陶瓷膜在水处理中的应用研究

肖永辉 齐宏丽

【摘 要】陶瓷膜具有化学稳定性好、耐酸碱、分离性能高、抗污染性强等优点，在水处理领域有着广泛的应用。重点介绍了陶瓷膜在饮用水、海水淡化、各行业污水处理中的应用研究，概述了当前水处理领域陶瓷膜制备以及陶瓷膜低成本化方面的研究进展，并对水处理陶瓷膜应用的瓶颈性问题进行了讨论

【关键词】陶瓷膜；饮用水；海水淡化；污水

1.陶瓷膜在饮用水处理中的应用

陶瓷膜应用于给水处理始于20世纪80年代初期，主要应用于欧洲一些发达国家。地表水是饮用水水源的主要组成部分，传统的自来水生产工艺为混凝—过滤—消毒，可去除水中大量的悬浮物和细菌。用微孔陶瓷膜进行给水处理的优点是能够保证水质，不用化学物质，特别适合于高附加值产品；另一个重要特点是陶瓷膜可以和传统的饮用水净化工艺有机结合，成为饮用水厂的补充工艺及深度处理工艺，保障了水厂供水安全性。近年来，陶瓷膜已形成与混凝、吸附、氧化等传统工艺集成的净水技术，组合工艺得到的处理水质优于国家饮用水相关标准，展示了无机膜在饮用水处理应用中的广阔前景[1]。Zhang等[2]模拟陶瓷膜污染行为发展了一种“滤饼层坍塌”污染模型，该模型综合考虑污染絮体的分形维数、伸缩率、配合指数、絮体尺寸等因素。模拟结果发现，滤饼层孔隙率由絮体间孔隙与絮体内孔隙构成，在陶瓷膜过滤过程中滤饼层的坍塌是造成膜污染的重要因素，配合指数是该模型研究膜污染的重要参数。

2.陶瓷膜在海水淡化中的应用

海水淡化中膜分离是其核心技术。由于海水水质和含盐量高等特点，无机膜微滤是更适用作为海水淡化的预处理元。南京工业大学膜科学技术研究所最早研究陶瓷膜海水淡化处理工艺，已取得了一定的成果，截至2009 年9 月，日处理规模为150 m3的陶瓷膜海水淡化预处理示范装置已在舟山成功运行，各项出水水质指标达到海水淡化反渗透进水水质要求[1]。Zhu等[3]利用晶种二次增长技术制备了MFI型沸石反渗透膜用于处理盐水，当过滤压力为7 MPa时，过滤通量为4 L m-2 h-1，盐截留率为80 %，UV254去除率高达90 %以上。长期运行结果表明，MFI型沸石反渗透膜抗污染性能良好，耐氯性高，可用于海水淡化。

3.陶瓷膜在废水处理中的应用

3.1生活污水处理

在各类水体污染源中， 生活污水占相当大的比例，如能处理后循环使用，对保护淡水资源、提高水的利用率是十分有益的。污水深度（ 回用） 处理以有机膜为主，但是普遍存在通量小、膜污染现象严重、不易清洗、运行维护困难、膜使用寿命短等现象。Li等[4]利用相转化与高温烧结相结合技术制备出三种具有指状孔、海绵状孔的氧化铝中空纤维微滤膜，用于处理污水。氧化铝中空纤维微滤膜在过滤压力为0.1MPa时，污水的过滤通量最高可达1874 L m-2 h-1，可用于污水的长期处理。

3.2含油废水处理

油在水中主要以游离态、乳化态和溶解态的形式存在，无机膜可处理游离态和乳化态的含油废水，具有耐腐蚀、出水水质好、通量大、使用寿命长等优势。Kumar等利用粘土、高岭土、碳酸钙等廉价矿物材料挤压成型、烧结制备多孔管式陶瓷膜，无需任何有机添加剂。该陶瓷膜孔隙率高达53%，平均孔径0.309 μm，水渗透通量为5.93×10-7 m/s kPa，可用于处理含油废水。另外发现，滤饼层形成是导致陶瓷膜污染的最大贡献者。Lu等研究了含油乳化液经表面活性剂稳定化处理后的陶瓷膜滤过程不可逆膜污染机理；结果表明，含油乳化液的稳定化处理对于减轻陶瓷膜的不可逆污染至关重要。

3.3化工废水处理

在化工及石油化工行业中往往产生一些具有强酸、强碱或强腐蚀性的废水，无机膜因其优异的化学稳定性而在处理这些废水时具有独到的优势[5]。采用α-Al2O3陶瓷膜处理硫酸法钛白粉生产中产生的废酸、废水的实验研究结果表明，采用陶瓷膜装置处理此类废酸、废水具有性能稳定、再生容易、操作成本低等突出优点，具有明显的社会经济效益。采用平均孔径为0.2μm的氧化锆陶瓷膜脱除焦化废水中的焦粉，焦粉去除率达到95%，气顶液反冲有利于延迟膜的污染，采用表面活性剂加酸液清洗，膜通量恢复快，并且稳定性好。

3.4冶金炼钢废水处理

钢铁冷轧生产废水成分复杂，有机物含量高，且含有大量的表面活性剂和油类等物质，采用一般的处理方法难以达到理想效果。基于无机膜的优异性质，目前已成功应用于宝钢和攀钢冷轧乳化液废水的处理。刘巍等[1]利用无机陶瓷膜处理鞍钢冷轧废水，其中分子质量较小的水、盐等可以通过并达标排放，分子质量较大的油类、胶体和悬浮物则被截留并浓缩，达到分离效果。

4.结论

陶瓷膜分离技术优势明显，在水处理中已部分取代有机膜，特别是在复杂、苛刻环境下的水处理过程。水处理陶瓷膜还存在以下问题：（1）成本较高，须开发廉价、高性能的膜材料；（2）制膜工艺复杂，需提高透过速率和膜的分离效果，长时间维持膜通量的稳定性；（3）膜品种有限，应用过程中匹配性复杂，需扩展陶瓷膜的应用范围及深度；（4）膜污染问题。水处理陶瓷膜制备技术以提高陶瓷膜整体性能为目的，通过调控陶瓷膜微结构可实现陶瓷膜制备技术的突破。水处理陶瓷膜制备技术研究将引领和推动陶瓷膜技术及产业的发展，缓解水厂升级改造、提升水质品质的瓶颈压力。

【参考文献】

1.赵维春， 徐晓波. 无机膜分离技术在水处理中的應用研究. 中国给水排水， 2015（10）： 38-40.

2.Zhang， W.， et al.， Effects of Cake Collapse Caused by Deposition of Fractal Aggregates on Pressure Drop during Ceramic Filtration. Environmental Science & Technology， 2011. 45（10）： 4415-4421.

3.Zhu， B.， et al.， Application of robust MFI-type zeolite membrane for desalination of saline wastewater. Journal of Membrane Science， 2015. 475： 167-174.

4.Lee， M.， et al.， Micro-structured alumina hollow fibre membranes – Potential applications in wastewater treatment. Journal of Membrane Science， 2014. 461： 39-48.

5.秦伟伟， 宋永会， 肖书虎， 等. 陶瓷膜在水处理中的发展与应用. 工业水处理， 2011（10）： 15-19.