膜过滤器范文

膜过滤器范文（精选9篇）

膜过滤器 第1篇

关键词：陶瓷膜,死端过滤,回收率

目前在水处理领域有着广阔的应用前景的膜技术被认为是“二十一世纪的水处理技术”, 既可用于给水处理, 也可用于废水处理。无机陶瓷膜作为一种新型的膜材料, 与传统的有机膜相比, 无机陶瓷过滤膜具有机械强度高、化学稳定性好、耐酸、耐碱、耐高温高压、使用寿命长并且冲洗条件要求低等优点, 随着对无机陶瓷膜技术研究的不断深入, 无机陶瓷膜市场以每年30%的速度增长, 被广泛的应用于食品、饮料、医药、化工、环保等方面, 而且开始将陶瓷膜分离技术应用于水处理、中水回用等领域。

目前国内外对于陶瓷膜的应用主要有两种技术:

1) 错流过滤。

在错流过滤时, 液体从一端进入膜通道内从另外一端流出, 因为膜通道内流体的流速很高, 在过滤的同时浓缩液体可以扫流一部分附着在膜表面的附着物一同流出, 膜通道内表面附着的截留物较少, 因此错流过滤反冲洗频率较低, 但是由于错流过滤液体从一端进入膜通道内从另外一端流出, 流体在膜通道内基本上是水平方向的推动力, 垂直作用于膜表面的推动力 (压力) 很小, 原料液向膜外渗透力较弱, 单位时间获得的过滤液量较少, 回收率较低 (30%～40%) , 错流过滤反冲洗频率较低, 操作较简单, 特别适合需长期运行的大型过滤设备, 国内普遍采用这种过滤技术。

2) 死端过滤。

死端过滤时因为一端封闭, 原料液由一端进入膜通道内后呈静止受压状态, 原料液以一定的推动力 (静压力) 向膜外渗透, 过滤速度快, 出水回收率高可达95%, 但在过滤过程中, 膜内表面上不断有悬浊粒子被截流, 不断被截流的固形悬浮粒子增厚形成滤饼层, 使过滤膜阻力增大, 过滤速度减小, 为了减少过滤阻力恢复膜过滤状态, 需要对过滤膜洗涤, 因此死端过滤反冲洗频率较高, 操作较繁琐, 不适合长期运行的大型过滤设备, 因此国内很少使用这种过滤技术。

但陶瓷膜死端过滤较错流过滤, 有过滤速度快、回收率高、设备体积小等优点, 特别适合用在野外作业时携带的小型净水设备, 随着环境污染的日趋严峻, 而人们对饮水的要求越来越高, 野外作业时的便携式净水设备逐渐走进了人们的生活。陶瓷膜死端过滤的技术应用的研究势在必行, 本文总结了几种死端过滤的应用类型。

1 管式陶瓷膜死端过滤组件

管式陶瓷膜组件由于其易加工, 安装方便, 目前大多应用此类型。管式陶瓷膜, 顾名思义, 就是将陶瓷基体浇筑成管状, 在管内壁或外壁挂膜, 原料液流入管内, 在静压力的作用下原料液向外渗透, 达到去除杂质的目的。管式陶瓷膜组件使用时, 可单管使用, 也可组合起来形成类似于列管换热器的形式。便携式净水设备, 一般采用单管形式, 例如, 隋贤栋发明的笔式陶瓷膜净水器均采用管式死端过滤形式。此法有效的增大了膜过滤面积, 提高了过滤速度, 而且操作简单、安装方便、易于维护, 不失为一种有效的陶瓷膜过滤手段。但由于无机陶瓷过滤管属脆性元件, 在使用过程中, 受疲劳和其他不确定因素的影响, 极易破碎, 成为了制约其使用的重要因素。

2 平板式陶瓷膜过滤组件

由于有效过滤面小, 且过滤面承受能力, 尤其是大尺寸平板制作难度大等问题, 导致平板式陶瓷膜不能大量应用于工业生产中, 但平板式陶瓷膜过滤装置构造简单 (见图1) , 条件易控制, 膜面形状规则, 普遍应用于实验, 对膜性质的评估与操作条件的调试。随着对实验要求的越来越高, 对平板式陶瓷膜的要求也越来越高, 为提高其性能出现了金属支撑平板陶瓷膜, 无支撑多孔陶瓷平板膜等新型平板式陶瓷膜, 大大提高了平板式陶瓷膜的性能, 极大的扩大了其应用范围。

3 旋转圆筒型过滤膜组件

旋转圆筒型过滤膜组件是由阿不都瓦依提·玉素甫设计的一种由马达带动旋转的陶瓷过滤膜筒为核心的封闭式过滤装置 (见图2) 。在工作过程中, 原料液注满高速旋转的过滤筒, 过滤液透过陶瓷膜由出水口流出, 与此同时, 原料液在压力作用下注入过滤筒, 一部分原料液由过滤筒流出, 形成循环。在过滤筒高速旋转过程中, 过滤膜表面生成的滤饼不断被扫流 (即利用料液对过滤膜表面的剪切力) , 使过滤膜表面始终保持暴露状态或保持很薄的滤饼层厚度, 能使过滤操作始终保持连续稳定的 (平衡) 过滤状态, 从而提高过滤效果。笔者认为, 此过滤形式虽不是传统的死端过滤, 但其原料液始终在一个密闭系统中循环, 其过滤原理与死端一致, 因此为死端过滤的一种形式。旋转圆筒型过滤是一种新型的过滤形式, 既解决了错流过滤的回收率, 同时又解决了死端过滤的膜污染问题。

4 结语

1) 陶瓷膜死端过滤由于其易污染, 不易清洗等问题, 很少应用于实际工程中。但陶瓷膜死端过滤, 回收率高, 单位产水能耗少, 装置集成性高, 有很高的实用价值。

2) 传统的死端过滤工艺易污染, 清洗困难, 不能保持连续稳定的过滤状态。

3) 旋转圆筒型过滤工艺, 集错流过滤和死端过滤优势于一身, 解决了错流过滤的回收率的同时又解决了死端过滤的膜污染问题。

粉末活性炭对膜过滤性能的影响 第2篇

摘要：向一体式膜生物反应器中投加粉末活性炭(PAC),可以显著提高膜的过滤性能,有效缓解膜的污染.研究结果表明:投加PAC的吸附作用减少了由于胞外聚合物(EPS)而引起的.膜污染;膜表面PAC颗粒的存在减小了浓差极化层的厚度和水力边界层的厚度,提高了过滤物质的传递速率;膜表面形成的PAC层还可过滤微生物和胶体颗粒,减少了它们到达膜表面的数量.作 者：孙逊 孙瑾 张栋华 王曙光 刘贤伟 岳钦艳 高宝玉 Sun Xun Sun Jin Zhang Donghua Wang Shuguang Liu Xianwei Yue Qinyan Gao Baoyu 作者单位：孙逊,张栋华,王曙光,刘贤伟,岳钦艳,高宝玉,Sun Xun,Zhang Donghua,Wang Shuguang,Liu Xianwei,Yue Qinyan,Gao Baoyu(山东大学环境科学与工程学院,济南,250100)

孙瑾,Sun Jin(淄博市环境监测站,淄博,255000)

膜过滤器 第3篇

关键词：L-精氨酸 陶瓷膜过滤 微生物发酵液 菌体去除率 膜通量

中图分类号：TQ921 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2015）06-0000-00

L-精氨酸是一种具有胍基的人和动物的半必须碱性氨基酸，也是生物体尿素循环中的一种重要中间代谢物。L-精氨酸在医药工业上具有广泛的用途。它是复方氨基酸输液的主要成分之一，也被广泛用于氨中毒性肝昏迷的解毒剂和肝功能的促进剂，对病毒性肝炎疗效显著，同时对肠道溃疡、血栓形成、神经衰弱和男性无精等症状都有一定的治疗效果【2】。

微生物发酵液中往往存在着大量的菌体、杂蛋白和胶体颗粒等物质，这些物质的存在使产物收率和结晶质量下降。因此，在分离前必须先将其除去。目前膜分离技术以其在常温下操作无相态变化、分离精度高、选择性强、污染小等优点，逐步取代絮凝法、离心法成为分离提取发酵液中产物的主要方法[ 3 ，4 ]。

无机陶瓷膜因其构成基质主要为氧化锆、氧化铝等无机材料及其特殊的结构特征而具有如下的优点：耐高温，适用于处理高温、高粘度流体；机械强度高，具有良好的耐磨、耐冲刷性能，可以高压反冲使膜再生；化学稳定性好、耐酸碱、抗微生物降解；使用寿命长，一般可用 3～5 年，甚至8～10年。这些优点与有机高分子膜相比较，使它在许多方面有着潜在的应用优势，成为苛刻条件下精密过滤分离的重要新技术。现已广泛应用于食品工业、生物工程、环境工程、化学工业、石油化工、冶金工业等领域。无机陶瓷膜分离技术在我国氨基酸发酵行业具有普遍的适用性。其中孔径为 0.2 μm 的微滤膜可用于除去药液中的微粒、胶团等悬浮物，而孔径为0.1、0.05 μm及更小的超滤膜则可用于不同分子量成分的分级处理[5]。

1 材料与方法

1.1 材料

陶瓷管式膜分离中试设备（某国外品牌，膜面积5㎡，广东环西生物科技股份有限公司氨基酸提取车间提供）；722紫外可见光分光光度计（上海凤凰光学科仪有限公司）；FE20/EL20型pH计（上海梅特勒-托利多仪器有限公司）；L-精氨酸发酵液（广东环西生物科技股份有限公司氨基酸发酵车间提供）。

1.2 分析测定

1.2.1 可溶性蛋白测定

将样品溶液在280 nm波长下测定其吸光度，蛋白含量（mg/ mL ） = A280×校正因子[3]。

1.2.2 L-精氨酸测定方法

L-精氨酸的测定采用α-萘酚（甲萘酚）和双乙酰混合液作为显色剂的坂口改良法[6]。

1.3 操作方法

通用陶瓷膜过滤法。将发酵液装入设备工作罐内，在一定的操作方法下，测定滤液的杂蛋白去除率及精氨酸收率。

2 结果与分析

2.1 料液温度对陶瓷膜过滤的影响

粘度是反映了液体粘性的大小，膜的渗透量随粘度的减小而增大，而粘度随温度的升高时减小的，所以提高温度可以获得较大的膜通量[7]。在一定的进出膜压力和料液温度下，进行陶瓷膜过滤。实验温度对陶瓷膜膜通量的影响。结果如图1所示

图1料液温度对膜通量的影响

从图1可以看出，膜通量随温度升高而变大。但考虑到运行成本，选择60℃为适宜的过滤温度，此温度下膜通量可达230L/h。

2.2 料液进出膜压力对陶瓷膜过滤的影响

在一定的料液pH值和料液温度下，进行陶瓷膜过滤。实验进出膜压力对陶瓷膜通量的影响。结果如表1所示。

从表1可以看出，L-精氨酸收率及蛋白质的去除率与进出膜压以及压差的变化不大，但是膜通量的影响效果较大，当压力及压差很低时，膜通量下降幅度较大，就会导致过滤时间的增加，间接的影响过滤效率使其降低，影响整个陶瓷膜工序的过滤效果。为了减少能耗保护膜部件，选择的压力为：进膜压力5.0Mpa，出膜压力2.0Mpa。

2.3 料液对陶瓷膜过滤的影响

料液pH值能通过改变溶质表面的电荷来改变溶质在溶液中的分散情况，对膜过滤过程产生影响。在一定的pH条件下可发生沉降现象[3] 。

发酵液用盐酸调不同pH值，进行陶瓷膜过滤。在一定的进出膜压力和料液温度下，对蛋白去除率、产品回收率以及膜通量进行了实验，结果见表2。

通过表2可看出发酵液调pH4.0～4.5能有效地去除杂质蛋白，并易发生沉降现象产生易于在膜前通过粗滤滤除，能有效防止膜污染。在编号3的操作方法下，菌体蛋白质去除率85.33%、精氨酸收率95.03%，膜通量220L/h。

3 结语

（1）选择料液温度60℃、进膜压力5.0Mpa、出膜压力2.0Mpa、料液pH值4.0作为操作参数，蛋白质去除率85.33%、膜通量220L/h。

（2）实验最高收率95.03%，主要原因为采用设备体积相对较大，导致发酵液过滤过程中不能够浓缩到终点，透析不完全。但伴随着后期规模化生产不断放大，该收率将会有较明显的提高。

参考文献

[1]汪勇，薛枫，张志森.无机陶瓷膜分离技术在乳品工业中的应用[J].中国乳品工业，2005，11：50-53.

[2]王霞，许正宏，敖宗华，孙志浩，陶文沂.L-精氨酸产生菌的选育及其发酵条件[J].药物生物技术，2001，04：210-212.

[3]徐庆阳，陈宁，方正星，申雅维. 金属膜对L-缬氨酸发酵液过滤的研究[J].天津科技大学学报，2006，01：4-6.

[4]彭跃莲，姚仕仲，纪树兰，马重芳.从柠檬酸发酵液中提取柠檬酸的方法[J].北京工业大学学报，2002，01：46-51.

[5]董洁，郭立玮.无机陶瓷膜分离技术在中药领域的应用[J].中国中医药信息杂志，2005，12：40-42.

[6]熊筱晶，窦文芳，许正宏，陶文沂.L-精氨酸高产菌的诱变育种及其摇瓶产酸条件[J].无锡轻工大学学报（食品与生物技术），2003，02：10-13.

[7]刘昌盛，傅金祥，李慧.陶瓷膜微滤的影响因素及膜污染再生探讨[J].辽宁化工，2010，01：55-57+60.

收稿日期：2015-03-25

作者简介：陈悦群（1984—）男，广东揭阳人，本科学历，食品生物助理工程师，主要从事运用发酵技术生产氨基酸产品及功能性食品研究等。

膜过滤器 第4篇

传统的过滤设备中过滤液体垂直于过滤介质, 是利用泵送葡萄酒产生压力, 在过滤层的一面与另一面形成压力差, 使葡萄酒在压力的作用下从过滤介质中通过, 利用过滤介质的、筛选和吸附作用过滤去酒液中的杂质, 达到澄清酒液、除菌的目的。

错流膜过滤设备打破了传统过滤机制, 液体的流向和滤膜相切, 使得滤膜的孔隙不容易堵塞。错流过滤时待过滤的葡萄酒在泵压力推动下, 带着混浊的微粒, 高速在管状滤膜的内壁流动, 部分滤液通过半渗透膜流到管外, 部分带有混浊微粒的葡萄酒尚滞留在管中, 在毛细管中的滤膜里循环, 并被不断地浓缩, 最大限度地滤出澄清的酒液, 全自动封闭式设计最大限度地保持了葡萄酒的特征, 降低了葡萄酒中的溶氧量。

错流膜过滤设备在应用中有许多优于硅藻土过滤设备的地方:

1) 错流膜过滤设备在过滤酒液时, 由于酒液流向和滤膜相切, 使附着在滤膜上的残留物质很薄, 其过滤阻力增加不大, 能长时间内保持稳定不变的过滤速度。而硅藻土过滤设备的过滤速度受滤液的粘度和温度、过滤介质的厚度、过滤面积和过滤压力的影响, 很难在长时间内保持稳定不变的过滤速度。

2) 错流膜过滤设备具有自动反冲先功能, 当滤膜的孔隙堵塞时, 过滤速度会降低, 错流膜过滤设备就会使用高速的小量的滤出液从滤膜管外进行反冲, 把固体的堵塞物推入滤膜管内, 随待过滤的葡萄酒快速地移走, 使半渗透膜不容易被堵塞, 延长滤膜的使用寿命。反冲洗大约能提高20~25%的过滤能力, 而硅藻土过滤设备不能对过滤介质进行反冲洗, 从而降低了过滤介质的过滤能力。

3) 错流膜过滤设备反冲洗功能提高了过滤滤膜的使用寿命, 不必经常更换滤膜, 而硅藻土过滤设备需经常更换过滤介质, 要不断地添加涂层, 废弃的硅藻土不容易降解, 对环境造成的污染大, 排放的污水量也大。

4) 错流膜过滤设备的自动化程度比较高, 操作简便运行过程中具有过载保护, 安全可靠, 不需要人监视操作, 减少了劳动力的费用支出。而且膜分离系固定孔径纯物理截流, 出液指标不受滤料、人员操作能力的影响, 相当稳定, 产成品质量高。不需要对操作员工进行特殊的培训, 因此在生产费用上, 错流膜的过滤费用要远远低于硅藻土和纸板的费用支出。

5) 葡萄酒中的氧气是葡萄酒氧化主要原因, 氧化后的葡萄酒的色泽、口感和气味都会产生很大的变化。错流膜过滤设备在生产过程中采用的是全封闭式的生产, 因此用错流膜过滤设备生产出的葡萄酒的含氧量要明显低于传统过滤设备生产的葡萄酒, 很大程度地提高了葡萄酒的品质。

6) 采用错流膜过滤设备滤出的葡萄酒的浊度要远远低于传统过滤设备滤出的葡萄酒, 错流过滤设备能显著提高产品的过滤质量, 采用错流膜过滤的葡萄酒澄清度高, 更富光泽感, 并截留酒液中99%以上的微生物, 使葡萄酒的卫生指标符合国家标准。并且膜过滤对葡萄酒中有效的醇类、酸类和干浸出物等理化指标基本无影响。最大程度的保留了葡萄酒的原有香气和口感。

综合来看, 错流膜过滤设备的过滤面积大, 工作周期长, 过滤速度快, 消耗辅料少, 自动化程度高, 节省时间、人力、物力:在一定浊度范围内, 错流过滤速度受酒液浊度影响少, 酒损耗少;两种过滤方法所得的酒的理化指标、外观、口感无明显差别, 错流过滤的酒样香气要略好些。

但是如果从经济的角度考虑, 单纯的用错流膜过滤设备来取代其他一切过滤操作也是不可取的。如果酒液过度浑浊, 没有经过预处理, 就对含有大量固体微粒的葡萄酒进行错流过滤, 不仅会降低半渗透膜的过滤能力, 也增加了反冲和碱清洗的次数, 会缩短滤膜的使用寿命, 而更换滤膜的费用很昂贵, 这样其节约的过滤材料和清洗剂, 难以补偿其经济损失。这样就达不到我们要降低生产成本, 提高资金利用率和劳动生产率的目的, 不利于公司的长远发展。因此我们应在对葡萄酒进行错流过滤前先进行下胶澄清和硅藻土粗滤处理, 这样既可以减少硅藻土的使用量, 又可以延长错流膜的使用寿命。减少了日渐枯竭的硅藻土的使用, 减少了废弃硅藻土对环境造成的污染, 减少了污水的排放量, 同时还减少了更换错流膜的次数, 降低了生产费用。这既符合环保发展的要求, 又为生产出高品质的葡萄酒提供了有力的保证。

错流过滤技术应用于葡萄酒生产是葡萄酒生产技术的重大变革。把错流过滤技术和传统过滤技术相结合使用不仅可以过滤出质量优越的葡萄酒, 还可以简化生产流程提高生产效率, 形成规模化生产, 降低生产成本, 同是做到节能减排, 达到国家的环保要求。对于公司的长远发展具有重要意义。

参考文献

[1]吴军, 张军等.错流过滤技术在干红葡萄酒冷稳定环节中的应用.中国科学院上海冶金研究所, 材料物理与化学专业博士论文, 2000.

[2]关于错流过滤及其应用.

膜过滤器 第5篇

摘要：采用扫描电镜表征了氯化聚氯乙烯静电纺丝纳米纤维膜的微观结构特征,并进行了去除地下水中铜、铅、镉等重金属阳离子的过滤试验,包括直接过滤、加土壤过滤、加硅藻土过滤和胶束强化过滤.结果表明,最佳的`过滤工艺是胶束强化过滤,其最佳试验条件是10层膜过滤和5mmol/L的SDBS浓度,对铜、铅、镉的去除率分别超过73%,82%和91%.Abstract：A novel nanofiber membrane, named M-1, is prepared from chlorinated polyvinyl chloride by high-voltage electrospinning process. The removals of divalent metal cations including Cu2+, Pb2+ and Cd2+ from the simulated groundwater by M-1 have been investigated. To obtain the best heavy metal removal, several filtration methods using M-1 have been presented, including direct filtration, soil-addition filtration, diatomite-addition filtration and micellar enhanced filtration (MEF). The best filtration method for M-1 to remove heavy metal cations is MEF whose optimal experimental conditions are 10-layer filtration and sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS) concentration of 5mmol/L. The experimental results show that the rejections of copper in the simulated groundwater by MEF using M-1 can reach more than 73%;the rejections of lead more than 82%;and the rejections of cadmium more than 91%.作 者：桑义敏 李发生 孙体昌 谷庆宝 梁存珍 SANG Yi-min LI Fa-sheng SUN Ti-chang GU Qing-bao LIANG Cun-zhen 作者单位：桑义敏,SANG Yi-min(北京石油化工学院环境工程系,北京,102617;北京科技大学土木与环境学院,北京,100083)

李发生,谷庆宝,LI Fa-sheng,GU Qing-bao(中国环境科学研究院土壤污染控制实验室,北京,100012)

孙体昌,SUN Ti-chang(北京科技大学土木与环境学院,北京,100083)

梁存珍,LIANG Cun-zhen(北京石油化工学院环境工程系,北京,102617)

膜过滤器 第6篇

伴随着生物技术的发展,膜过滤技术越来越多地应用在生活污水和工业污水的处理上。传统的膜过滤存在着膜污染引力膜通量衰减的问题,溶液透过膜时,大量溶质留在膜表面,阻碍了水的透过[1]。而振动式膜装置通过在膜表面产生正弦切力波,能有效阻止膜表面溶质沉积,同时剪力使得沉积下来的物质返回料液。膜的表面溶质减少了膜的过滤阻力,使其保持较高的过滤通量[2]。

振动式膜装置是由扭力轴将膜组件和振动装置连接而成,通过扭力轴扭转使膜组件产生扭转振动,以达到膜表面产生高剪切力的目的。此结构在发动机转速达到共振频率时,膜组件振幅到达最大,但过大的振动频率可能引起扭力杆的疲劳破坏[3]。通过对两个型号过滤装置进行有限元分析,研究膜组件质量的变化对结构达到共振的频率和扭力杆受力的影响,寻找最优扭振效果。

对振动式膜过滤装置分析的重点是,通过确定电机的驱动频率使振动扭转系统处于(亚)共振状态下工作,以较小的驱动转矩获得较大的振幅,并确保装置结构力学的安全性能。

1Ⅰ型过滤装置有限元分析及结果

使用通用有限元程序ABAQUS建立Ⅰ型振动式膜过滤装置的有限元模型(见图1),底板、顶板、电机和膜组件选用六面体单元C3D8,带圆角的扭力杆选用四面体单元C3D10。扭力杆的材料为合金弹簧钢60Si2Mn A,其他结构部位均为普通结构钢,所有模型赋予线弹性材性。通过耦合约束对振动式膜过滤装置施加边界条件。

分析提取振动式膜过滤装置的前十阶振型及固有频率,表1列出其中前六阶。如图2所示,对于频率为36.82 Hz的第六阶振型,膜组件与安装有振动电机的底板转向相反,即发生始终有180°相位差的扭振,最大变形出现在膜组件与底板。因此,使振动电机在该第六阶频率附近工作将使装置产生如图2所示的扭转振动状态。

为确定Ⅰ型振动式膜过滤装置对电机不同激振频率的响应,在两个电机处分别施加120 kg的正弦激振力,并提取膜组件外表面的单侧振幅(见图3)及扭力杆应力最大位置的von Mises应力(见图4);扭力杆应力最大位置处于扭力杆与顶板的连接位置(见图5)。振动电机最大频率为50Hz,在0~50 Hz范围内,当激振频率为36.82 Hz时膜组件的振幅最大,与模态分析的结果一致;单侧最大振幅约为3.2 mm。扭力杆的应力响应也遵循相同的规律,在激振频率为36.82 Hz时扭力杆与顶板连接位置应力最大,约为92MPa。

扭力杆受力最大,为结构设计的重点。在交变应力作用下,构件在较低的应力水平时经长期的反复工作,其破坏模式多为疲劳破坏。振动膜过滤装置的频率约为30~50Hz,即每天最多振动4.3×106次,2~3 d即可达到结构钢的循环基数N0=107。因此,对承受对称循环扭转作用的扭力杆的设计应基于可无限使用的持久极限强度:

式中,[σ-1]为许用应力;n为工作安全系数;σ0-1为对称循环荷载下的持久极限,可表示为:

式中,σb、σs为扭力杆钢材60Si2Mn A的极限强度与屈服强度,分别为1 600 MPa与1 400 MPa;β、ε、K分别为表面系数、尺寸系数和有效应力集中系数,对于振动式膜过滤装置的设计与加工,三个系数可分别取1.0、0.725和1.2。因此,可得到扭力杆在对称循环荷载下的持久极限σ0-1=272 MPa。

因此,若工作安全系数取为2.5,则扭力杆的许用应力为[σ-1]=108 MPa。对于Ⅰ型振动式膜过滤装置,最大应力为92 MPa,满足许用应力要求。

事实上,扭力振动系统的工作频率、转动响应与膜组件的质量关系密切。因此,本文对Ⅰ型振动式膜过滤装置膜组件的质量不同的情况进行了参数分析:除标准重量60kg外,可通过减重或增加配重块改变膜组件质量,寻找最优扭振效果。由图6可知,随着膜组件质量的增大,达到膜组件振幅最大的激振频率降低,而膜组件的振幅随之增高;即增大膜组件质量有利于扭振系统的工作。但膜组件质量的增大同时受到扭力杆应力的限制,图7显示当膜组件质量为80 kg时,扭力杆的最大应力已达到109 MPa,略超过扭力杆的许用应力,即膜组件的质量不可超过80 kg,否则可能会导致扭力杆的疲劳破坏。

2Ⅱ型过滤装置有限元分析及结果

对Ⅱ型振动式膜过滤装置进行有限元分析,有限元模型如图8所示,模型参数设置及分析过程同Ⅰ。该装置的前六阶固有频率见表2,装置同样是在第六阶阵型出现扭阵状态,但此时频率变为46.23 Hz。

为确定Ⅱ型振动式膜过滤装置对电机不同激振频率的响应,在两个电机处分别施加1 200 kg的正弦激振力;与Ⅰ型相同,Ⅱ型振动式膜过滤装置扭力杆应力最大位置处于扭力杆与顶板的连接位置。振动电机最大频率为50 Hz,在0~50 Hz范围内,当激振频率为46.23 Hz时膜组件的振幅最大,与模态分析的结果一致;单侧最大振幅约为1.9mm。扭力杆的应力响应也遵循相同的规律,在激振频率为46.23 Hz时扭力杆与顶板连接位置应力最大,约为53MPa,满足许用应力108 MPa的要求。

对Ⅱ型振动式膜过滤装置的膜组件质量进行参数分析:由图9知,随着膜组件质量的增大,达到膜组件振幅最大的激振频率降低,而膜组件的振幅随之增高;即增大膜组件质量有利于扭振系统的工作。同时,由于采用了比较粗的扭力杆,即使将膜组件质量增大到原有质量的1倍(800~1 600 kg),扭力杆的最大应力仅为约78 MPa(见图10),仍符合许用应力的要求;扭力杆有较大的承载能力富余。

3结论

通过对两种振动式膜过滤装置的有限元分析可知,不同膜组件质量与电机及扭力杆的组配将对应某一特定的频率可实现最优扭振效果,增加膜组件质量有利于装置扭振系统的工作。但随膜组件质量增大,电机最优激振频率降低,扭力杆的应力增大。对于Ⅰ型振动式膜过滤装置,膜组件质量不可超过80 kg,否则可能会导致扭力杆疲劳破坏;对于Ⅱ型振动式膜过滤装置,即使扭力杆质量提高一倍,扭力杆依然有较大的安全储备。

参考文献

[1]王湛.膜分离技术基础[M].2版.北京:化学工业出版社,2006.

[2]吴克宏,闫猛,骆伟,等.超频振动膜系统及其应用[J].能源研究与信息,2008,24(2):81-85.

膜过滤器 第7篇

预处理的方法的选择是根据原水的水质情况而定。混凝、沉淀、过滤是常规预处理通常选用的方法。

微絮凝过滤是混凝过滤的一种工艺。它是将原水中加入高分子絮凝剂后, 进行快速混合, 在水中形成细小的微絮凝体, 不经沉淀、澄清直接进入过滤设备。由于进入过滤器中微小的絮体没有达到稳定状态, 颗粒细小, 这些絮体的穿透程度大, 絮凝体之间和滤料之间碰撞机会较多, 接触凝聚的作用充分, 氢氧化物的胶体在沉聚过程中相互结成长链, 起了架桥作用, 在滤料空隙间易形成过滤网, 在运行过程中, 过滤网在下沉, 使原水中失去稳定的微小胶体和细小悬浮物, 被吸附截留在滤料孔隙和滤料表面上, 使水中悬浮物和胶体物质减少, 从而降低水中的SDI值。

1 实验部分

1.1 进水状况

进水为水暖分厂铝盐处理过的的水, 铝盐是两性化合物, PH值过高或过低都会促其溶解, 使残余铝量增加.水中的残余铝会在水中进行水解, 形成胶体物质, 胶体化合物的存在, 导致多介质过滤器出口水浊度≥0.5NTU, 活性碳出口水SDI15min≥4.0。

1.2 设备

多介质过滤器:φ:2500

多介质中石英砂:粒径:0.8–1.8高度:700

粒径:0.3–0.5高度:200

多介质中无烟煤:粒径:0.8–1.2高度:300

1.3 流程

水暖分厂来水浊度ZD≤5.0NTU, 污染指数SDI15min≥6.67在管道中加入高分子的絮凝剂后, 经静态混合器快速充分混合后, 在水中形成细小的微絮体随水进入器内装的石英砂和无烟煤多介质过滤器, 在滤层内同时进行絮凝和过滤, 流程图如下:

经混凝-过滤后, 浊度ZD≤0.5 NTU, 残余铝Al3+≤15ug/L的水进入活性碳过滤器除去水中残余的大部分有机物, 化学耗氧量[COD]Mn≤2.0mg/L, 游离氯离子≤0.1mg/L, SDI15min≤4.0满足反渗透膜进水水质要求。

1.4 污染指数SDI的测定

污染指数SDI是衡量水中微米级颗粒含量的一项指标。本实验SDI的测定是采用进口的微孔孔径0.45um的滤膜, 在恒压0.21MPa下进行过滤。

1.5 实验过程

本实验采用阳离子聚丙烯酰胺PAM作絮凝剂, 通过混凝小型试验的方法确定加药范围, 在进水温度和流速不变的情况下, 调整加药量, 结果如下:

进水温度控制在25℃, 流速控制在10m/h, 运行1小时后测定:

实验发现, 在PAM加入原水中0.3-0.4g/t的情况下, 出水的SDI值去除效果比较好可达到35%, 而且运行时间越长, 由于滤料间吸附的絮体越来越多, 对微米级的细小颗粒和胶体有更好的载留作用, 出水的SDI值就越低

进水温度控制在25℃, 加药量控制在0.3-0.4g/t, 运行1小时后测定:

实验发现, 滤速小, 过滤停留时间长, 絮体能被滤料更好的吸附、截留。滤速大, 微小的絮体易穿透滤层, 过滤效果差, SDI值去除率低, 从实验数据可以看出:15m/h流速运行比9m/h流速运行SDI值增加1.98。

2 实验结论

1) 对于低浊水, 残余铝化合物含量不定的情况下, 在多介质进口采用管道加PAM絮凝剂, 再通过多介质过滤器, 微絮凝过滤作为膜预处理手段, 对SDI的去除有明显的效果。

2) 多介质过滤器投入时, 在进水水质成分一定的情况下, 可将PAM絮凝剂的剂量加入0.4 g/t.当SDI值逐渐下降, 达到出水合格后, 可以将PAM絮凝剂的剂量减少到0.1~0.2g/t。

膜过滤器 第8篇

近年来,磁化水、磁防蜡、防垢等技术研究较多,某些液态物质以流动的方式经磁场处理后,其性质将发生变化,如水的渗透压、表面张力、介电常数等。利用这些变化可以取得一些有益的效应。磁处理并没有改变物质的化学成分,只是使某些物理性质暂时发生了变化。磁处理设备具有结构简单,容易制造,不需外加电力,不消耗化学药品,造价低,没有环境污染等优点。磁技术与膜技术相结合主要集中在磁场的预处理,减轻水中致硬溶质(如钙镁盐等)在膜面结垢,或因磁场而改变结晶的形态,从而改善反渗透膜和纳滤膜的操作性能[1,2,3,4,5],而在微滤和超滤过程中应用较少[6]。现以氯化钠溶液作为研究体系,考察磁场作用对溶液中离子透过性能的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

氧化铝平板微滤膜,直径30 mm,有效膜面积5.3 cm2(南京工业大学膜科学技术研究所自制,泡压法测得膜的平均孔径分别为1.45 μm、0.15 μm);氯化钠、碳酸钙粉体(广东汕头市西陇化工厂生产,分析纯);环形铁氧体磁铁(镇江金刚磁元件有限公司,磁感应强度分别为0.1 T和0.25 T)。

1.2 实验方法

实验装置为南京九思高科技有限公司制造,料液经离心泵加压从料槽送至膜组件中进行错流过滤,渗透液从膜组件外壳上的出口流出,截留液循环流回储槽。磁铁紧贴于膜组件外壳上端,截留液出口管穿过环形磁铁中心圆环。膜过滤操作条件为跨膜压差0.1 MPa、膜面流速1.2 m/s、温度28 ℃。原料液由去离子水配制,根据实验条件加入一定量氯化钠进行溶解,原料液和渗透液的浓度大小由电导率进行表征。渗透液离子透过率,可根据式(1)计算。

T=渗透液电导率/原料液电导率。

经实验表明,陶瓷膜过滤氯化钠溶液时,随时间的变化通量基本恒定,并且加入磁场作用时,膜通量的大小也无明显变化,故以下实验只讨论电解质溶液透过率的影响。

2 实验结果与讨论

2.1 引入磁场对离子透过率的影响

环形磁铁的磁极在圆柱体的上下两个平面上,一面是N极,一面是S极。磁铁被安装在膜组件上,紧贴原料液侧。在磁场作用下,陶瓷膜过滤氯化钠溶液,其透过率结果如图1所示。可以看出,当加入磁场作用时,氯化钠透过率比不加磁场时略大。将磁铁的磁极方向调换时,氯化钠透过率的值基本持平。

因微滤和超滤过程的分离机理多为筛孔分离过程,当不加磁场时,对于小分子的电解质溶液,基本上可以完全透过膜,膜表面吸附和电化学作用可能使电解质的透过率略小于1。而在磁场的作用下,电解质溶液都属于导体,在磁场中,磁力线做切割导体的运动,将产生感应电流。微电流的产生可能改变会膜表面的电位,离子的活动能力加强,增加了离子的透过性。当溶液为中性时,氧化铝膜的表面略带正电荷,阳离子透过膜孔中时容易被膜壁电荷排斥,而阴离子有可能一部分被膜表面吸引,导致溶液中自由电子减少。而当电解质通过磁场时,其两端正、负电荷受到洛伦兹力的作用,可能会改变溶液分子的结合状态 [7],膜表面上的水合层会变厚及变得稳定,厚的水合层会减小膜面对阴离子的静电吸引力,从而使离子更容易穿过膜孔,此过程的示意图如图2所示。因此在磁场作用下,膜过滤氯化钠溶液时离子的透过率增大,但是磁场的极性对体系基本无影响。

2.2 膜孔径

氯化钠溶液浓度为5 g/L,考察在磁场作用下,两种孔径的膜过滤氯化钠溶液的情况,离子透过率结果如图3所示。当不加磁场作用时,离子的透过率均为0.99左右,而有磁场作用时,孔径为1.45 μm的膜离子透过率只略微有所增大,0.15 μm孔径的微滤膜的离子透过率有较大幅度的提高。说明当膜孔径较小时,磁场对此体系的影响效果较大。这可能是由于膜孔径比较大时,溶液透过膜完全是以筛分的机理进行渗透的,膜表面的电位或者电磁等性质不足以使离子的透过性发生很大的改变,而对于小孔径的膜,这种性质相对比较明显。

2.3 溶液浓度

膜孔径为0.15 μm时,考察氯化钠浓度分别为1、3、5、7 g/L时,在磁场作用下,陶瓷膜过滤氯化钠溶液离子的透过情况,实验结果如图4所示。当不加磁场的作用时,各浓度下氯化钠的透过率差别不大。有磁场作用时,氯化钠浓度比较低时,离子透过率和不加磁场时差不多,而当氯化钠浓度高于5 g/L时,离子的透过率有了较大程度的提高,此时,渗透侧的氯化钠的浓度比原液中的浓度高。

这是由于在氯化钠溶液中,陶瓷膜的zeta电势随离子强度增大而减小[8],在没有磁场作用时,若离子强度较低,双电层中压缩层的电荷较少被屏蔽,膜流动电位较高,电荷排斥效应明显,体现出较高的截留率[9]。而当加入磁场时,增加氯化钠浓度,离子强度提高,从而导电的功能增大,使溶液流动时磁场的作用更明显。陶瓷膜的等电点也发生变化,膜表面电荷屏蔽使得离子的透过能力提高,因此溶液浓度较高时,磁场作用下离子透过率提高较多。

2.4 磁场强度

膜孔径为0.15 μm,氯化钠溶液的浓度为2 g/L,考察不同磁场强度下膜过滤溶液中离子的渗透性能,实验结果如图5所示。实验结果表明,当磁场强度增大时,离子的透过率增大。磁场强度是决定磁处理效果的关键参数之一,磁场在流体中是呈梯度分布的[10],在较低的磁场作用下,只对接近磁极附近的紊流流体起作用。所以当磁场强度为0.1 T时,尽管离子透过率比无磁场作用时大,但是并没有达到原料液的离子浓度。而在较高的磁场强度作用下,磁场对于流体的作用范围增大,离子透过率出现负截留现象,类似于纳滤技术中的道南效应,因此对于浓度比较低的电解质溶液,磁场强度必须达到足够的强度才能起到显著的影响。

2.5 其他电解质溶液

实验选取氯化钙和硫酸钠这两种强电解质溶液作为实验对象,考察磁场对其他电解质溶液的影响,比较过滤不同浓度电解质溶液在不同磁场强度下的离子透过率,实验结果如图6所示。从图6可以看出,当这两种电解质溶液浓度较大时,离子透过率略大,并且随着磁场强度的提高,离子的透过率有增大的趋势,实验现象与氯化钠溶液类似。但是从离子透过率的值来看,在磁场作用下硫酸钠溶液的离子透过率的数值增大的幅度没有氯化钠和氯化钙溶液高,可能是由于硫酸根离子所需的水合能比较大,磁场的作用对硫酸根离子的改变不明显,因此透过率增大的值也改变较小。

2.6 颗粒表面离子洗涤

制备纳米金属氧化物颗粒的一个常用方法是溶胶-凝胶法,在溶胶制备过程中,需添加去离子水反复洗涤去除溶胶胶团中的杂质离子,用加入水搅拌、抽滤洗涤的方法只适用于实验室制备极少量溶胶,如制备溶胶量较大,用膜分离的方法辅助洗涤胶团表面的离子可加快洗涤速度,在此基础上考察磁场作用对颗粒表面离子洗涤的效率的影响。

以碳酸钙颗粒和氯化钠溶液配制成悬浮液,碳酸钙的浓度分别为5 g/L和10 g/L,氯化钠溶液的初始浓度为2 g/L,电导率为3 940 μs·cm-1,用膜过滤的方法分离此体系。在过滤过程中每次取出一定量的渗透液,并加入一定量的纯水,考察料液电导率下降到100 μs·cm-1以下需要加水的次数。实验中,前八次每次加水和取出的溶液量为2 L,从第九次开始每次加水和取出的量为1 L,初始料液体积为4 L。实验结果如表1所示,可以看出,当悬浮液中颗粒浓度相同时,加入磁场的作用使溶液电导率下降略快;且颗粒的浓度比较低时,颗粒表面的离子更容易被洗去。碳酸钙颗粒浓度为5 g/L时,有磁场作用时,料液电导率下降到100 μs·cm-1以下,加水洗涤次数比不加磁场时减少一次,说明此方法可以减少洗涤次数,加快洗涤速度。

3 结论

(1)磁场的作用不改变过滤电解质溶液时的膜通量,但可以提高离子透过率;

(2)磁场作用方向对透过率影响不明显,增大磁场强度、提高电解质溶液的浓度,减小膜孔径时,磁场对过滤过程的影响作用更明显;

(3)采用膜过滤的方法清洗颗粒表面的离子时,加入磁场可以提高离子洗涤的速率。

参考文献

[1]马丽霞,赵仁兴,庞立涛.磁场对纳滤膜分离性能影响研究.水处理技术.2005;31(1):20—22

[2]朱安娜,祝万鹏,王晓琳.磁场在自来水纳滤过程中的影响机理初探.膜科学与技术,2004;4:52—56

[3]朱安娜,祝万鹏,王晓琳.磁场对静态纳滤过程的膜通量及Ca-CO3结晶的影响.环境科学,2004;25(05):70—74

[4] Li Jian-xin,Liu Jing-xia,Yang Tao,et al.Quantitative study of theeffect of elextromagnetic field on scale deposition on nanofiltrationmembranes via UTDR.Water Res,2007;41:4595—4610

[5] Long F,Zhu A,Wang X L,et al.Membrane flux and CaCO3 crys-tallization in the unstirred dead-end nanofiltration of magnetic solu-tion.Desalination,2005;186:243—254

[6]王亚卿,赵仁兴,王路光,等.磁场对膜分离土霉素发酵液性能的影响研究.化工技术与开发.2007;36(1):17—18

[7]徐铜文.膜化学与技术教程.合肥:中国科学技术大学出版社,2003

[8]赵宜江.无机电解质对陶瓷膜表面电性质的影响.淮阴师范学院学报(自然科学版),2003;2(3):212—215

[9]曾坚贤,叶红齐,谢辉玲.荷电有机超滤膜处理金属离子溶液过程中离子强度的影响.水处理技术.2007;33(6):49—52

膜过滤器 第9篇

在沉积DLC膜过程中会产生极大的内应力及石墨颗粒,造成膜基间结合力很差,严重影响薄膜的实用化。梯度过渡层、多层复合膜以及金属或非金属掺杂是减少内应力,改善膜基结合力的常用方法。为降低DLC膜的内应力和提高其热稳定性,本工作采用磁过滤直流真空阴极弧沉积方法制备了Cr-DLC膜。

真空阴极弧沉积由于具有离化率高、沉积速率快、沉积离子能量高、膜基结合力好、沉积温度低、可通过在基体上加负偏压使沉积能量在大范围内可调节等优点,广泛应用于超硬膜的制备。但是阴极弧放电剧烈, 不但产生高密度的等离子体,而且产生大量尺寸为0.1～10μm的宏观粒子。这些大颗粒镶嵌在薄膜或散布于薄膜表面,大大降低了薄膜的物化性能及薄膜与基体的结合力。磁过滤真空阴极弧(Filtered Cathodic Vacuum Arc Deposition,FCVAD)是在真空阴极弧技术基础上发展起来的,其原理是通过磁过滤器将等离子体中的大颗粒及中性粒子滤除,只有离子能够沉积到基体上,从而克服了沉积过程中大颗粒对薄膜质量的损害,所制备的薄膜致密、性能优异。常用的磁过滤器有直角弯管形和“S”弯管形,等离子体通过这种磁过滤管道时,磁化的电子沿磁力线运动,而离子在等离子体内部电场作用下也将同电子一同沿磁力线运动,从而使等离子体通过过滤管道,其余的中性粒子及大颗粒将沉积到管道内壁上。实际应用中,由于弯管内壁的弹射作用,仍将会有部分粒子能够通过弯管沉积到基体上,所以滤除效果并不完全理想,内壁加装挡板及施加正向偏压可大幅提高弯管的滤除效果[1]。采用内壁加装挡板的“S” 形弯管可以滤除所有中性粒子和大颗粒[2]。

1 实验方法

实验装置为我院自行研制的直角弯管形磁过滤直流真空阴极弧沉积设备,装置示意图如图1所示。阴极源头所在的直管管径为150mm,长度为160mm,所加阴极偏压为-63V;稳弧线圈电压为8V,中心磁场约为3.5mT;聚焦线圈电压为4.5V, 中心磁场约为2mT。磁过滤直角弯管管径为220mm,中心曲率半径为200mm,弯管上施加21V正偏压,磁过滤线圈电压为23V,中心磁场约为25mT;真空室直径为600mm,高度为700mm,采用机械泵和涡轮分子泵级联方式获取真空,极限真空可达10-4Pa量级;工件盘安装在真空室底部,直径为240mm,工件盘具备自转和绕真空室中心轴线公转的功能,自转速率为5r/min,公转速率为1r/min,工件盘上可施加0～150V的负直流偏压和0～1000V(频率:40～60kHz,占空比:0%～90%)的负中频偏压;真空室内壁附近装有电加热棒,根据镀膜需要,可由PLC设定加热温度和自动控温。

实验采用ϕ50mm×50mm×ϕ70mm的铬阴极靶,基体为单晶硅片、厚度为0.7mm的镜面AISI 304不锈钢片(硬度为350HV)及1mm厚的显微镜用载玻片,高纯氩气作为本底气体,反应气体为C2H2。沉积前,不锈钢片基体首先经过20min丙酮超声波清洗并用电吹风烘干,单晶硅片及载玻片均丙酮擦拭后再用电吹风吹干,然后置于真空室中经过10min的 Ar+离子辉光溅射以进一步去除其表面的污物。基体均置于离子出口的中心轴线上,距离离子出口中心为33cm。为取得薄膜较好的均匀性,沉积过程中基体随工件盘自转。工艺的主要参数如表1所示。

采用BX51M系统金相显微镜(OLYMPUS)观察DLC膜的表面形貌,Labram HR800拉曼光谱(Jobin Yvon)测试膜的拉曼光谱,XSAM800(KRATOS,Al靶)X射线光电子能谱仪测试膜的光电子能谱,X`Pert Pro型X射线衍射仪(Philips,Co靶)测试薄膜的X射线衍射光谱,VASE型可变入射角光谱椭偏仪(J.A. Woolam Co., Inc.)测试膜厚及折射率,UV-3600分光光度计(Shimadzu)测试薄膜的透射率和反射率,采用纳米硬度计(CSEM)测试了薄膜的纳米硬度和弹性模量,HR-150A型洛氏硬度计测试了膜基间的结合力。

2 实验结果及讨论

2.1 含铬DLC膜的表面形貌

硅片和玻片上的膜呈深灰色光泽,不锈钢片上的的膜呈亮黑色光泽。图2为100倍和1000倍显微镜下观察到的硅片、不锈钢片(SS)上膜的表面形貌。不锈钢片膜中偶存有μm级的大颗粒,这是由于弯管内壁仍存在着少量的粒子弹射造成的。

2.2 含铬DLC膜的膜厚及光学参数测量

椭偏仪测得硅片上的膜厚为47.6nm,测得的n,k值如图3所示。由图3可见n,k均随波长的增长而增大,在波长1300～2200nm范围内则成线性增长,类似于金属膜的光学参数。图4为分光光度计所测得的载玻片上膜的透射率t及反射率r,随着波长的增长,t逐步增加,r逐渐减小,Cr-DLC膜的光学性能远不如DLC膜。

2.3 含铬DLC膜的Raman光谱分析

金刚石Raman光谱仅在1332cm-1处有一尖锐的特征峰,它是由sp3键原子振动引起的,具有T2g对称模式。单晶石墨仅在1580cm-1处有一特征峰,具有E2g对称模式,称之为G峰。无序石墨除了G峰外,在1350cm-1处还存在有第二个特征峰,具有A1g对称模式,称之为D峰。DLC膜的可见光Raman光谱完全由其sp2结构决定,G峰和D峰均是由sp2结构产生的。G峰实际上是由碳环或C=C链中的所有sp2原子对的纵向振动产生的,而不仅仅是意味着石墨结构。D峰是由碳环中sp2原子横向振动产生的,D峰的出现是由于石墨结构中sp2键角的紊乱,包括与sp3键相连的原子,也与由sp2键组成的类石墨微区中长程有序的破坏有关。所有DLC膜的Raman光谱在800～2000cm-1范围内均具有类似的特征谱线[2,3]。

采用激发波长λ=325nm的激光Raman光谱仪检测了不锈钢片上薄膜的紫外光拉曼光谱,光谱如图5所示。在780cm-1附近存在着一较小的Cr峰,数据分析时略除了此Cr峰的相关数据。由图可见,Raman光谱在1100～1900cm-1之间呈一不对称倾斜宽散射峰,这通常被认为是DLC膜所具有的特征峰型。DLC膜的Raman 光谱可被分解为两个Gauss峰:1585cm-1附近的为G峰, IG =57415;1353cm-1附近的为D峰,ID =161514。计算可得:

undefined

2.4 含铬DLC膜的XPS光谱分析

XPS测得硅片上薄膜组分含量比C/Cr=8.9/1(未考虑O组分)。金刚石C1S电子的结合能为285.2eV,石墨C1S电子的结合能为284.3eV,可以根据这一差别来确定DLC膜中sp2和sp3组分含量。图6为DLC膜的C1SXPS谱图,采用网上免费提供的Xpspeakfit程序对DLC膜的C1SXPS谱进行数据分峰分析[4,5,6]。在sp2和sp3组分Gaussian-Lorentzian分峰拟合前扣除Shirley本底,峰位为284.7eV(FWHM=1.6eV)的sp2峰面积Isp2=12856.96;峰位为285.6eV(FWHM=1.9eV)的峰面积Isp3=15807.55,峰位为286.3eV(FWHM=2.2eV)的碳氧或碳氢化合物峰面积Icho=331.9。根据XPS的组分含量计算公式(仅考虑单质碳), 算得sp3组分含量为55.15%。

2.5 含铬DLC膜的XRD光谱分析

图7为所测得的不锈钢片上薄膜表面的X射线衍射图。根据粉末衍射PDF卡片研判,薄膜不完全为非晶结构,其中含有晶面为(0,1,3)的体心立方结构的C8、少量晶面为(3,2,1)的CO2。C8的检出有悖于文献[7]所认为的仅在高温气化状态下存在C8的观点;而CO2的检出则和文献[5,8]所说的薄膜表面存在着受空气污染形成的碳氧或碳氢键类化合物的这一观点一致。

2.6 含铬DLC膜的纳米硬度及弹性模量

在不锈钢片的薄膜上作了纳米硬度测试,测试时设置压头的最大压入深度为50nm,加卸载速率均为10mN/min,在薄膜表面选测了10点,去除两头极差值并选择数据一致性较好的5点的平均值作为所测薄膜的硬度,测得经石英标准块校准后的硬度为16.01GPa,弹性模量为142.72GPa,由于膜厚只有160nm左右,因此测得的实际上是膜基复合硬度值,由于不锈钢片硬度很低,是软基底,膜的实际本征硬度应远大于所测值。为避免基体影响,压入深度应小于膜厚的十分之一,由于所制得的膜层较薄,采用过小的压入深度又会影响硬度测试的准确性,所以测试时未采用压入深度为膜厚的十分之一的标准。在压头加载过程中薄膜表面发生的首先是弹性形变,随着载荷的进一步提高,塑性形变开始出现并逐步增大;卸载过程主要是弹性变形恢复的过程,塑性形变最终使得样品表面形成了压痕。从图8可见,5个测量点均有15nm左右的不可恢复形变量。

2.7 含铬DLC膜的摩擦磨损试验

在不锈钢片的薄膜上作了摩擦磨损实验,摩擦磨损仪摩擦球采用直径为ϕ6cm的AISI 52100轴承钢球,摩擦半径为3cm,转盘转速为500r/min,所加载荷为300g,测得含铬DLC膜的摩擦系数约为0.1左右,摩擦过程中摩擦系数有呈下降趋势并逐步稳定在0.1上下(图中的尖峰脉冲是由于转盘启动时的冲击力造成的),原因是由于摩擦导致薄膜中的sp3键碳原子在摩擦过程中发生向sp2键的石墨化转化,石墨的自润滑效应使得摩擦系数出现下降趋势[2]。图9为其摩擦磨损试验记录图,图10为经过40000转摩擦磨损试验后磨痕的显微图。由图可见,膜表面虽然存在由磨粒磨损和粘着磨损引起的犁沟和划痕,但厚度仅为160nm左右的膜层并没有被磨透,可见含铬DLC膜具有很高的耐磨性能。摩擦结束后钢球表面粘着一层主要由石墨组成的黑色转移膜[8],球头未见有明显磨损。

相同条件下,在TiN薄膜上做了1000转摩擦磨损试验。图9为其摩擦磨损试验记录图,随转数的增加,摩擦系数由0.4迅速增加到0.5左右,可以看出仅经历350转左右TiN薄膜就已被磨透。图10为TiN薄膜经过1000转摩擦磨损试验后磨痕的100倍显微图,磨痕表面存在着由磨粒磨损和粘着磨损产生的犁沟,薄膜表面已经严重磨损,摩擦钢球端部亦有相当部分被磨平。可见,Cr-DLC膜的耐磨性能远优于TiN薄膜。

2.8 含铬DLC膜的结合力

在不锈钢片上直接沉积Cr-DLC膜时,平均脱膜时间约为3min,采用Cr作为不锈钢片的过渡层时,采用同样工艺参数沉积10min也未见有脱膜现象,采用Cr过渡层大幅地提高Cr-DLC膜的膜基结合性能。

采用洛氏压痕法评价不锈钢片上Cr-DLC膜与基体的结合力(实质上测得的是Cr-DLC膜与Cr膜或Cr膜与不锈钢基体的结合性能)。洛氏压痕法是从德国发展起来的,并在VDI3198(1991)指南中形成标准。这种方法采用标准洛氏硬度计(载荷为1471N)压头压入薄膜,在压坑周围及邻近区域产生薄膜损坏,采用100倍光学显微镜观察压痕周围形貌,根据其形貌评价膜基结合强度。已经定义的膜基结合强度和其对应的薄膜损伤形貌如图11所示,HF1—HF4定义为具有足够的结合强度,而HF5和HF6定义为不足的结合强度[9]。使用HR-150A型洛氏硬度计,按上述标准,保荷时间15s试验膜基结合力。图12为Cr-DLC膜的压痕图,判比可知膜基结合强度为HF1级,结合力良好。

2.9 含铬DLC膜的电阻

万用表粗测得不锈钢片上膜1cm两点间的电阻约为100Ω·cm,含铬DLC膜的面电阻远低于纯DLC膜。

3 结论

(1)测得硅片上的薄膜厚度为47.6nm,碳含量约为89%,sp3键占碳含量的55.15%。

(2)不锈钢片上的薄膜Raman光谱为一不对称倾斜宽散射峰,具有典型的DLC膜特征,XRD检出膜中含有C8结构。

(3)测得不锈钢片上薄膜的纳米硬度为16.01GPa,在空气中的摩擦系数约为0.1,摩擦过程中,由于石墨的自润滑效应使得摩擦系数出现下降趋势,耐磨性能优良,膜与不锈钢基体的结合性能良好。

参考文献

[1]DRUZ B,YEVTUKHOV Y.Diamond-like carbon overcoat forTFMH using filtered cathodic arc system with Ar-assisted arcdischarge[J].Diamond&Related Materials,2005,14:1508-1516.

[2]ROBERTSON J.Diamond-like amorphous carbon[J].MaterialsScience and Engineering,2002,R37:129-281.

[3]ANDREA C F,JOHN R.Raman spectroscopy of amorphous,nanostructured,diamond-like carbon,and nanodiamond[M].The Royal Society,10.1098/rsta.2004.1452.

[4]PAIK N.Raman and XPS studies of DLC films prepared by amagnetron sputter-type negative ion source[J].Surface&Coat-ings Technology,2005,200:2170-2174.

[5]ATCHISON F,BRYS T,DAUM M.Structural characterizationof diamond-like carbon films for ultracold neutron applications[J].Diamond&Related Materials,2007,16:334-341.

[6]覃礼钊,张旭.XPS表征类金刚石膜探讨[J].现代仪器,2005,(6):18-20.

[7]HUGE O P.Handbook of Carbon,Graphite,Diamond andFullerenes-Properties,Processing and Applications[M].WilliamAndrew Publishing/Noyes Publications,1993.

[8]LI Hongxuan,XU Tao.Annealing effect on the structure,me-chanical and tribological properties of hydrogenated diamond-lkecarbon films[J].Thin Solid Films 2006,515:2153-2160.