陶瓷膜在水處理中的發展與應用

摘 要 介紹了無機陶瓷膜的結構、原理及特性；綜述了陶瓷分離膜技術的發展過程及其內外發展現狀；分類介紹了其在給水處理、海水淡化、廢水處理等方面的應用研究及進展；最后討論了陶瓷膜在水處理應用中存在的問題及發展趨勢，指出其在水處理中具有良好的應用前景。

關鍵詞 無機膜 陶瓷膜 膜分離 水處理

一、結構及過濾原理

陶瓷膜也稱CT膜，是固態膜的一種，是以多孔陶瓷為載體支持體、微孔陶瓷膜為過濾層的陶瓷質過濾分離材料，主要材質是Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2等無機材料，呈管狀及多通道狀，管壁密布微孔，其孔徑為0.004～15 €%em。陶瓷膜按用途可分為微濾（MF）膜、超濾（UF）膜、納濾（NF）膜、反滲透（RO）膜等；按結構可分為對稱陶瓷膜和不對稱陶瓷膜，其中不對稱陶瓷膜至少由兩層構成，在某些情況下可由三層以上構成，如圖1所示。這類不對稱結構的目的是要構成一種無缺陷的分離層，同時又減少膜的液壓阻力，并保障膜的機械強度。支撐體層的厚度一般約為幾個毫米，孔徑范圍大約在1～10 €%em；中間過渡層的厚度一般為10～100 €%em，孔徑范圍常在50～100 nm；過濾層（陶瓷分離膜）是很薄的，厚度約為1～10 €%em，孔徑常在100 nm以下。陶瓷膜亦可為多層，層數越多，微孔梯度變化愈平緩，其抗熱震性越好，降低過濾層（膜）的厚度，其過濾分離效果可優于高分子膜。

二、陶瓷膜在水處理中的應用

（一）在給水處理中的應用

微孔陶瓷膜分離技術在給水處理中的應用始于20世紀80年代初期，特別是在歐洲一些國家，如法國、意大利等在這些方面的實踐工作更是走在世界前列。用微孔陶瓷膜進行給水處理的優點是能夠保證更好和更可靠的水質，不用化學物質，特別適合于高附加值產品。陶瓷MF膜和陶瓷UF膜處理地表水制備飲用工業水處理2011- 10，31（10）專論與綜述16水已在歐洲應用多年，近年來陶瓷膜與吸附集成凈水技術在我國已開始應用，以陶瓷膜為核心的集團式凈水器和家用凈水器可以采用加熱的方法進行消毒處理，具有廣闊的發展前景。在國內，山東工業陶瓷研究設計院研制的孔徑為4.3 €%em的微孔陶瓷膜，對總菌數為31 500 mL-1，大腸菌群230 mL-1的原水處理后，得到的處理水水質也優于國家飲用水標準。

（二）在海水淡化中的應用

反滲透海水淡化目前已成為海水淡化最主要的方法之一。目前反滲透海水淡化工程預處理的方法主要有多介質過濾和有機膜超/微濾。傳統的多介質過濾不能完全去除膠體和懸浮物質，出水水質易產生波動，從而降低反滲透膜的產水能力和壽命；有機膜超/微濾法預處理存在有機膜易老化、斷絲等難題，同時由于我國海水水質較差，大多數有機膜使用壽命不足3 a。與上述兩種方法相比，陶瓷膜具有孔徑分布窄、孔隙率高、分離層薄、過濾阻力小等優點，而且單位膜表面積處理量高、產水能力大，膜的化學性質穩定，可以在海水中長期穩定運行，

更適用于海水淡化預處理。在國家“863”計劃的支持下，南京工業大學膜科學技術研究所針對我國海水水質特點，開發出蜂窩狀和多通道海水淡化預處理陶瓷膜。截至2009年9月，日處理量150 t的陶瓷膜海水淡化預處理示范裝置在舟山成功運行，各項水處理指標均達到海水淡化要求，標志著我國陶瓷膜海水淡化預處理工藝基本成熟。目前，南京工業大學正在進行日處理量1 000 t以上的陶瓷膜海水淡化預處理示范工程建設，以進一步考察陶瓷膜的各項指標。

（三）在廢水處理中的應用

近年來，由于全球水資源緊缺，將陶瓷膜分離技術應用于廢水的處理和再利用顯得更加重要。從材料特點考慮，由于陶瓷膜可以在苛刻的條件下進行長期穩定的分離操作，這也決定了它在水處理領域應用的主要方向是廢水處理，特別是工業廢水的處理。目前陶瓷膜主要用于含油廢水、化工及石化廢水、印染廢水、生活污水及放射性廢水等的處理。

1、生活污水的處理

在各類水體污染源中，生活污水也占相當大的比例，這類污水污染程度不高，但水量較大，如能處理后循環使用，對保護淡水資源、提高水的利用率是十分有益的，特別是在水缺乏地區。E. Trouve等報道了采用陶瓷膜生物反應器處理生活污水的半工業性中試試驗結果。國內也開展了一些研究，邢傳宏等對膜生物反應器處理生活污水進行了研究，采用的是氧化鋯超濾膜，切割相對分子質量300 000，研究表明，膜生物反應器處理生活污水效果好，COD、NH3-N和濁度的去除率分別超過96%、95%和98%，對SS及大腸桿菌的去除率達100%，出水水質穩定，優于建設部雜用水水質標準。

2、其他廢水的處理

無機陶瓷膜分離作為新型的膜分離技術，在各個領域的廢水處理中都有不俗的表現，其對印鈔廢水、含重金屬廢水、垃圾滲濾液及冶金廢水等的處理也同樣取得了很好的效果。另外，陶瓷工業廢水中含有黏土、砂以及釉料等，采用陶瓷膜處理可使其中的固體截留物返回生產過程，同時使得水能夠循環使用。

造紙和紡織染色工程均以水為介質，而且往往需要一次或多次水洗，用水量比較大，排放的廢水對環境污染嚴重。在印染過程各工序排出的廢水含有的主要污染物為：懸浮物、BOD、COD、還原漂白劑、重金屬（如鉛、鉻等）以及色度等，同時處理的難度很大。

三、結語

無機陶瓷膜的研究雖取得了很大進展，但若使之在廢水處理領域乃至工業中得到更廣泛的應用，仍然有許多關鍵的問題值得研究和探討，主要包括以下幾個方面：（1）成本問題，必須開發低價高性能的膜材料；（2）改善制膜工藝，提高透過速率和膜的分離效果，長時間維持膜通量的穩定性；（3）有限的膜品種和復雜的應用過程的匹配問題，同時需擴展無機陶瓷膜的應用范圍及深度；（4）克服膜污染，并提高反洗效率等。隨著科技的不斷進步和世界各國對環境保護問題的日益關注，以及對滿足精確控制條件的高性能過濾裝置的需求，無機陶瓷膜在廢水處理以及各領域中的應用會越來越廣泛，多孔陶瓷材料產業也將會迎來更好的發展前景。

（作者單位：沈陽建筑大學市政與環境工程學院）