陶瓷膜错流过滤技术在舰船空气净化中的应用

杜红霞，杨海燕，王俊新

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



陶瓷膜错流过滤技术在舰船空气净化中的应用

杜红霞，杨海燕，王俊新

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

针对舰船空气净化处理的需求，设计错流陶瓷膜过滤系统,以氧化铝和淀粉为主要原料，加入适量水和反凝剂，通过陶瓷膜粉体浆料配制及注浆成型，制造出适合空气净化的陶瓷膜材料；对原理样机开展主要性能测试，测试结果表明，错流陶瓷膜过滤系统过滤效果可以满足设计要求。错流陶瓷膜过滤系统可以适用于舰船空气的连续净化。

陶瓷膜；错流过滤；空气净化

目前舰船多采用空气过滤器、高压静电除尘、吸附净化等方式去除舰船舱室空气中的颗粒类污染物，每种净化技术均有其适用的范围和优缺点。空气过滤器需及时更换滤材，堵塞后空气阻力大；高压静电产生微量臭氧和氮氧化合物，受湿度影响，效率低；吸附净化需定期恢复活性，需要相对干燥的环境。

陶瓷膜作为一类新型的膜分离介质，具有诸多其他材料无法比拟的优点，主要表现在：热稳定性好，耐高温；化学稳定性好，可耐酸碱物质、有机溶剂和微生物的化学侵蚀；机械强度高，耐磨，耐冲刷；在高压下不变形，易清洗和再生；使用寿命长。陶瓷膜由于膜材质耐腐蚀，再生性能好，重复使用率高，从而减少更换次数，降低生产成本。目前，陶瓷膜已在水处理、食品加工、医药和石油化工等方面得到广泛利用[1-11]。因此，考虑采用陶瓷膜分离器进行舰船舱室空气颗粒类污染物的过滤，使其具备长期、连续、有效的处理能力和自清洗能力，无需后续维护。

1 陶瓷膜错流过滤技术原理

采用陶瓷膜错流过滤技术对舰船舱室空气进行净化处理，可以同时保证过滤精度与过程的连续性。过滤器采用陶瓷膜过滤材料，通过对流过过滤材料表面的流体增压，使得过滤材料内外侧形成压力差，流体在过滤材料表面错流流动，小于过滤材料孔径的物料通过微孔进入渗透侧成为透过组分，而大于孔径的物质被过滤材料截留。这些大颗粒物质通过流体的冲刷作用而被带离过滤材料表面，避免了过滤材料微孔的堵塞，过滤过程可以连续进行。

2 陶瓷膜材料制备

2.1 陶瓷膜粉体浆料配制

以氧化铝和淀粉为主要原料，加入适量水和0.2%的反凝剂-硅酸钠，用桨式搅拌器搅拌2 h，配制成固含量为50%的泥浆，陈腐24 h以后，获得稳定的陶瓷膜粉体浆料。原料粉体的粒径分布和物相分析如图1和图2所示。

2.2 注浆成型

将上述浆料倒入石膏模具中，管径、厚度和孔分布均由石膏模具调整。与石膏模内壁接触的陶瓷膜粉体浆料中的部分水分被石膏模吸收后，浆料就固化成湿坯并附着在石膏模上。然后适时地把未固化的浆料倒出。附着有湿坯的石膏模在单向抽风干燥器中干燥，湿坯随着水分的脱失，体积收缩，从石膏模上自动脱落下来。继续干燥，获得陶瓷单管的坯体。坯体在适宜的温度下烧结，就可以获得管状多孔陶瓷膜。

2.3 陶瓷膜管材料表征

氧化铝陶瓷膜的平均孔径和孔径分布不同淀粉添加量(质量分数：10%～50%)的氧化铝片的孔径分布和平均孔径/最大孔径分别在图3和图4中示出。由图3可以看出，孔径分布受造孔剂(淀粉)含量的影响很明显。对应于淀粉含量(%)10%，20%，30%，40%和50%的孔径分布范围分别为：0.446～0.914，1.444～3.473，2.406～4.511，2.938～6.015，4.01～6.562 μm。计算所得的平均孔径和最大孔径见图4。由图4可见，两者都有随淀粉含量增加而增加的趋势，并且两者之间的差值越来越大。

图5是烧成样品的SEM照片。由图5可见，虽然在其中添加了10%淀粉，但是由于氧化铝本身就是多孔的，少量的淀粉进入了氧化铝的孔洞中，这样起到的造孔剂的作用就不明显，所以氧化铝的颗粒排列得很紧密，相应颗粒间的孔洞尺寸也就很小。当淀粉含量等于30%和50%时，除去进入氧化铝颗粒孔洞内的淀粉以外，在氧化铝颗粒外还存有足量的淀粉，这些淀粉起到的造孔作用明显，这就使得颗粒间的结合相对较松散，颗粒间的孔洞变大，孔隙率也随之变大。

根据以上方法，分析表明聚合物的种类与浓度、分散剂的类型与浓度、陶瓷粉体的含量等对陶瓷膜浆料的稳定与均一性的影响，以及对陶瓷膜管的结构与形状的影响，烧结温度对微孔大小及分布、晶体结构与稳定性等的影响，形成了陶瓷膜管生产工艺。图6为项目组生产的性能稳定的多孔陶瓷膜管及其组件。

3 错流陶瓷膜过滤系统

3.1 系统组成

根据舰船舱室空气净化处理要求，确定过滤精度为0.2 μm。根据错流膜过滤技术原理，设计如图7所示的错流陶瓷膜过滤系统，系统包括鼓风机，错流膜过滤元件，反吹阀、废气阀。其中错流膜过滤元件由外壳、膜材料、密封件组成。

待过滤的空气由低压鼓风机AB1送入错流膜过滤元件，气体经过过滤段在膜材料一侧形成正压。膜材料的另一侧的清洁气体出口端联通鼓风机AB2的入口，从而形成一定负压。膜材料两侧的压差是洁净空气透过膜材料的动力，大于膜材料孔径的颗粒被截留在膜材料表面并被未透过部分的空气携带由废气口排出。当膜孔堵塞严重时，膜两侧压差将较大幅度地增加，表明过滤器的性能已经下降，需进行清洗，从反吹阀通入压缩空气进行反清洗。

3.2 原理样机主要性能测试

3.2.1 测试目的

检测风量为50 m3/h错流陶瓷膜过滤系统出口清洁气中所含固体颗粒的粒径及数量。

3.2.2 检测仪器

HPGP-101-C气体粒子监测器由美国Particle Measuring Systems公司制造，系统包含HPGP粒子监测仪和 PDS- PA 数据采集系统。HPGP粒子监测器见图8。

3.2.3 测试流程

测试系统见9所示，测试流程如下。

1)开启鼓风机、V2、V3，关闭V1，吹扫设备时间为2 h。

2)将检测口接到HPGP-101-C气体粒子监测器入口，并继续通气吹扫30 min。

3)开启HPGP-101-C气体粒子监测器，观察计数器连续3个监测周期内(3 min/周期)示数没有变化后记录测试结果。

3.2.4 测试结果

HPGP-101-C气体粒子监测器测试分析结果见表1。

表1 颗粒物分布测试结果

检测结果表明，错流陶瓷膜过滤器滤效果可以满足设计要求(过滤后气体中颗粒物粒径≤0.2μm)。

4 结论

以氧化铝基体材料为基础，制造出适合空气净化处理用的陶瓷膜材料，并据此研发了一套错流陶瓷膜过滤系统，可适用舰船舱室空气中污染物的连续净化，截留粒径较小的微粒和气溶胶等。实际应用过程中，可以根据需要设置错流膜过滤元件的中膜的种类和孔径大小及元件的数量，从而可以保障过滤精度和过滤通量。

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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

杜红霞(1984—)，女，博士，工程师

研究方向：船舶保障系统

U664.88

A

1671-7953(2017)03-0084-04

修回日期：2017-03-27