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新型薄膜材料的性能 |
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作者：Ken Sutherland 来源：Ringer |
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最新的过滤介质
过滤工艺中的主要元件就是过滤介质，它们在很大程度上决定着过滤器的性能。实际上，从最简单的过滤筛到最复杂的塔式压滤机，不过是借助各种半渗透的材料，分离出流体（气体或液体）中悬浮物质的设备。过滤介质的本质是其半渗透性，这一点可以通过越来越多的方法实现。
过滤介质可以使用各种多孔或半渗透性的材料制成，或被制成这种结构。过滤介质的性能是制造材料的性能及其结构的组合。介质种类包括：
◆ 松散的固体颗粒（“深床”介质），其形状由容器的形状决定；
◆ 粗糙的多孔板、管子或泡沫，通常由压缩颗粒或纤维制成所需的形状；
◆ 由天然或合成纤维制成的纤维纱、单丝纤维和多丝纤维织物；
◆ 由纤维素或玻纤制成的纸；
◆ 毡和针刺毡，由天然或合成纤维制成 ；
◆ 纺熔合成无纺布（纺粘法、熔喷法、闪蒸法、静电纺丝法）；
◆ 铁丝网或其他金属介质，由金属板或金属棒制成；
◆ 滤筒，其组件本身不是过滤介质，而是被制成过滤介质。这些组件可以采用多种材料制造，例如金属、塑料和纸；
◆ 聚合薄膜，包括纤维素基和合成的；
◆ 各种陶瓷材料，包括陶瓷薄膜。
以前过滤介质市场几乎只有前五类材料，还有铁丝网和滤筒，现在其他三种材料（纺喷无纺布、薄膜和陶瓷）的用量不断迅速增多，现在这三种材料的年销售额几乎占据了整个过滤介质市场（原始设备中的过滤介质以及备件）的一半。聚合物薄膜就占到了过滤介质市场的三分之一，纺熔无纺布接近15%，陶瓷为7%左右。
市场份额的变化源于所有分离工艺中对过滤精度的要求越来越高，而薄膜恰好可以满足这一要求。另一个技术方面的市场驱动力是因为工艺温度的升高，而陶瓷可以很好的满足这一要求。
环境法规的压力也是这些技术市场驱动力中的重要一员，淡水和废水的净化以及高温废气的过滤也需要更高的过滤性能，以满足健康和环境法规。
当然，除了这三点也有其他一些市场驱动力，但它们并非只针对过滤行业，例如人口的增长、当前的经济衰退、全球变暖和巨大的贫富差距以及由此造成的提升生活标准的压力。
有一个因素值得一提，那就是逐渐浮出水面的能源危机问题，这迫使压滤机制造商和过滤介质生产商要提供尽可能高效的系统。
过滤介质行业通过一系列产品的开发满足了并将继续满足这些驱动力：
◆ 采用大量的合成聚合物作为特殊用途的过滤介质，特别是适用于更高运行温度的聚合物。
◆ 聚合物薄膜应用的扩展，特别是在微滤应用中。
◆ 无机薄膜材料的开发，特别是陶瓷薄膜，也包括金属、玻纤和碳纤制成的薄膜。
◆ 薄膜介质逐渐变成多层复合材料结构：在各种基底材料上附着一层薄膜材料表面薄层。
◆ 多种纺熔纤维材料的开发，纤维直径也逐渐减小。
◆ 能够承受相当高的流体温度的陶瓷滤材，由纤维制成，而非整块材料。
过去几年，或许是纳米纤维的出现为过滤介质行业带来了最大的变革。虽然纳米纤维一直被人们误认为是直径小于1微米的所有纤维（也就是1000 nm），但现在的介质许多都是由10-100 nm的纤维制成的。纤维直径和介质截留的颗粒之间存在着一定的关系，也就是说纤维越细，所截留的颗粒也就越细。
纤维的直径非常重要，因为精细过滤在发展中国家多用于提高饮用水的质量，以彻底去处细菌和微生物。大多数微生物的尺寸在100 nm左右，因此精细过滤可用于饮用水的消毒。精细的过滤介质能够以较低的成本净化天然水源甚至海水，从而生产出饮用水。这一功能对于过滤行业来说意义重大，因为这可能使回收废水成为另一种淡水来源。
气体过滤也得益于更精细的过滤介质结构。汽车驾驶舱空气过滤正成为过滤介质的主要市场之一。合成介质的开发越来越重要。过去通常会安装两个过滤单元，一个用于去除微粒，一个用于去除味道或颜色或气味，但是现在两个功能通过一种材料合二为一：在纤维中嵌入活性炭颗粒或将碳纤维织物通过高温转化为活性炭织物。除了活性炭，也可以嵌入其他材料来实现不同的化学变化，例如包入杀菌剂可用于减少病原体。
复合材料是薄膜介质最主要的组成部分，这种材料在其他滤材中的作用也越来越重要。滤材通常由两层或更多层复合材料粘结在一起，其中至少有一层用于满足过滤需求，其他层用于提供必要的机械强度。在夹层介质中，两层纺粘材料包住并支撑着中间的更加精细的熔喷材料层（活性过滤层）。
聚合物薄膜
各种薄膜介质的出现，使得过滤器可以达到非常精细的分离水平。新材料的不断出现也使得各种薄膜系统得以改进，例如聚醚砜薄膜于20世纪80年代晚期开始商业化，现在已经成为水处理行业的主要薄膜类型。
现在有大量具有特殊性能的材料可用于制造薄膜，提高系统性能，而不仅仅是提高分离程度，例如可以提高薄膜的机械强度。实际上，当一种新型聚合物出现后，通常很快就会被某些特殊应用场合采用。
在高技术行业，例如电子、生物科技和医药行业，薄膜的稳定性和完整性是非常重要的。这对薄膜生产商来说是一大挑战。
薄膜材料的另一重大进展是智能（或功能性）薄膜的出现，例如将适当的化学物质接枝到薄膜表面，可以有选择的过滤某些化学物质（例如酶），或提高抗污能力。这可能是通过将上游的薄膜表面从疏水性转变为亲水性来实现的。
对于膜分离工艺，纳滤膜是分离行业内非常独特的一种介质，可用于去除地表水的颜色，或与超滤工艺结合，用于淡水处理过程的常规深层过滤。
膜分离工艺在微滤领域的应用极大地扩展了这种滤材的应用范围，特别是膜生物反应器在悬浮固体氧化和分离中的应用。膜分离工艺在气体分离领域的应用也正逐渐增多。
除了复杂的聚合物膜，人们对纤维素材料的兴趣正在恢复，因为这种材料可以生物降解，因此处理起来比较容易。
无纺布
除了膜材料的进展，过滤介质开发方面最热门话题是由挤出的合成纤维制成的无纺布材料，即纺粘、喷熔和闪蒸材料。这种材料的过滤精度可以达到微米以下。静电纺丝技术甚至可以生产出更精细的纤维，该技术还适用于碳纤维和金属纤维。杜邦公司的新型HMT（混合膜技术）聚合物材料就采用了一种新型的纺丝技术。
精细纤维生产过程的一个重要特征就是，在较厚的基材上生成一层薄薄的纳米纤维，这种滤材的性能与薄膜类似，从而将薄膜和无纺布之间的界限变得模糊。这种材料包括唐纳森（Donaldson）公司的Ultra-Web和Hollingsworth & Vose公司的Nanoweb滤材。这将成为一种重要的微滤介质。
值得一提还有：
◆ 超轻纺粘材料的开发。
◆ 可以承受125℃以上温度的聚合物滤材，因此可以用蒸汽灭菌。
◆ 带电滤材（电介质）的增多
过滤介质行业在无机玻纤薄膜材料领域有一系列重大进展。
陶瓷
聚合物材料是应用最广泛的滤材，越来越复杂的新型聚合物正不断被开发出来，以满足现代工业的特殊需求。但是，其他半渗透材料也受到了相当多的关注，例如，陶瓷“薄膜”的应用正逐渐增多。
特别值得注意的是，中空纤维和弹性片材形式的陶瓷薄膜的出现。Keystone公司生产的NanoKey滤材是一种陶瓷纳米纤维，以玻璃纤维为基材。
陶瓷薄膜现在可采用非常精细的球状粒子烧结而成。孔径可以小至0.5 nm。碳纤维和陶瓷薄膜也可用非常细的纺丝纤维制成。 
佳斯迈威的空气过滤介质采用了Assurance™自支撑打褶技术
其他滤材
这三种滤材是最大的三类，但在过滤介质行业，其他类型滤材的开发也小有成绩。例如，深床滤材现在已用于高温废气的过滤，并在回收回路中作为具有自动清洁功能的颗粒移动床。
织物在过滤行业仍占有一席之地，特别是在需要机械强度的场合，可以通过采用合适的表面涂层改进过滤性能。现在，塑料丝织成的网与金属网具有同样可控的孔径。纸仍然是实验室常用的一种介质，但现在多采用微玻纤而不是纤维素制成。
针刺毡由于水刺技术的出现获得了新生，Norafin公司称，其新型水刺滤材的性能类似薄膜。
Stork Veco公司利用半导体行业的硅片加工技术生产出了一种非常精细的多孔金属滤材。
唐纳森公司的Tetratex®Extreme ePTFE滤材具有多种基材；Colbond供应采用双组分纤维制成的Colback支撑材料，而佳斯迈威（Johns Manville）的空气过滤介质无需支撑，采用的是Assurance™自支撑打褶技术。
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(投稿)
(8/6/2010) |
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