陶瓷膜錯流過濾技術在艦船空氣凈化中的應用

杜紅霞，楊海燕，王俊新

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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陶瓷膜錯流過濾技術在艦船空氣凈化中的應用

杜紅霞，楊海燕，王俊新

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

針對艦船空氣凈化處理的需求，設計錯流陶瓷膜過濾系統,以氧化鋁和淀粉為主要原料，加入適量水和反凝劑，通過陶瓷膜粉體漿料配制及注漿成型，制造出適合空氣凈化的陶瓷膜材料；對原理樣機開展主要性能測試，測試結果表明，錯流陶瓷膜過濾系統過濾效果可以滿足設計要求。錯流陶瓷膜過濾系統可以適用于艦船空氣的連續凈化。

陶瓷膜；錯流過濾；空氣凈化

目前艦船多采用空氣過濾器、高壓靜電除塵、吸附凈化等方式去除艦船艙室空氣中的顆粒類污染物，每種凈化技術均有其適用的范圍和優缺點?？諝膺^濾器需及時更換濾材，堵塞后空氣阻力大；高壓靜電產生微量臭氧和氮氧化合物，受濕度影響，效率低；吸附凈化需定期恢復活性，需要相對干燥的環境。

陶瓷膜作為一類新型的膜分離介質，具有諸多其他材料無法比擬的優點，主要表現在：熱穩定性好，耐高溫；化學穩定性好，可耐酸堿物質、有機溶劑和微生物的化學侵蝕；機械強度高，耐磨，耐沖刷；在高壓下不變形，易清洗和再生；使用壽命長。陶瓷膜由于膜材質耐腐蝕，再生性能好，重復使用率高，從而減少更換次數，降低生產成本。目前，陶瓷膜已在水處理、食品加工、醫藥和石油化工等方面得到廣泛利用[1-11]。因此，考慮采用陶瓷膜分離器進行艦船艙室空氣顆粒類污染物的過濾，使其具備長期、連續、有效的處理能力和自清洗能力，無需后續維護。

1 陶瓷膜錯流過濾技術原理

采用陶瓷膜錯流過濾技術對艦船艙室空氣進行凈化處理，可以同時保證過濾精度與過程的連續性。過濾器采用陶瓷膜過濾材料，通過對流過過濾材料表面的流體增壓，使得過濾材料內外側形成壓力差，流體在過濾材料表面錯流流動，小于過濾材料孔徑的物料通過微孔進入滲透側成為透過組分，而大于孔徑的物質被過濾材料截留。這些大顆粒物質通過流體的沖刷作用而被帶離過濾材料表面，避免了過濾材料微孔的堵塞，過濾過程可以連續進行。

2 陶瓷膜材料制備

2.1 陶瓷膜粉體漿料配制

以氧化鋁和淀粉為主要原料，加入適量水和0.2%的反凝劑-硅酸鈉，用槳式攪拌器攪拌2 h，配制成固含量為50%的泥漿，陳腐24 h以后，獲得穩定的陶瓷膜粉體漿料。原料粉體的粒徑分布和物相分析如圖1和圖2所示。

2.2 注漿成型

將上述漿料倒入石膏模具中，管徑、厚度和孔分布均由石膏模具調整。與石膏模內壁接觸的陶瓷膜粉體漿料中的部分水分被石膏模吸收后，漿料就固化成濕坯并附著在石膏模上。然后適時地把未固化的漿料倒出。附著有濕坯的石膏模在單向抽風干燥器中干燥，濕坯隨著水分的脫失，體積收縮，從石膏模上自動脫落下來。繼續干燥，獲得陶瓷單管的坯體。坯體在適宜的溫度下燒結，就可以獲得管狀多孔陶瓷膜。

2.3 陶瓷膜管材料表征

氧化鋁陶瓷膜的平均孔徑和孔徑分布不同淀粉添加量(質量分數：10%～50%)的氧化鋁片的孔徑分布和平均孔徑/最大孔徑分別在圖3和圖4中示出。由圖3可以看出，孔徑分布受造孔劑(淀粉)含量的影響很明顯。對應于淀粉含量(%)10%，20%，30%，40%和50%的孔徑分布范圍分別為：0.446～0.914，1.444～3.473，2.406～4.511，2.938～6.015，4.01～6.562 μm。計算所得的平均孔徑和最大孔徑見圖4。由圖4可見，兩者都有隨淀粉含量增加而增加的趨勢，并且兩者之間的差值越來越大。

圖5是燒成樣品的SEM照片。由圖5可見，雖然在其中添加了10%淀粉，但是由于氧化鋁本身就是多孔的，少量的淀粉進入了氧化鋁的孔洞中，這樣起到的造孔劑的作用就不明顯，所以氧化鋁的顆粒排列得很緊密，相應顆粒間的孔洞尺寸也就很小。當淀粉含量等于30%和50%時，除去進入氧化鋁顆?？锥磧鹊牡矸垡酝?，在氧化鋁顆粒外還存有足量的淀粉，這些淀粉起到的造孔作用明顯，這就使得顆粒間的結合相對較松散，顆粒間的孔洞變大，孔隙率也隨之變大。

根據以上方法，分析表明聚合物的種類與濃度、分散劑的類型與濃度、陶瓷粉體的含量等對陶瓷膜漿料的穩定與均一性的影響，以及對陶瓷膜管的結構與形狀的影響，燒結溫度對微孔大小及分布、晶體結構與穩定性等的影響，形成了陶瓷膜管生產工藝。圖6為項目組生產的性能穩定的多孔陶瓷膜管及其組件。

3 錯流陶瓷膜過濾系統

3.1 系統組成

根據艦船艙室空氣凈化處理要求，確定過濾精度為0.2 μm。根據錯流膜過濾技術原理，設計如圖7所示的錯流陶瓷膜過濾系統，系統包括鼓風機，錯流膜過濾元件，反吹閥、廢氣閥。其中錯流膜過濾元件由外殼、膜材料、密封件組成。

待過濾的空氣由低壓鼓風機AB1送入錯流膜過濾元件，氣體經過過濾段在膜材料一側形成正壓。膜材料的另一側的清潔氣體出口端聯通鼓風機AB2的入口，從而形成一定負壓。膜材料兩側的壓差是潔凈空氣透過膜材料的動力，大于膜材料孔徑的顆粒被截留在膜材料表面并被未透過部分的空氣攜帶由廢氣口排出。當膜孔堵塞嚴重時，膜兩側壓差將較大幅度地增加，表明過濾器的性能已經下降，需進行清洗，從反吹閥通入壓縮空氣進行反清洗。

3.2 原理樣機主要性能測試

3.2.1 測試目的

檢測風量為50 m3/h錯流陶瓷膜過濾系統出口清潔氣中所含固體顆粒的粒徑及數量。

3.2.2 檢測儀器

HPGP-101-C氣體粒子監測器由美國Particle Measuring Systems公司制造，系統包含HPGP粒子監測儀和 PDS- PA 數據采集系統。HPGP粒子監測器見圖8。

3.2.3 測試流程

測試系統見9所示，測試流程如下。

1)開啟鼓風機、V2、V3，關閉V1，吹掃設備時間為2 h。

2)將檢測口接到HPGP-101-C氣體粒子監測器入口，并繼續通氣吹掃30 min。

3)開啟HPGP-101-C氣體粒子監測器，觀察計數器連續3個監測周期內(3 min/周期)示數沒有變化后記錄測試結果。

3.2.4 測試結果

HPGP-101-C氣體粒子監測器測試分析結果見表1。

表1 顆粒物分布測試結果

檢測結果表明，錯流陶瓷膜過濾器濾效果可以滿足設計要求(過濾后氣體中顆粒物粒徑≤0.2μm)。

4 結論

以氧化鋁基體材料為基礎，制造出適合空氣凈化處理用的陶瓷膜材料，并據此研發了一套錯流陶瓷膜過濾系統，可適用艦船艙室空氣中污染物的連續凈化，截留粒徑較小的微粒和氣溶膠等。實際應用過程中，可以根據需要設置錯流膜過濾元件的中膜的種類和孔徑大小及元件的數量，從而可以保障過濾精度和過濾通量。

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Application of Cross-flow Filtration Technology of Ceramic Membrane in Air Purification in Warships

DU Hong-xia, YANG Hai-yan, WANG Jun-xin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

According to the exposure air purification of warships, the cross-flow ceramic membrane filtration system was designed. The Alumina and starch were used as the main raw material, adding appropriate water and coagulant, by the ceramic membrane powder slurry configuration and injection molding, the ceramic membrane material suitable for purification of exposure air was manufactured. The main performance test was carried out on the principle prototype. The test results show that the filter effect of Cross-flow ceramic membrane filtration system can meet the design requirements. The cross-flow ceramic membrane filtration system can be applied to the continuous protection of pollutants.

ceramic membrane; cross-flow filtration; air purification

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.018

2017-03-07

杜紅霞(1984—)，女，博士，工程師

研究方向：船舶保障系統

U664.88

A

1671-7953(2017)03-0084-04

修回日期：2017-03-27