[发明专利]非对称结构的金属过滤膜及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明属于新材料工业领域，涉及一种利用表面过滤机理、使其过滤精度能达到亚微米级、具有服务周期长及通量高优点的非对称结构的金属过滤膜及其制备方法。

【背景技术】

能源和环保是21世纪的两大主题。在当今世界上，能源短缺、水资源匮乏和环境污染日益严重，膜分离技术以其高效、节能及无污染的特点，膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，已广泛有效地应用于石油化工、生化制药、医疗卫生、冶金、电子、能源、轻工、纺织、食品、环保、航天、海运及人民生活的各个方面，形成了独立的新兴技术产业。据统计，目前世界膜技术市场规模约为数百亿美元，并以每年14～30％的速度迅速增长。膜分离技术将会成为本世纪最有发展前途的高科技产业之一。

从材质上分，膜可以分为有机高分子膜和无机膜。无机膜通常采用陶瓷或者金属材料制作。陶瓷膜和金属膜的共同特点是耐高温、高压和抗腐蚀能力强，在许多领域发挥了不可取代的作用。例如，在石油化工的催化裂化过程中使用金属膜或陶瓷膜回收昂贵的催化剂；核能发电厂从高温气流中回收核废料颗粒也要用到金属膜或陶瓷膜；另外，在高温气体过滤领域中，金属膜和陶瓷膜都是首选的过滤材料，其他类型的滤材很难取代。目前，耐高温性能最好的有机高分子膜(PTFE)的极限使用温度大约为250℃，而金属膜或陶瓷膜的使用温度可以达到900℃，甚至超过1000℃。所以，在许多工业气体过滤中使用有机膜时，气体要预先冷却，这不但要增加一道生产工序，而且可能增加生产成本。有机高分子膜的使用寿命也相对较短，频繁的更换无疑也会增加工人的劳动强度和生产成本。与金属膜相比，陶瓷膜的耐热和耐腐蚀性能更加优越，但是它也有自身难以克服的缺点。比如，陶瓷材料的脆性比较大，在受到外力的冲击下容易破裂。陶瓷膜抗热冲击的能力差，当快速升温或冷却时，容易发生脆裂。所以，当用陶瓷材料制作陶瓷过滤膜时，壁厚一般都比较厚。这样，在流体通过陶瓷膜厚壁结构时产生的阻力比较大，因而对过滤产生不利的影响。陶瓷膜的另一个缺点是，当它用作高温过滤领域时，它的封装比较困难。金属膜的封装可以通过焊接轻而易举地解决。金属膜的韧性好，不容易发生突然的破裂，金属膜的壁厚相对于陶瓷膜可以制作地薄一些。当然，传统的金属膜也有许多自身地不足之处。目前，传统的金属膜的过滤精度大多是在微米级的范围内。如果要制作分离精度达到亚微米级(比如0.2μm)，就要选用细小的金属粉末。这样制作的金属膜的空隙度低，流阻大。传统的金属膜是利用深层床过滤原理，当固体颗粒进入它的错杂复杂的内部结构时，会产生堵塞现象。往往只有通过反吹反冲洗，其效果也不是很好，直接影响了它的在线使用寿命以及总的使用寿命。

【发明内容】

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种非对称结构的金属过滤膜及其制作方法，通过在较粗孔径的支撑体表面上形成一层或多层孔径细微的有效过滤介质而获得的多孔金属过滤材料，利用表面过滤的机理来解决上述传统金属膜的缺点，这种结构的过滤膜的特点是在进料端的一侧是较簿的孔径细小的过滤控制层，其他部分是孔径较粗的支撑体，在大多数的情况下，在表面过滤控制层和支撑体之间还要有一层或几层过渡层；这种非对称结构的过滤膜的流阻小(压降小)，易于反吹反冲洗，不易阻塞，在线服务时间长；与同等过滤精度的传统过滤膜相比，在同等差压下的流量要显著增大。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非对称结构的金属过滤膜，在金属支撑体上涂上一层或一层以上的孔径逐层减小的金属膜，从而形成一种阶梯状结构的多层金属膜过滤材料。

非对称结构的金属过滤膜的支撑体通常是孔径较粗，空隙度较大的多孔金属烧结材料；它的几何形状可以的平板式或管式的；金属支撑体的材质应该是具有耐热和抗腐蚀能力强的特点，可以使用各种类别的不锈钢、镍基高温合金、金属镍或钛粉末，最好是奥氏体不锈钢粉末或镍基高温合金粉末。粉末的形状最好是非规则的，通常是采用水雾化的方法制备；与过滤控制层相比，通常选择颗粒比较粗的粉末制备支撑体；支撑体的制备通常可以用普通模压，冷等静压和其他方法；尤其是针对管式过滤支撑体的制备，冷等静压是比较适合的方法。压制成型后的工件，要经过高温烧结处理。烧结后，工件的表面通常要经过处理，使得工件的表面适合下道工序的涂膜工艺。

非对称结构的金属过滤膜的制备方法，

(a)、对金属支撑体进行清洗和表面处理，金属支撑体的平均孔径为3～30μm，空隙率为30～60％；

(b)、制备涂膜用的悬浮液浆料，涂膜用的浆料主要含有固体金属粉末颗粒，液相载体，粘结剂和添加剂；