多孔陶瓷膜在高浊度溶液处理中的应用

钱均新

（江苏省宜兴非金属化工机械厂有限公司，江苏 宜兴 214221）

所谓高浊度溶液，是指溶液中悬浮物含量很高（固体质量分数＞0．2%）的溶液，一般指江河中泥沙含量较高的水，工业废水（印染废水，脱脂清洗液，金属切削液），各种电解水，食品、医疗领域的含杂质水（生物发酵液，酱油，醋中的渣）。如何高效处理高浊度溶液已成为固液分离领域的一个新课题。对于高浊度溶液，传统处理方法是絮凝沉淀法，但此法需占用大量土地来建絮凝池和沉淀池；絮凝和沉淀时间较长，效率低；且上清液浊度仍较高；溶液量大时，此法有很大局限性。

针对大量高浊度溶液，曾采用砂过滤、滤布过滤方法进行处理，虽然耗时较短，但处理后的水浊度仍然较高，不适合直接使用或作为反渗透系统的进液；如果溶液浊度非常高，很可能在短时间内将过滤器完全堵塞。而采用多孔陶瓷膜及错流方法，可以在极短时间内降低高浊度溶液浊度，使溶液可返回使用［1－5］。

1 多孔陶瓷膜

1．1 多孔陶瓷膜的特点

多孔陶瓷膜作为膜过滤的关键元件，通常分为3层：外层的陶瓷材料为支撑体，外形为多孔圆柱体或多孔棱柱体，孔径一般为10～30μm，孔隙率为40%～60%，其作用是增强膜的机械强度；中间层的孔径比支撑层的小，其作用是防止膜层制作过程中颗粒向多孔支撑层渗透，堵塞微孔，影响过滤通量，孔隙率为35%～45%；最内层为膜层，即过滤层，其孔径根据所处理的溶液可做成4 nm～10μm，孔隙率为40%～55%。整个膜的孔径分布由支撑层到膜层逐渐减小，为不对称分布，并经3次烧成，呈梯度微孔结构。这种膜的分离层基本无缺陷，不仅过滤阻力小，而且表面平整光滑不易粘连物料，抗污染性能好，便于化学清洗；孔径分布均匀，具有较好的选择透过性，分离效果好。单根陶瓷管的长度约为1m，且可根据需要制作不同的长度，如图1所示。

图1 各种孔径的陶瓷管立面图

高浊度溶液从多孔陶瓷膜的一端流入，从另一端流出，清洁的溶液则透过膜壁，从垂直于膜壁的方向流出，形成错流，从而实现过滤的目的。

1．2 多孔陶瓷膜的制备

1）特种环形氧化铝粉的制备：为确保陶瓷膜不易被污染、堵塞且易于清洗，研制出了专门的球形氧化铝粉。这种氧化铝粉外形呈球形或类球形，化学稳定性好，致密光滑无尖角，不易积垢，易于清洗。

2）多孔陶瓷支撑体（膜载体）的制备：很多陶瓷膜管的耐腐蚀性不强，所以使用寿命短且无法实际应用推广，为此研制出高性能陶瓷支撑体，它耐强酸、强碱腐蚀，无缺陷，强度高，性能可靠，使用寿命长，这项技术达到国际先进水平。

3）膜过滤层的制备：要制备优质可靠的陶瓷过滤膜，必须先在微孔直径10～30μm的多孔陶瓷支撑体的过滤通道表面覆盖一层过滤膜，该过滤膜的厚度在15～30μm，微孔直径在0．2～1．5 μm之间。

4）膜层（过滤控制层）的制备：在过滤层表面制备过滤膜层是决定膜过滤分离特性的关键。膜层厚度一般为3～10μm，微孔直径为0．2、0．1及0．05μm等。具体规格根据过滤溶液特性要求选用。

2 多孔陶瓷膜设备

2．1 设备组成

根据错流过滤原理，每套多孔陶瓷膜过滤设备由一台陶瓷膜设备主机和电器控制柜组成。

系统包括供料系统、陶瓷膜精密过滤系统、自动反冲系统、清洗系统、电器系统、仪器仪表系统。

2．2 设备各系统说明

1）供料系统：为陶瓷膜精密过滤装置提供稳定的料液 ，同时有一部分浓缩液返回循环罐进一步进行过滤处理。如果循环罐中的固体杂质含量较高、浊度较大，则循环罐中的部分料液输入压滤机中进行压滤，除去大部分固体杂质，以减轻陶瓷过滤器的过滤压力。

组成：循环罐，供料泵，阀门管路等。

2）陶瓷膜精密过滤系统：待过滤液由供料泵提供给循环泵，经循环泵增压调压后使具有一定膜面速度再进入膜组件进行液固分离，滤后清液（即渗透液）经过膜组件汇集（补加一定量萃余液）后送电积，浓缩液（渣液）在膜管内部往复循环。

组成：陶瓷膜组件，循环泵，支架，阀门仪表管路等。

3）自动控制反冲系统：过滤一定时间后，经过自动控制，快速切换相应阀门实现反清洗。反冲介质为压缩空气和少量滤后液。在正常过滤过程中，反冲罐中自动进入少量滤后液作为反冲液，反冲时由阀门的瞬间切换接通压缩空气把少量滤后液压入陶瓷膜组件中实现高压瞬时反冲，浓缩液继续在膜组件中浓缩，可大幅度缓解陶瓷膜在过滤过程中的污染和堵塞，延长膜的使用寿命。

组成：反冲罐，气动球阀，电磁换向阀，阀门仪表管路等。

4）清洗系统：陶瓷膜污染后的再生性能是衡量陶瓷膜过滤器性能好坏的重要指标。在长时间的过滤过程中，膜被污染是肯定的，关键是要找到适合工艺要求的清洗再生液。膜的再生是物理再生和化学再生共同作用的结果，对于具体项目，可根据过滤液的化学性能以及项目的整体工艺要求选择具体再生液。如采用5%的稀硫酸溶液作为再生清洗液，随着可溶性硫酸盐的生成，陶瓷膜得到再生；剩余的一些附着于陶瓷膜表面和微孔中的不可溶性颗粒，由于可溶性硫酸盐的溶解而松动，在反冲过程中，液体在瞬间高压空气推动下，挤压管内液体而使颗粒受到冲击而脱落，陶瓷膜随之得到再生。此设备经过阀门切换，使膜组件得到在线酸洗再生。为了保护膜系统，每次生产之后或停机8h以上时，需将水或清洗液存放于系统中，避免膜干燥；夏天还应加入一定量次氯酸钠进行消毒，以抑止细菌生成。

组成：纯水罐，清洗罐，循环罐，阀门仪表管路等。

5）控制系统：整个设备由PLC全自动控制，根据现场实际需要，有自动／手动两种控制方式。设备运行情况及运行参数均在触摸屏上显示。

组成：PLC，触摸屏，电磁换向阀，强电。

2．3 设备优点

1）处理效果好，可去除水中的各种细菌、泥沙、纤维、油污、乳化液等；

2）处理时间极短，仅需2～3秒；3）不需沉淀池，节省大量土地；

4）寿命长，一次投入可连续使用5～8a；5）结构紧凑，使用方便，无需复杂的预处理系统。

3 多孔陶瓷膜过滤参数及数据

在实际过滤控制过程中，进入陶瓷膜的溶液的膜面流速很重要。对于高浊度溶液，设备的运行参数一般设定为：过滤时间1h，反冲时间1～3 s，过滤压力0．1～0．2MPa，反冲压力0．4～0．5 MPa，较高温度。

衡量陶瓷膜过滤系统膜通量的主要指标是通量递减率α，即一定时间内通量的变化为

通量变化率为

如这两个指标都稳定，表明该高浊度溶液容易过滤；否则，难以过滤。

一般来说α＜0．5和V＜10%表明过滤容易。

4 多孔陶瓷膜在高浊度溶液处理中的应用

4．1 多孔陶瓷膜在水处理领域中的应用

多孔陶瓷膜设备可以处理江、河、湖泊中泥沙含量较高的水，可在短短几秒内将浊度高达2 000 NTV的水处理成浊度＜1NTV的纯净水。由于设备本身自带定时冲洗装置，因此设备不易堵塞，可使用多年。

我国的某些海域水质相当浑浊，如舟山群岛领域、连云港周边水域、珠江口入海水域等。在这些海域中，要使用反渗透膜进行海水淡化时，必须在预处理时，将浑浊海水的浊度降至1NTV以下。若采用陶瓷膜预处理系统，则可直接进行处理，且效果很好。

4．2 多孔陶瓷膜在湿法冶炼中的应用

目前，国内镍、钴、铜的湿法冶炼工艺中，电解上清液的处理还没有更好的办法，传统方法都是采用滤布过滤，普遍存在“穿滤、跑混”现象，且滤布使用寿命短。如采用多孔陶瓷膜过滤设备则可避免这些问题。目前，国内金川公司、浙江华友公司等均已采用多孔陶瓷膜设备进行生产，效果很好。

5 总结

采用由多孔陶瓷膜制备过滤系统处理高浊度溶液具很好效果，其优点为：不易堵塞，过滤分离效率高；膜层为无机材料制成，耐磨性好，使用寿命长，可用5～8a；与有机膜相比，耐高温，特别适合处理高温原液（如发电厂的循环冷却水，温度较高的生物发酵液，电解液等）；化学稳定性极佳，耐酸，耐碱，抗氧化，耐有机溶液，抗生物降解；孔径分布窄，分离精度极高，可达纳米级过滤；易清洗，可以用药剂清洗或高温消毒，也可反向冲洗。

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