanoestructuras en la superficie de membranas cerámicas. Li et al. depositaron una capa de óxido de aluminio sobre la superficie de una membrana cerámica con un diámetro de poro promedio de 50 nm a través de una capa atómica y ajustaron el diámetro de poro promedio de la membrana controlando el número de deposiciones de capas atómicas. Después de la modificación, la tasa de rechazo de albúmina sérica bovina de la membrana cerámica aumentó del 2,9% al 97,1%.
2.3 Tecnología de modificación de injertos de superficie
La tecnología de injerto de superficie se utiliza a menudo para controlar las propiedades de la superficie de los materiales de la membrana. El proceso de injerto cambiará la estructura de los poros de la membrana para reducir el tamaño de los poros. . Generalmente, la superficie de las membranas cerámicas absorberá agua para formar una gran cantidad de grupos hidroxilo. Al injertar organosilano, se puede modificar una capa de moléculas orgánicas en la superficie de la membrana mesoporosa. Ajustando la longitud de la cadena y los grupos funcionales de las moléculas injertadas, se puede ajustar el tamaño de los poros y se pueden obtener propiedades superficiales especiales. Singh et al. descubrieron que el injerto de agentes de acoplamiento de silano puede reducir aún más el tamaño de los poros de las membranas cerámicas porosas. Cohen et al. injertaron PVP hidrófilo en la superficie de membranas de ultrafiltración cerámicas. Se redujo el tamaño de los poros de la membrana modificada, se mejoró el rendimiento de interceptación y se mejoró el rendimiento anticontaminación, por lo que se puede utilizar para la separación de aceite y agua. .
3. Optimización del proceso de preparación y modificación de membranas cerámicas para tratamiento de agua
3.1 Selección de materiales y aditivos de membranas cerámicas
La preparación principal de membranas cerámicas para agua tratamiento Centrarse en materias primas y procesos de sinterización. La adición de auxiliares de sinterización para reducir la temperatura de sinterización, el uso de materias primas baratas y fáciles de sinterizar para reducir los costos de las materias primas y el uso de procesos de sinterización avanzados para lograr un control de bajo costo son el foco de la investigación sobre membranas cerámicas. Durante el proceso de preparación de membranas cerámicas, a menudo se añaden algunos coadyuvantes de sinterización líquidos o sólidos al material de la membrana base. Los minerales arcillosos de silicato natural, como el caolín y el feldespato potásico, pueden fundirse a bajas temperaturas para formar una fase líquida, que humedece las partículas de la matriz del material de la película de recubrimiento bajo la acción de la fuerza capilar entre las partículas, uniendo las partículas, complementada con cerámica porosa. Resistencia mecánica de la membrana. Los óxidos metálicos como el óxido de titanio y el óxido de circonio pueden formar una solución sólida de óxido multielemento con la matriz de la membrana cerámica, lo que reducirá la temperatura de sinterización y es beneficioso para la preparación de membranas cerámicas.
3.2 Optimización del proceso de cocción de membranas cerámicas
Las membranas cerámicas porosas deben sinterizarse varias veces, lo que da como resultado ciclos de proceso de sinterización prolongados y un alto consumo de energía. Además de utilizar auxiliares de sinterización o materiales fáciles de sinterizar para reducir la temperatura de sinterización, reducir el tiempo de sinterización o acortar el ciclo de preparación también puede lograr el propósito de reducir el costo del proceso de sinterización. En términos de acortar el tiempo de sinterización, la tecnología de sinterización por microondas es una tecnología sin contacto. El calor se transfiere a través de ondas electromagnéticas y puede llegar directamente al material, minimizando las irregularidades de la sinterización, reduciendo la temperatura de sinterización y acortando el tiempo de sinterización. La tecnología de microondas se utiliza principalmente para preparar materiales compuestos cerámicos casi densos. Dado que puede mejorar la estructura y el rendimiento del material, también se puede utilizar para preparar materiales compuestos cerámicos porosos. En términos de acortar el ciclo de sinterización, algunos investigadores se refirieron a la aplicación exitosa de la tecnología de sinterización a baja temperatura en el campo del embalaje de componentes cerámicos multicapa y propusieron utilizar * * tecnología de sinterización para reducir el número de tiempos de sinterización, reduciendo así la sinterización. costos.
4. Conclusión
La tecnología de preparación de membranas cerámicas para el tratamiento de agua tiene como objetivo mejorar el rendimiento general de las membranas cerámicas. Se pueden lograr avances en la tecnología de preparación de membranas cerámicas regulando la microestructura de la cerámica. membranas. En la actualidad, las tecnologías de preparación de membranas cerámicas, como la tecnología de preparación de porógenos, la tecnología de preparación de plantillas, la tecnología de preparación de laminados de fibra, la tecnología sol-gel y la tecnología de sinterización de partículas sólidas, han atraído cada vez más atención. La investigación sobre la tecnología de preparación de membranas cerámicas para el tratamiento de agua liderará y promoverá el desarrollo de la tecnología y la industria de las membranas cerámicas, aliviando la presión del cuello de botella en la mejora de las plantas de agua y la mejora de la calidad del agua.
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