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微孔金属膜的制备

2022-02-10
金属微滤膜是在孔径较大(大于 10 μm)的多孔金属上发展起来的金属材料,主要用于气体、液体的净化分离,也可利用其均匀的透气性制备出各种流体分布元件。

1.1 固态粒子烧结法
烧结金属多孔材料的过滤精度一般能达到精滤水平。但随着梯度复合型金属材料(非对称膜)的研究开发,金属过滤材料的高精度、高透气性以及高纳污量特性已在逐步实现,它代表了金属微滤膜的发展方向。非对称膜真正起功能作用的是表面活性分离层,活性分离层材质一般为金属或金属氧化物、金属合金,其厚度在 1~100 μm 之间,分离效率与对称膜相比,一般可提高 50~100 倍[6]。分离层的特点是颗粒微细、孔径小、厚度薄,主要起分离作用,其孔径决定多孔金属膜的过滤精度。将粉料颗粒与适当介质混合分散形成稳定的悬浮液,成形制成分离层生坯,经干燥后在一定温度下烧结。烧结过程中颗粒相互接触部分被烧结在一起,粉体间的空隙形成微孔。影响膜孔径和孔隙率的因素有:粉体颗粒形状、颗粒大小、粒径分布、添加剂及烧结工艺等。德国 Gkn 公司生产的不锈钢膜是以多孔不锈钢为支撑体,在其内表面烧结一层致密的 TiO2膜,膜层孔径可达 0.1 μm,构成了坚实牢固、孔壁光滑、抗污染能力强的非对称微孔过滤膜[7]。
粒子烧结法制备金属膜目前需要克服的困难来自于两个方面:1)粉末的制备和分散,粉末越细,表面能越大,分散起来比较困难;2)细微金属或合金粉末在烧结时由于表面自由能的驱动较大导致膜层收缩剧烈,产生裂纹。

1.2 相分离法
MISCHENKO 等[8]用电解沉积法在靶箔表面沉积10 μm 的锌薄层,在 250 ℃加热 2 h,冷却后用 20%的盐酸将 Zn 沥滤,得到多孔钯膜。这种膜的氢渗透率大大提高,100 ℃时氢的渗透率增大 15 倍,常温下提高 130 倍。去合金化也是相分离制备多孔金属膜的方法之一,目前,对二元固溶体合金去合金化制备纳米多孔金属膜已成为国内外研究的一大热点,即在合金中电化学性质较活泼元素在电解质的作用下选择性溶解而留下电化学性质较稳定的组元的制备过程。在研究纳米多孔金属的基础上,国内外研究者们将去合金化方法拓展用于制备纳米多孔铂、纳米多孔铜、纳米多孔钯及纳米多孔钛等多种纳米多孔金属膜[9]。
1.3 薄膜沉积法
它是用溅射法、离子镀、金属镀及气相沉积等方法将膜材料沉积于载体上,形成致密薄膜的方法。根据沉积机理的不同,薄膜沉积法可分为化学气相沉积法、化学镀膜法、喷射热分解法等。薄膜沉积法一般用于制备致密的金属 Pd 膜、Ag 膜及其合金膜或对多孔膜进行修饰[10]。化学气相沉积法是一种或两种气相物质在高温下通过化学反应生成固态物质并沉积在载体上形成薄膜的方法。影响沉积的因素有:载体孔径、载体温度、反应物浓度、扩散速率等,沉积层厚度受沉积时间、沉积次数、沉积温度和载体孔径的控制。
XOMERITAKIS等[11]用化学气相沉积法在双层不对称Al2O3 膜表面沉积一层厚度为 0.5~1.0 μm 的金属 Pd膜,制得的 Pd 膜在 350~450 ℃时的透氢量为 1.8~ 3.6 mmol/(m2·h−1·Pa−1);化学沉积法制得的多孔金属膜孔径小,可达几个纳米,但制作成本较高不易实现产业化。
化学镀膜法属于化学反应沉积镀膜法的一种。在还原剂的作用下,金属盐中的金属离子还原成原状态,在载体固液界面析出或沉积,从而得到镀层。除了还原剂电离电位与沉积金属之间合适的电位差,化学镀速率受表面的活性、金属盐和还原剂的浓度、镀液的温度和 pH 值及镀覆时间等因素的影响。SHU 等[12]用化学镀膜法在多孔不锈钢基体上制备一层PdAg 合金膜,在多孔不锈钢及 PdAg 膜之间引入一层0.1 μm 厚的 TiN 以防止不锈钢与 PdAg 之间的原子扩散,该膜在 700 ℃下有良好的热稳定性;同时发现,电镀液中 Pd 的浓度高时,沉积出的 Pd 膜致密度高,对氢的渗透性能好。化学镀膜法制得的膜层非常薄且均匀、涂层致密、机械强度高、不需电源、可在任何载体上成膜。采用金属粉末/薄膜偏扩散反应合成烧结方法可制得孔径细小且分布均匀的金属膜,由于溅射薄膜的沉积颗粒细小、尺寸均匀,并且薄膜厚度薄,制备过程可控性好。江垚等[13]利用致密薄膜反应合成烧结法亦制备出平均孔径范围在 0.1~0.5 μm 的多孔膜,厚度相当的 Ti/A1 膜层经反应合成后最终形成单一γ-TiAl 相的金属间化合物多孔纸型膜,制得的多孔膜孔径分布均匀且贯通。
1.4 金属盐热分解法
将金属盐(通常为硝酸盐)溶液喷射于氢火焰中,金属盐能蒸发分解形成金属蒸气,在载体上沉积形成致密金属膜。LI 等[14]用喷射热分解法在多孔 Al2O3载体上制备了 PdAg 合金膜,其膜厚为 1.5~2.0 μm,H2/N2的分离因子在 500 ℃时约为 24。将某些金属(如Fe、Ni 等)的草酸盐、蚁酸盐和醋酸盐等适当气氛下加热烧结,在烧结过程中分解盐分解释放出大量 CO2气体,在烧结体中形成 0.01~0.5 μm 的连通孔隙[15]。

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