低成本硅藻土陶瓷膜选择性微滤多糖的创新研究及其在食品医药领域的应用

本研究展示了一种利用廉价硅藻土（Fuller’s earth）制备的陶瓷膜对多糖（如纤维素、淀粉）与单糖（葡萄糖）、二糖（蔗糖）进行高效分离的微滤技术。膜经850°C烧结后具备0.176 μm孔径、39%孔隙率和优异化学稳定性，在死端过滤装置中通量达212–226 L·m–2·h–1。研究通过Hermia模型揭示孔阻塞为主要污染机制，证实该低成本膜在碳水化合物分离中具有工业应用潜力。

材料与方法

研究采用印度本地硅藻土为原料，通过单轴液压干压成型及850°C烧结工艺制备陶瓷膜。膜孔径为0.176 μm，孔隙率39%，抗弯强度19.79 MPa，酸性碱性环境中重量损失均低于2%。过滤实验使用死端装置，在0.689–2.06 bar压力下对纤维素-葡萄糖、纤维素-蔗糖等混合溶液进行微滤，通量随压力线性上升。

膜结构表征

场发射扫描电镜（FESEM）显示膜表面均匀无缺陷。ImageJ分析测得表面孔径为1.215 μm，与水力学孔径（0.176 μm）差异源于膜内部死端孔的影响。膜表现出高渗透性（175 L·m^–2·h^–1·bar^–1）和良好机械稳定性。

微滤性能分析

纤维素-葡萄糖混合液通量（212.18–225.97 L·m^–2·h^–1）略高于纤维素-蔗糖系统（218.84–222.91 L·m^–2·h^–1），源于葡萄糖分子较小、流动阻力低。淀粉体系通量较低，与其溶解性及分子复杂性相关。浓度实验表明，纤维素浓度超过200 ppm时易形成滤饼层，显著降低通量。

分离效率评估

光学显微镜显示蔗糖体系膜面沉积更明显，葡萄糖体系过滤后表面更光滑。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实渗透液中纤维素特征峰（如O–H伸缩振动3348 cm^–1）减弱，单糖/二糖相关峰保留。粒子尺寸分析表明纤维素-葡萄糖体系平均粒径从5233 nm降至1115.7 nm，蔗糖体系降至444.7 nm，凸显膜对多糖的选择性截留能力。

污染机制解析

基于Hermia模型拟合，纤维素-葡萄糖、纤维素-蔗糖和淀粉-蔗糖体系均符合完全孔阻塞模型（R²>0.93），而淀粉-葡萄糖体系更符合滤饼过滤模型（R²=0.9544）。该发现为膜污染控制及清洗策略设计提供了理论依据。

结论

硅藻土基陶瓷膜以低成本实现了多糖与单/二糖的高效分离，在食品、制药等工业中具应用前景。未来需进一步优化膜结构、污染防控及长期运行稳定性。