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文献综述

气体膜分离是一种绿色技术，并且由于它具有分离效率高、能耗低、操作简单等优点。在与传统分离技术(吸附、吸收、深冷分离等)的竞争中显示出独特的优势，其研究和应用发展十分迅速。目前，该领域的研究主要集中在开发高透气性、高渗透选择性、化学稳定性以及热稳定性等更为理想的新型膜材料和制膜工艺。

按材料的性质分，气体分离膜材料可分为高分子材料、无机材料和有机-无机杂化材料。已经应用于气体膜分离领域的高分子膜材料有聚酰亚胺(PI)、乙酸纤维素(CA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚砜(PS)、聚碳酸酯(PC)等。但是，大多数高分子膜都存在透气性和选择性互为制约的关系，因此研究开发出兼顾高透气性和高选择性的新型高分子膜材料已成为目前的研究热点。而最近，用于气体分离的多孔金属也是一个非常重要的研究方向。

多孔金属由金属骨架及孔隙所组成， 具有金属材料的可焊性等基本的金属属性。相对于致密金属材料，多孔金属的显著特征是其内部具有大量的孔隙。而大量的内部孔隙又使多孔金属材料具有诸多优异的特性，如比重小、比表面大、能量吸收性好、导热率低( 闭孔体) 、换热散热能力高( 通孔体) 、吸声性好( 通孔体) 、渗透性优( 通孔体) 、电磁波吸收性好( 通孔体) 、阻焰、耐热耐火、抗热震、气敏( 一些多孔金属对某些气体十分敏感 ) 、能再生、加工性好，等等^[1]。

过滤与分离是多孔金属的众多应用领域中应用最广的一种。作为过滤材料而言，多孔不锈钢是多孔金属中应用前景最好的。因为多孔不锈钢膜具有孔径可控、耐高温、耐化学腐蚀、机械强度高、抗微生物能力强、渗透量大、可清洗性强、分离性能好和使用寿命长等优点。其工作原理是从液体或气体中将固体颗粒过滤出去。通常，渗透性随孔径、孔隙率的增加而增大，又随两端压力差的增大而增大^[2]。目前多孔不锈钢膜已在石油化工、生物、医药和食品等领域的过滤工艺中得到广泛应用^[3]。

常见的制备多孔不锈钢膜的方法主要有离心沉积法、金属发泡法、铸造法、固-气共晶凝固法、成型粉末烧结法、浆料烧结法、真空蒸镀、电沉积法、腐蚀造孔法、悬浮粒子烧结法、喷涂法等^[4~5]。离心沉积法是通过调节梯度层粉末的粒度分布和梯度层的厚度来控制孔结构的梯度变化；腐蚀造孔法的工艺过程是：先制得固溶体预合金坯，然后用此合金作阳极，调整电化学势，使电化学活泼性较高的金属溶解，得到多孔金属。该过程一般都是在金属材料表层进行，难于制备大块材料^[6~7]；浆料烧结法是利用金属粉末、发泡剂和有机载体组成悬浮液，将其搅拌成含有泡沫的状态，然后将其置入模具中进行加热焙烧，在发泡剂和有机载体的作用下，浆料粘度升高，并在产生气体时开始膨胀，烧结后完全干燥。得到固态的具有多孔结构的金属^[5~8]。

传统多孔不锈钢应用于微滤工艺时，无法同时解决过滤通量与过滤精度的问题，因为二者相互制约，难免顾此失彼，而非对称结构的复合膜能很好地解决这一矛盾。非对称孔结构多孔材料，即孔径、孔隙度沿厚度方向呈梯度变化，是具有高精度、高表面积、大流量等特定功能的材料^[9]。其具有过滤精度高、渗透量大、反洗性能好、使用寿命长等优点，特别适应于现代工业高效、自动化运行等先进过滤技术的发展^[10~11]。

非对称型多孔金属膜(梯度型多孔金属膜)的研究始于上世纪90年代。在过滤材料方面，国内一些研究单位围绕高温高压系统连续化运行和自动化操作等先进技术开展了大量研究工作：安泰科技股份有限公司研究的不对称金属多孔材料，基体、膜层材质分别为不锈钢、镍，孔径为1μm 时，渗透系数为2.010^-14m²。中南大学利用Al元素偏扩散所引起Kirkendall 效应研制了孔径梯度均质钛铝合金化合物不对称多孔金属材料 ^[12] 。非对称不锈钢金属膜也是国外的研究热点。日本的Kazuzki Nishiyabu 采用分层堆积热压成形技术制备形状复杂、尺寸小、精度较高的梯度多孔金属材料。Y. Kinemuchi 提出了离心烧结理论，在烧结过程中给样品施加沿着半径方向外加力，由于离心力不同，样品的烧结收缩率就不同，从而产生梯度孔结构。S.Angel 用SRFS ( Slip Reaction Foam Sintering) 技术制备出梯度多孔金属泡沫。D.Print采用粉末湿法喷涂技术制备出孔径梯度变化多孔金属材料，在多孔金属材料基体管的外壁或内壁喷涂粉末粒度依次减小的多层粉末层，采用分步分阶段保温烧结技术解决不同粉末粒度分布烧结收缩不同的关键问题。该项技术为德国GKN公司掌握^{[ 13~16]} 。

非对称不锈钢膜在性能方面存在较大优势：一是过滤过程压降低。在常规元件中，压强损失随元件厚度线性递增，而同样厚度的非对称元件中，压强分布则呈现不对称性。由于膜厚度非常小，非对称组件带来的压降明显低于具有类似过滤精度的常规元件^[17]。二是由于表面过滤机理，反冲洗效果好，大大降低了设备的运行成本。

此外，与有机膜和陶瓷膜相比，非对称多孔金属有四大优点：(1) 机械强度高，可在高压下使用(耐压高达50MPa)。因而可以用增大压差的方法来提高渗透通量，增大膜的分离效率。(2) 密封性能好。多孔金属膜具有良好的焊接性能，使膜组件易于连接。 (3) 具有良好的热传导性能。从而减小了膜组件的热应力， 提高组件的使用寿命。 (4) 具有很强的应用价值。在过滤过程中，生产效率高、设备占地面积小、维护成本低等^[17]。

金属多孔材料的应用已经非常广泛，例如：高效洁净能源利用一一表面燃烧技术；高温气体净化技术；汽车尾气净化；节能新技术热管技术等等