多孔陶瓷膜的应用

陶瓷膜的应用范围十分广泛，但最基本的是分离，这是由其结构特征所决定的。

多孔陶瓷膜在分离过程中的应用

分离过程在生活中屡见不鲜，而膜分离具有简易、节能和高选择性等优点，故其应用无疑会得到人们的青睐。从食品水源的净化、药物的制备、液化气中有毒成分的除去、铀同位素的分离等诸多方面，我们都能看到陶瓷膜的应用市场，所以研究也必定受到人们的重视。

最简单的膜分离当然是过滤，通过过滤可把粒径差别比较大的两种物质完全分开，如水中细菌的除去，这是通过膜孔的筛选作用完成的。但是，膜分离远非如此简单地只由孔径大小控制，它还与孔的其他性质密切相关，如孔形状、孔壁性质等；而且还与被分离物同孔的相互作用有关，所以相当复杂。就气体分离而言，可以分为如下四种机制（见图 6）。第一种 Knudsen 扩散需用比较大的孔，扩散速率与分子质量的平方

根成反比；第二和第三种机制与气体分子与孔壁的相互作用有关；第四种需用比较小的孔，是对不同大小的分子进行筛选。

为了提高不同物质的分离系数，除了选择不同的膜外，还得对膜的孔径和孔壁进行修饰，对孔壁性质的修饰有着更为重要的意义，因孔径的改变是有限的，而孔壁的作用则是多种多样的。如醇-水在改性后的陶瓷膜上分离系数可以超过 100，这当然应该归功于孔壁性质的改善。

美国能源部正在研究和开发一种耐高温陶瓷膜，用于煤发电系统中的含硫（或氮）气体的除去，因为这些气体的存在，不仅会腐蚀涡轮系统，而且会造成环境污染。

多孔陶瓷膜在催化过程中的应用

多孔陶瓷膜在催化过程中的应用包括两个方面，即作为载体或活性组分。基本原理是利用膜的选择渗透性，选择性地移走某种产物（脱氢反应）或加入某种反应物（如选择性氧化或加氢反应），从而使热力学平衡发生移动以提高转化率或控制反应历程以提高选择性。下面，从两个方面简要地说明陶瓷膜在催化中的作用。

脱氢反应在工业过程中，很大一类与脱氢有关的反应是受热力学平衡控制的，为了提高产率，其操作是在高温和低压下进行的。利用陶瓷膜对反应产物之一的氢气进行分离，从而改变平衡提高转化率，无疑是人们求之不得的事情。

由乙苯制苯乙烯是一个基本的工业反应，它是由热力学平衡控制的脱氢反应，我们以此为例来看看陶瓷膜是怎样得到应用的。

为了便于不同物质的扩散，陶瓷膜由四层构成（如图 7）。反应器用两套（陶瓷膜管和不锈钢管，内径相同）以便于对比（如图 8）。催化剂组成为 Fe2O3-K2O/Al2O3，反应结果如表 2。

表 2 膜和非膜反应器的转化率

600 ℃ 640 ℃

一般反应转化率 15 — 18 ％ 38 — 48 ％

膜反应转化率 22 — 42 ％ 53 — 65 ％

值得一提的是，膜反应不仅大幅度提高了转化率，而且也把选择性提高了大约 2-5 个百分点，这不同于传统反应器：选择性同转化率成反比。高活性和高选择性的获得，使膜催化具有诱人的前景。

类似的脱氢反应还很多，如环己烷脱氢制苯，丙烷制丙烯和乙烷制乙烯等等，这是制备烯烃的重要途径，利用膜反应可以大大提高目标物产率。

另外，H2S 和 HI 的分解反应，虽然不算是脱氢反应，但膜在这里的

作用也与脱氢反应有着异曲同工之妙。如利用耐温玻璃膜移走 H2，可使分解生成 H2 的产率比热力学平衡值高出一倍。

选择性氧化（或加氢）反应利用陶瓷膜使 O2（或 H2）选择性地进入，从而使得氧化（或加氢）反应选择性地进行，这是陶瓷膜在催化中应用的另一个方面。

甲烷氧化偶联、醇氧化制醛、烯烃氧化成环氧烷烃以及炔的选择加氢等都是属于这类反应。对于这类反应，氧气（或氢气）的用量和加入方式对反应的选择性影响很大，故用膜将它们隔开，选择性地加入，以便最大限度地得到有用产物。

以甲烷氧化偶联为例，利用改性的氧化锆膜作载体，在 850℃时转化率可以达到 30％，生成含两个 C 原子的化合物的选择性高达 60％。

此外，γ-Al2O3 和 TiO2 本身作催化剂的反应，也可以用其膜作催化剂，而且效果更好。例如， Claus 反应，用γ-Al2O3 膜作催化剂转化率达 100％，而 TiO2 膜作光解反应的催化剂也有很好的活性。