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一文认识|多孔陶瓷材料的应用领域
2017年07月28日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:11280
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多孔陶瓷是一种含有一定量空隙的无机非金属粉末烧结体,与其他无机非金属(致密陶瓷)的根本区别在于其是否含有空隙(气孔)及含有多少体积百分比的空隙(气孔)。根据成孔方法和空隙,多孔陶瓷可分为:泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷、粒状陶瓷,其对应气孔率见下表。

 

 

 

由于一定量气孔的存在使得多孔陶瓷的结构、性质、功能发生了显著的改变。多孔陶瓷与致密陶瓷相比具有如下5个特点:

1、体积密度小,质量较轻。

2、较大的比表面积和良好的过滤功能。

3、低的热传导率,良好的隔热和隔音性能。

4、良好的化学和物理稳定性,可适应各种腐蚀环境,具有良好的机械强度及刚度,耐热性好。

5、工艺简单,成本低廉。

 

因为这些特性,使得多孔陶瓷在许多领域有着广泛的应用,下文将对其部分重要的应用领域做简单的介绍。

 

一、多孔陶瓷用于过滤与分离材料

由多孔陶瓷的板状或管状制品组成的过滤装置,具有过滤面积大和过滤效率高等特点,广泛应用于水的净化处理、油类的分离过滤,以及有机溶液、酸碱溶液、粘性液体、压缩空气、焦炉煤气、甲烷、乙炔等的分离过滤。此外多孔陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀等优点,在高温流体、熔融金属、腐蚀性流体、放射性流体等过滤分离方面,显示出了独特的优势。

 

1、用于熔融金属的过滤

在铸造业中,经常使用泡沫陶瓷过滤器以除去熔融金属中的非金属杂质。作为熔融金属过滤器,其服役条件相当苛刻,要求多孔陶瓷不但要有足够的强度和较好的抗热震性,而且要有抗金属冲刷能力,并且不与过滤金属起高温反应。

 

过滤器的材质:通常为多组分金属氧化物,含硅酸盐、莫来石、茧青石、碳化硅、氧化锆、氧化铝、氮化硅等,与这些原料复合制成两层或三层过滤系统。可以用于过滤铁合金,不锈钢,铝、铁、铜、青铜、钢、锌等。

 

示例:氧化铝泡沫陶瓷过滤器

 

应用举例:氧化铝泡沫陶瓷过滤器,最高使用温度约为1150℃,可应用于铝及有色金属合金溶液的过滤净化。一方面过滤使得铝液流动变得有序和相对平静,另一方面泡沫陶瓷过滤器能有效清除熔融金属中的固态夹杂,所以铝合金等可以顺利地进行锻造、铝箔制造、挤压加工等工艺,得到更高品质的产品。

 

2、用于热(高温)气体过滤

高温除尘技术是能源利用和环境保护领域达到能源高效利用及低污染排放的一项核心技术。高温气体干法除尘技术要求直接在高温条件下实现气体的干法除尘和净化,以最大程度地利用气体的物理显热,提高能源利用率,在实现气体洁净排放的同时节约水资源,并避免湿法除尘所带来的二次水污染

 

干法除尘技术概况:根据除尘机理,高温气体干法除尘技术大致可分为惯性除尘、静电除尘及过滤式除尘。惯性除尘器耐高温,但除尘效率较低;静电除尘器虽适用于高温气体除尘,但电极寿命短,材料稳定性差,除尘效率受粉尘的比电阻影响大;普通纤维袋式过滤除尘器尽管除尘效率高,但耐高温性较差。

 

示例:脉冲袋式除尘器(过滤式)的构造图

 

示例:过滤式除尘器

 

多孔陶瓷材料除尘特点:以工业废气为主的含尘废气温度高、腐蚀性强,对过滤材料有很高的要求。目前正在开发和应用的多孔陶瓷材料以其耐高温、耐腐蚀、耐磨损、重量轻、价格低、除尘效率高(可达99%以上)、使用寿命长等优点,已成为过滤式干法除尘装置的主要材料选择之一。


环保要求越来越突高,高性能的陶瓷过滤件越来越重要

 

高温陶瓷过滤材料种类:1)氧化物陶瓷材料,如氧化铝/莫来石、堇青石、氧化锆等;2)非氧化物陶瓷材料,如反应结合碳化硅、黏结合碳化硅、热压烧结氮化硅、羟基磷灰石等。


应用场合示例:柴油清洁排放系统的关键材料是纯的SiC蜂窝陶瓷材料,其处理后可满足欧Ⅳ、欧Ⅴ排放标准,它可以清除汽车尾气排放中96.5以上的颗粒,包括极细的微粒。使汽车尾气排放颗粒标准达到欧Ⅳ以上的标准,同时也广泛应用于其他领域,如废气、废烟的环保处理。


工作原理:颗粒捕集器采用蜂窝式结构,在两端设立有独立的敞开与堵塞的通道,废物从敞开的一段进入,穿越多孔的蜂窝壁,然后从相邻的的通道排出。烟灰颗粒由于过大,无法穿越壁孔,因为被收集在通道壁上,而不会被排放到空气中。该捕集器将会定期再生和加热,从而消除烟灰,保持清洁。


示例:颗粒捕集器示意图

 

此外,多孔陶瓷除了可以应用于高温气体除尘过滤,还可用于制药、酿造行业中无菌空气净化。例如:采用孔径20μm的陶瓷过滤器可以进行制药、啤酒等酿造行业发酵用无菌空气处理。

 

3、应用于水质污水处理

在工业分离过程中,如液一固分离、液一气分离、气一固分离、液一液分离、混合气体分离等,均需大量性能优秀的过滤材料。特别是随着工业的迅速发展,产生出大量气体、液体及固体等形式的有毒工业废料,造成严重的环境污染,严重影响人类的身心健康,同时也制约了工业的进一步发展。


引用一下某净水器广告,污水问题不容忽视

 

解决水质净化问题、提高水处理效率,已成燃眉之急。多孔陶瓷因其材质的原因较之有机材料有更好的吸附性及对生物的亲和性,用作污水处理的滤料具有处理效率高等优势,但也有质量大、可加工性差等缺点。性能优越的多孔陶瓷往往也比较贵,因此多孔陶瓷用于废水处理常用还需要开发廉价高效的污水处理载体滤料,提高材料的重复使用率等。尽管如此,被环保风吹的一地鸡毛的大环境下,多孔陶瓷还是迎来了机遇。

 

4、用于食品及药品工业的的超过滤

陶瓷膜在食品工业中显示出潜力的超过滤用途有:从酒中分离出石碳酸和丹宁酸(蹂酸),澄清水果汁和醋,水的纯化,以及牛奶的均匀化等。在不断增长的生物技术工业中,疫苗和酶的浓缩以及病毒的清除,其应用亦颇具意义。


陶瓷膜示例:碳化硅多通道陶瓷膜

 

碳化硅质多通道陶瓷膜是经特殊工艺制备而成的具有多孔结构的精密陶瓷过滤材料,多孔支撑层、过渡层及微孔膜层呈非对称分布,过滤精度涵盖微滤 (0.05μm-1.5μm)、超滤(0.01μm -0.05μm)、纳滤(<1nm)。主要材料有多孔陶瓷膜是以氧化铝、氧化钛、氧化锆、碳化硅等。< span="">

 

陶瓷膜过滤是一种“错流过滤”形式的流体分离过程:在压力驱动下,原料液在膜管内高速流动,含小分子组分的澄清液向外透过膜,含大分子组分的浓缩液被膜截留,从而使流体达到分离、浓缩、纯化的目的。


示例:无机陶瓷膜错流式液固分离装置


二、用于吸声降噪材料

吸声材料泡沫陶瓷具有大量三维连通的网状孔隙。声波传人多孔体内部后 ,引起孔隙中的空气产生振动并与陶瓷筋络发生摩擦。由于粘滞作用,声波转变为热能而消耗,从而达到吸收声音的效果。

 

用于吸声材料的多孔陶瓷,要求有较小的孔隙尺寸(20-150μm)、较高的孔率(60%以上)及较高的机械强度。由于多孔陶瓷优良的耐火性和耐气候性,因而可作为隔音降噪材料用于高层建筑、地铁、隧道等防火要求极高的场合,以及电视发射中心、电影院等有较高隔音要求的场合,并取得了很好的效果。

 

示例:隔音材料可以避免隔壁影厅的声音骚扰

 

三、用于催化剂载体

多相催化剂普遍使用以细分状态存在的金属,这些细微的金属粒子通常可由多孔陶瓷作为催化剂载体来支撑。由于多孔陶瓷具有良好的吸附能力和活性,被覆盖催化剂后,反应流体通过多孔陶瓷孔道后,将大大提高转换效率和反应速度。

 

氧化铝是催化剂载体最为常用的选择,但在有些场合下也选用氧化钛、氧化锆、氧化硅和碳化硅等。在制备陶瓷催化剂载体时,可将陶瓷粉末挤压成各种形状,如圆筒形、苜蓿叶形或制成中空小球,然后烧结到其最终密度。

 

示例:氧化铝催化剂载体

 

举个例子:用泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷被覆贵金属或稀土金属催化剂后,可用于汽车尾气处理,使层气中的CO、CmHn化合物转化为CO2,并能使捕获的炭粒在较低温度下起燃,是净化过滤器催化再生。

 

另外,泡沫陶瓷还可制作光触媒载体。在泡沫陶瓷载体上涂覆纳米级的二氧化钛微粒,则在受到紫外线激发后具有强烈的光催化氧化降解特性,可催化降解有机物和微生物,从而使空气得到净化。


示例:光触媒作用机理

 

四、用作敏感元件

各种气敏化学传感器的敏感机制,都依赖于气体物质在电极反应区或敏感材料体内达到平衡。为能快速地达到平衡,往往将电极或敏感材料制成具有发达的比表面积和气体通道的多孔结构。

 

孔隙结构决定了气体物质在多孔材料中的传输速度,因而也决定了这些传感器的性能。陶瓷传感器具有耐高温、耐腐蚀,且制造工艺简单,测试灵敏、准确等特点,可适于许多特殊场合。

 

举例:氧化锆传感器

 

Zro气体氧传感器是一种广泛用于燃烧过程控制、气氛控制和气体排放控制的化学传感器,所以其电极常采用多孔结构。

 

工作原理:陶瓷传感器的湿敏和气敏元件的工作原理是,将微孔陶瓷置于气体或液体介质中时,介质中的某些成分被多孔体吸附或与之反应,这时微孔陶瓷的电位或电流会发生变化,从而测知气体或液体的成分。

 

相关阅读:

多孔陶瓷的制备方法及应用浅析

 

参考文献

1、多孔材料引论/刘培生著.

2、多孔陶瓷材料在高温气体干法除尘中的应用/傅晓娜著.

 

粉体圈 作者:小白


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