陶瓷膜錯(cuò)流過(guò)濾技術(shù)在艦船空氣凈化中的應(yīng)用

杜紅霞，楊海燕，王俊新

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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陶瓷膜錯(cuò)流過(guò)濾技術(shù)在艦船空氣凈化中的應(yīng)用

杜紅霞，楊海燕，王俊新

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

針對(duì)艦船空氣凈化處理的需求，設(shè)計(jì)錯(cuò)流陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng),以氧化鋁和淀粉為主要原料，加入適量水和反凝劑，通過(guò)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(duì)原理樣機(jī)開(kāi)展主要性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，錯(cuò)流陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾效果可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。錯(cuò)流陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng)可以適用于艦船空氣的連續(xù)凈化。

陶瓷膜；錯(cuò)流過(guò)濾；空氣凈化

目前艦船多采用空氣過(guò)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(lèi)污染物，每種凈化技術(shù)均有其適用的范圍和優(yōu)缺點(diǎn)?？諝膺^(guò)濾器需及時(shí)更換濾材，堵塞后空氣阻力大；高壓靜電產(chǎn)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(fù)活性，需要相對(duì)干燥的環(huán)境。

陶瓷膜作為一類(lèi)新型的膜分離介質(zhì)，具有諸多其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：熱穩(wěn)定性好，耐高溫；化學(xué)穩(wěn)定性好，可耐酸堿物質(zhì)、有機(jī)溶劑和微生物的化學(xué)侵蝕；機(jī)械強(qiáng)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(zhǎng)。陶瓷膜由于膜材質(zhì)耐腐蝕，再生性能好，重復(fù)使用率高，從而減少更換次數(shù)，降低生產(chǎn)成本。目前，陶瓷膜已在水處理、食品加工、醫(yī)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(jìn)行艦船艙室空氣顆粒類(lèi)污染物的過(guò)濾，使其具備長(zhǎng)期、連續(xù)、有效的處理能力和自清洗能力，無(wú)需后續(xù)維護(hù)。

1 陶瓷膜錯(cuò)流過(guò)濾技術(shù)原理

采用陶瓷膜錯(cuò)流過(guò)濾技術(shù)對(duì)艦船艙室空氣進(jìn)行凈化處理，可以同時(shí)保證過(guò)濾精度與過(guò)程的連續(xù)性。過(guò)濾器采用陶瓷膜過(guò)濾材料，通過(guò)對(duì)流過(guò)過(guò)濾材料表面的流體增壓，使得過(guò)濾材料內(nèi)外側(cè)形成壓力差，流體在過(guò)濾材料表面錯(cuò)流流動(dòng)，小于過(guò)濾材料孔徑的物料通過(guò)微孔進(jìn)入滲透?jìng)?cè)成為透過(guò)組分，而大于孔徑的物質(zhì)被過(guò)濾材料截留。這些大顆粒物質(zhì)通過(guò)流體的沖刷作用而被帶離過(guò)濾材料表面，避免了過(guò)濾材料微孔的堵塞，過(guò)濾過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)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(wěn)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(diào)整。與石膏模內(nèi)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(shí)地把未固化的漿料倒出。附著有濕坯的石膏模在單向抽風(fēng)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(dòng)脫落下來(lái)。繼續(xù)干燥，獲得陶瓷單管的坯體。坯體在適宜的溫度下燒結(jié)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)：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(duì)應(yīng)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(jì)算所得的平均孔徑和最大孔徑見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，兩者都有隨淀粉含量增加而增加的趨勢(shì)，并且兩者之間的差值越來(lái)越大。

圖5是燒成樣品的SEM照片。由圖5可見(jiàn)，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(jìn)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(yīng)顆粒間的孔洞尺寸也就很小。當(dāng)?shù)矸酆康扔?0%和50%時(shí)，除去進(jìn)入氧化鋁顆?？锥磧?nèi)的淀粉以外，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(jié)合相對(duì)較松散，顆粒間的孔洞變大，孔隙率也隨之變大。

根據(jù)以上方法，分析表明聚合物的種類(lèi)與濃度、分散劑的類(lèi)型與濃度、陶瓷粉體的含量等對(duì)陶瓷膜漿料的穩(wěn)定與均一性的影響，以及對(duì)陶瓷膜管的結(jié)構(gòu)與形狀的影響，燒結(jié)溫度對(duì)微孔大小及分布、晶體結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性等的影響，形成了陶瓷膜管生產(chǎn)工藝。圖6為項(xiàng)目組生產(chǎn)的性能穩(wěn)定的多孔陶瓷膜管及其組件。

3 錯(cuò)流陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)艦船艙室空氣凈化處理要求，確定過(guò)濾精度為0.2 μm。根據(jù)錯(cuò)流膜過(guò)濾技術(shù)原理，設(shè)計(jì)如圖7所示的錯(cuò)流陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng)，系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)，錯(cuò)流膜過(guò)濾元件，反吹閥、廢氣閥。其中錯(cuò)流膜過(guò)濾元件由外殼、膜材料、密封件組成。

待過(guò)濾的空氣由低壓鼓風(fēng)機(jī)AB1送入錯(cuò)流膜過(guò)濾元件，氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾段在膜材料一側(cè)形成正壓。膜材料的另一側(cè)的清潔氣體出口端聯(lián)通鼓風(fēng)機(jī)AB2的入口，從而形成一定負(fù)壓。膜材料兩側(cè)的壓差是潔凈空氣透過(guò)膜材料的動(dòng)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(guò)部分的空氣攜帶由廢氣口排出。當(dāng)膜孔堵塞嚴(yán)重時(shí)，膜兩側(cè)壓差將較大幅度地增加，表明過(guò)濾器的性能已經(jīng)下降，需進(jìn)行清洗，從反吹閥通入壓縮空氣進(jìn)行反清洗。

3.2 原理樣機(jī)主要性能測(cè)試

3.2.1 測(cè)試目的

檢測(cè)風(fēng)量為50 m3/h錯(cuò)流陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng)出口清潔氣中所含固體顆粒的粒徑及數(shù)量。

3.2.2 檢測(cè)儀器

HPGP-101-C氣體粒子監(jiān)測(cè)器由美國(guó)Particle Measuring Systems公司制造，系統(tǒng)包含HPGP粒子監(jiān)測(cè)儀和 PDS- PA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。HPGP粒子監(jiān)測(cè)器見(jiàn)圖8。

3.2.3 測(cè)試流程

測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)9所示，測(cè)試流程如下。

1)開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)、V2、V3，關(guān)閉V1，吹掃設(shè)備時(shí)間為2 h。

2)將檢測(cè)口接到HPGP-101-C氣體粒子監(jiān)測(cè)器入口，并繼續(xù)通氣吹掃30 min。

3)開(kāi)啟HPGP-101-C氣體粒子監(jiān)測(cè)器，觀察計(jì)數(shù)器連續(xù)3個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)(3 min/周期)示數(shù)沒(méi)有變化后記錄測(cè)試結(jié)果。

3.2.4 測(cè)試結(jié)果

HPGP-101-C氣體粒子監(jiān)測(cè)器測(cè)試分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 顆粒物分布測(cè)試結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果表明，錯(cuò)流陶瓷膜過(guò)濾器濾效果可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(過(guò)濾后氣體中顆粒物粒徑≤0.2μm)。

4 結(jié)論

以氧化鋁基體材料為基礎(chǔ)，制造出適合空氣凈化處理用的陶瓷膜材料，并據(jù)此研發(fā)了一套錯(cuò)流陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng)，可適用艦船艙室空氣中污染物的連續(xù)凈化，截留粒徑較小的微粒和氣溶膠等。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以根據(jù)需要設(shè)置錯(cuò)流膜過(guò)濾元件的中膜的種類(lèi)和孔徑大小及元件的數(shù)量，從而可以保障過(guò)濾精度和過(guò)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(tǒng)

U664.88

A

1671-7953(2017)03-0084-04

修回日期：2017-03-27