在膜科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，開(kāi)發(fā)較早的膜材料是有機(jī)聚合材料，它在很多方面有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，例如有機(jī)膜具有韌性，能適應(yīng)各種大小粒子的分離過(guò)程，制備相對(duì)較簡(jiǎn)單，易于成型，工藝也較成熟，且價(jià)格便宜，使其在當(dāng)前的應(yīng)用占據(jù)了極大的比例。但是它也有些自身無(wú)法克服的缺點(diǎn)：

（1）熱穩(wěn)定性差，不耐高溫。

（2）抗腐蝕性差，不耐酸堿及有機(jī)溶劑。

（3）惡劣環(huán)境下使用壽命短。

（4）易堵塞，不易清洗重復(fù)使用。

鑒于有機(jī)膜的以上缺點(diǎn)，八十年代以來(lái)，無(wú)機(jī)分離膜材料的研究和開(kāi)發(fā)已逐漸引起人們的普遍關(guān)注。目前無(wú)機(jī)分離膜是以單一元素的氧化物微孔膜為主。它主要是依據(jù)“篩分”理論，根據(jù)在一定的膜孔徑范圍內(nèi)滲透的物質(zhì)分子直徑不同則滲透率不同，利用壓力差為推動(dòng)力，使小分子物質(zhì)可能通過(guò)，大分子物質(zhì)則被截留，實(shí)現(xiàn)它們之間的分離。

無(wú)機(jī)分離膜的研究，近十年來(lái)主要是進(jìn)一步完善了陽(yáng)極化處理鋁箔制備氧化鋁膜的技術(shù)工藝。而且經(jīng)過(guò)不懈的探索，采用溶膠凝膠技術(shù)制備無(wú)機(jī)膜也獲得了成功，并在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面有了發(fā)展。采用溶膠-凝膠技術(shù)方法擴(kuò)大了制膜體系，除了氧化鋁膜，還制備了氧化硅膜、氧化鈦膜和硅摻硼膜等。這些膜從孔徑上可以分為微濾膜和超濾膜；從結(jié)構(gòu)上可以分為無(wú)載體膜和載體膜。目前溶膠-凝膠法已成為無(wú)機(jī)膜的主要制備方法。其制備方法是通過(guò)控制金屬醇鹽水解或水合氧化物溶膠制得膠體溶液，此膠經(jīng)過(guò)不可逆溶膠-凝膠過(guò)程生成凝膠，然后干燥，焙燒法制得無(wú)機(jī)膜。

該方法操作方便，設(shè)備簡(jiǎn)單，更主要的是膜孔小（10～1000?）分布窄孔隙率高，孔隙呈交錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)狀，分離效率高，適用于超濾及氣體分離。由于溶膠-凝膠法制得的膜孔徑小，所以在用于超濾或分離的復(fù)合膜中，常被用來(lái)制備較關(guān)鍵的頂層，一般是通過(guò)浸漬過(guò)程在多孔的基底上形成凝膠膜，凝膠膜經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母稍锖蜔崽幚砭托纬啥嗫滋沾赡ぁ?/span>

另外，應(yīng)用傳統(tǒng)陶瓷制備工藝的固態(tài)粒子燒結(jié)法及應(yīng)用濺射、離子鍍、金屬鍍或化學(xué)氣相沉積法等工藝薄膜沉積法等也得到了發(fā)展。固態(tài)粒子燒結(jié)法的原理是將處理成很細(xì)的無(wú)機(jī)物粒子分散在溶劑中制成懸浮液（適當(dāng)加入無(wú)機(jī)粘結(jié)劑等），然后成型制得未干燥粉粒堆積層，干燥及高溫焙燒使粉粒間接觸處燒結(jié)成相互連接在一起形成多孔無(wú)機(jī)膜載體，由于該法制備的陶瓷膜孔結(jié)構(gòu)與無(wú)機(jī)粉粒大小，懸浮液組成以及燒結(jié)溫度等密切相關(guān)，孔徑范圍為0.01～10μm，適應(yīng)于微孔過(guò)濾，所以一般該法被用來(lái)制備多層復(fù)合膜中的大孔陶瓷支撐體及中間層。

物理氣相沉積技術(shù)（PVD）、化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）以往主要用于制備各種致密膜如氮化鈦膜、磁記錄膜、金剛石膜等。但目前已證實(shí)通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臈l件薄膜沉積技術(shù)也可用來(lái)制備多孔膜。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，利用濺射離子鍍或化學(xué)氣相沉積法等工藝可以在不銹鋼，多孔陶瓷或玻璃上形成過(guò)渡金屬或其他合金的多孔膜。

CVD/EVD法是目前尚在研究中的被用來(lái)制備微孔膜和改變膜的方法。美國(guó)西屋公司首先采用CVD/EVD工藝對(duì)Y₂O₃穩(wěn)定的ZrO₂陶瓷膜進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步減小了膜的孔徑并提高膜的氧氣的高度選擇透過(guò)性。總之無(wú)機(jī)分離膜現(xiàn)已自成體系，成為膜分離領(lǐng)域的重要組成部分。現(xiàn)已有許多品種類型，在食品加工等液體過(guò)濾過(guò)程中已得到工業(yè)應(yīng)用。在氣體分離等應(yīng)用上目前尚處于研究階段還未達(dá)到商品化，但也已進(jìn)行了許多有益的嘗試。

1 無(wú)機(jī)膜的類型及構(gòu)造

（1）按物體形態(tài)分為：板材型、管材型、多管道蜂窩型或它們的組件。

（2）按膜的孔徑大小可分為如下幾種：過(guò)濾膜孔直徑＞10⁴納米、微濾膜孔直徑在10²～10⁴納米；超濾膜孔直徑為1～100納米；反滲透膜孔直徑＜1納米。

（3）按結(jié)構(gòu)分，一般分為有載體膜和無(wú)載體膜兩種。關(guān)于無(wú)載體膜目前應(yīng)用的較少，一般商品和研究中的陶瓷膜是具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，其底層是幾毫米厚具有一定機(jī)械強(qiáng)度的大孔陶瓷支撐體。在支撐體上有一層或多層起實(shí)際分離作用的薄層。居于中間的厚度為10～100微米的中間層，其主要作用是為了防止或減少在頂層膜制造過(guò)程中微細(xì)粒子穿透到支撐體孔中引起大孔堵塞，造成透過(guò)率的降低，它的孔徑大小介于頂層分離膜與底層支撐體之間，一般是用固態(tài)粒子燒結(jié)而成，支撐體和中間層的復(fù)合結(jié)構(gòu)本身就構(gòu)成一個(gè)微濾膜，加上孔徑大小只有1～100納米的頂層就是超濾膜。頂層是載體膜的關(guān)鍵，一般用溶膠凝膠法制備。

陶瓷膜頂層的結(jié)構(gòu)可以作進(jìn)一步的改性處理，一般采用溶膠浸漬，吸附或氣相沉積法，也就是將用作改性的第二種組分沉積在頂層分離膜孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，其結(jié)果形成的改性膜或具有更小的孔徑，或依賴于沉積物的性質(zhì)而具有催化特性和氣體的表面擴(kuò)散性能。這種改性膜可望在氣體分離、催化和反應(yīng)器工程中應(yīng)用。

（4）按陶瓷膜的應(yīng)用類型和潛力可將無(wú)機(jī)膜分為四類：

①鈍態(tài)膜：依分子大小不同進(jìn)行選擇性分離。分離機(jī)理有努森擴(kuò)散、表面擴(kuò)散、毛細(xì)管凝聚、分子級(jí)篩分。

②催化活性膜：具有催化層的鈍態(tài)膜。

③固體電解質(zhì)膜：必須由離子導(dǎo)體陶瓷材料制備，例如用于電化學(xué)傳感器的各種離子導(dǎo)體、高溫氧化物和燃料電池的YSZ膜等。

2 無(wú)機(jī)分離膜的優(yōu)缺點(diǎn)

無(wú)機(jī)膜（主要指陶瓷膜）與有機(jī)膜或液膜相比有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）耐高溫性好。無(wú)機(jī)分離膜使用溫度可達(dá)400℃，有的甚至可達(dá)到800℃，使用壓力可達(dá)到千帕（Kpa）數(shù)量級(jí)，適用于高溫和高壓體系。

（2）耐腐蝕性好。無(wú)機(jī)分離膜在制膜工藝中都要經(jīng)過(guò)一定溫度的焙燒，以單一氧化物或復(fù)合氧化物形成成膜，所以它在酸性或弱堿性條件下穩(wěn)定性好，pH值適用范圍較寬，因而在涉及高溫和腐蝕過(guò)程的工藝（如食品加工、催化反應(yīng)）中有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

（3）機(jī)械強(qiáng)度大。無(wú)機(jī)分離膜一般是以經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)的微孔材料為基體浸涂膜后再經(jīng)燒結(jié)而成的，所以其機(jī)械強(qiáng)度大，不易脫落和破裂。

（4）清潔狀態(tài)好。無(wú)機(jī)膜一般無(wú)毒，不污染環(huán)境，是很好的凈化工具。它被堵塞以后便于清洗，可以反復(fù)使用。

（5）抗微生物侵蝕。它與一般微生物不發(fā)生生物及化學(xué)反應(yīng)，此點(diǎn)很適合于食品、生化、制藥工業(yè)，此外它還有抗有機(jī)溶劑的優(yōu)點(diǎn)。

（6）使用壽命長(zhǎng)。這樣減少了用戶的維修與更換，從而節(jié)約了用戶的時(shí)間和費(fèi)用。

無(wú)機(jī)分離膜的這些優(yōu)點(diǎn)，決定了它在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景，但同時(shí)無(wú)機(jī)分離膜也有它自身的缺點(diǎn)，影響了目前的應(yīng)用。其缺點(diǎn)如下：

（1）無(wú)機(jī)膜一般沒(méi)彈性，較脆，不易加工成型，不如有機(jī)膜方便。

（2）不適用于熱強(qiáng)堿性系統(tǒng)，強(qiáng)堿對(duì)現(xiàn)有的無(wú)機(jī)膜有侵蝕作用。

（3）可以選作無(wú)機(jī)分離膜的材料還較少，目前研究較多的是Al₂O₃、ZrO₂和SiC等，處于研究階段的還有許多氧化物和非氧化物體系如TiO₂、Cr₂O₃、MgO、TiC、云母、莫來(lái)石等。

從前述目前無(wú)機(jī)膜的缺點(diǎn)中可以知道，復(fù)雜形態(tài)的無(wú)機(jī)陶瓷膜的成型是當(dāng)前無(wú)機(jī)膜制備的一個(gè)難點(diǎn)，也是人們積極在探索的一個(gè)方面。

九十年代的美國(guó)橡樹(shù)嶺 實(shí)驗(yàn)室的O.O.Omatete，M.A.Janney及A.C.Young等人發(fā)明了凝膠澆鑄（Gelcasting）成型技術(shù)。并用此法成功地制備了復(fù)雜形狀的氧化鋁陶瓷的渦輪葉片。Gelcasting技術(shù)的基礎(chǔ)原來(lái)是通過(guò)漿料中含有的少量的有機(jī)單體在一定條件下原位聚合形成網(wǎng)絡(luò)的高分子鍵結(jié)構(gòu)，將陶瓷粉末粘結(jié)成密實(shí)坯體成型。該法易于陶瓷粉末的復(fù)雜成型，且坯體還可以進(jìn)行機(jī)械加工，是一種有前途的成型技術(shù)。

3 無(wú)機(jī)陶瓷膜的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 分離過(guò)程中的應(yīng)用

無(wú)機(jī)陶瓷膜已在食品加工等液體過(guò)濾過(guò)程中得到工業(yè)應(yīng)用。在化學(xué)工業(yè)上無(wú)機(jī)膜優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能使它在許多過(guò)程中大有用武之地。例如粘稠液體的分離，溶劑的回收和廢水的凈化等。此外無(wú)機(jī)膜對(duì)于污水處理的許多有關(guān)問(wèn)題還提供了有益的解決方法。由于無(wú)機(jī)膜可以在無(wú)菌條件下工作并能經(jīng)受住蒸汽消毒，因此它們?cè)谏锛夹g(shù)工業(yè)上很有前途。在食品工業(yè)中分離技術(shù)越來(lái)越多地用于提取、提純和濃縮，如牛奶加工、果汁和酒的微濾以及諸如蛋、奶和酒類蛋白質(zhì)的濃縮。

盡管無(wú)機(jī)陶瓷膜實(shí)際上的工業(yè)應(yīng)用全是在液體分離方面，但目前在氣體分離過(guò)程中應(yīng)用的研究也取得了一些進(jìn)展。陶瓷膜在氣體分離上應(yīng)用一方面是使許多工業(yè)過(guò)程的高溫氣體分離成為可能。另一方面對(duì)膜反應(yīng)器這個(gè)概念在膜分離技術(shù)普遍工業(yè)化后逐漸為人所熟悉，尤其用于生物工程的反應(yīng)器和發(fā)酵器已取得了許多進(jìn)展。

3.2 在催化過(guò)程中的應(yīng)用

無(wú)機(jī)陶瓷膜在催化過(guò)程中所具有的應(yīng)用途徑：

（1）膜只作分離器。這是陶瓷膜在膜催化過(guò)程中具有的基本的功能，即它至少應(yīng)對(duì)產(chǎn)物之一起分離作用。

（2）膜既作分離器又作載體。陶瓷膜一般為耐高溫多元氧化物，它用作分離器的同時(shí)又可用作催化劑活性組分（特別是貴金屬）的載體。

（3）膜既作分離器又作催化劑。適當(dāng)選擇金屬氧化物材料，可以使膜在用作分離器的同時(shí)還可以用作催化反應(yīng)的催化劑。

（4）膜既作分離品又作隔離器。膜在膜反應(yīng)器中的作用是一方面可使產(chǎn)物之一進(jìn)行分離，另一方面又將膜反應(yīng)器隔離成相互獨(dú)立又相互聯(lián)系的兩個(gè)區(qū)。適當(dāng)利用這兩個(gè)區(qū)，則可以獲得常規(guī)催化反應(yīng)難以得到的反應(yīng)結(jié)果。其中較具代表性的例子是膜反應(yīng)器中的耦合反應(yīng)。所謂耦合反應(yīng)是在膜反應(yīng)器中的兩個(gè)區(qū)同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)反應(yīng)，其中一個(gè)區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)物之一經(jīng)膜分離后進(jìn)入另一區(qū)而進(jìn)行另一反應(yīng)。這樣，在膜反應(yīng)器的兩個(gè)區(qū)進(jìn)行的兩個(gè)反應(yīng)就能相互促進(jìn)而耦合。例如在膜反應(yīng)器的一側(cè)進(jìn)行環(huán)己烷脫氫（生成環(huán)己酮）反應(yīng)而在另一側(cè)進(jìn)行苯酚加氫（生成環(huán)己烷）的反應(yīng)，苯酚還原所消耗的氫，來(lái)自膜的另一側(cè)環(huán)己烷脫氫。在683℃下，苯酚的轉(zhuǎn)化率為39%，得環(huán)己烷的選擇性為95%，這種類型的膜催化，從催化工藝與催化技術(shù)的開(kāi)發(fā)著眼，是十分值得重視的。

3.3 無(wú)機(jī)膜的發(fā)展趨勢(shì)

（1）無(wú)機(jī)膜制備技術(shù)。各種方法聯(lián)用技術(shù)將是高通量，高選擇性陶瓷膜的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。例如目前各國(guó)研究者在努力研究制備的復(fù)合膜，電傳電導(dǎo)膜，無(wú)機(jī)與有機(jī)膜嫁接膜等都是適應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)的。另外，更適合實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜形狀的無(wú)機(jī)陶瓷膜的制備也是其發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

（2）無(wú)機(jī)陶瓷膜性能評(píng)價(jià)除了對(duì)其分離特性評(píng)價(jià)外，還應(yīng)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并且這也需要聯(lián)用技術(shù)。

（3）無(wú)機(jī)陶瓷膜應(yīng)用技術(shù)。陶瓷膜主要是作為一種分離工具而發(fā)展起來(lái)的并在高溫分離中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著研究工作的深入，它已開(kāi)始被考慮用于其他非分離場(chǎng)合，在微生物或酶催化反應(yīng)器方面已有小規(guī)模的商品化產(chǎn)品。其他的應(yīng)用方面還有一些分離、電光催化以及傳感（聲波、氧敏及濕敏等）的探索性研究。