陶瓷膜凈水研究進(jìn)展

趙元琛

摘? 要：膜技術(shù)在凈水保障領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。與有機(jī)膜相比，陶瓷膜具有物化性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度大等特點(diǎn)，在凈水組合膜工藝中優(yōu)勢(shì)明顯，逐漸成為一個(gè)重要的研究和應(yīng)用方向。文章介紹了當(dāng)前幾種主要的陶瓷膜凈水組合工藝的原理與特點(diǎn)，并對(duì)其未來發(fā)展方向和大規(guī)模應(yīng)用提出建議。

關(guān)鍵詞：陶瓷膜：凈水;組合工藝

中圖分類號(hào)：TU991.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0110-02

Abstract： Membrane technology has a broad application prospect in the field of water purification. Compared with organic membrane， ceramic membrane has the characteristics of stable physicochemical properties and high mechanical strength， and has obvious advantages in the process of water purification composite membrane， which has gradually become an important trend of research and application. In this paper， the principles and characteristics of several main combined processes for water purification of ceramic membranes are introduced， and some suggestions for their future development and large-scale application are put forward.

Keywards： ceramic film： water purification; combination process

1 概述

膜分離技術(shù)在當(dāng)前凈水處理領(lǐng)域已得到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。由于膜分離具有疏水性吸附、靜電排斥及空間位阻排斥等作用，能有效去除飲用水原水所含有的懸浮顆粒、膠體、細(xì)菌病毒、蛋白質(zhì)、腐殖酸等污染物。[1]

根據(jù)制膜材料，一般將凈水處理膜分為有機(jī)膜和無機(jī)膜兩個(gè)大類。與有機(jī)膜相比，無機(jī)膜具有機(jī)械強(qiáng)度大、化學(xué)穩(wěn)定性高、孔徑分布集中、抗污性能強(qiáng)等特點(diǎn)，這為膜的長(zhǎng)期運(yùn)行和水力或化學(xué)反沖洗、吸附、預(yù)氧化和預(yù)混凝等工藝聯(lián)用提供了保障。同時(shí)，隨著加工工藝不斷進(jìn)步，其制備成本隨之降低，在國內(nèi)外市場(chǎng)上已經(jīng)逐步占據(jù)更重要的地位。[2]

陶瓷膜（Ceramic Membrane）是無機(jī)膜中的一種，屬于膜分離技術(shù)中的固體膜材料，是以無機(jī)陶瓷材料如氧化鋁（Al2O3）、二氧化鈦（TiO2）、氧化鋯（ZrO2）或二氧化硅（SiO2）等[3]經(jīng)表面涂膜、高溫?zé)Y(jié)、擠壓成型等工藝而形成。

本文主要對(duì)當(dāng)前幾種主要陶瓷膜的凈水組合工藝展開總結(jié)與介紹。

2 陶瓷膜與混凝工藝聯(lián)用

混凝是膜法水處理常用的預(yù)處理工藝，原水中污染物在混凝劑作用下脫穩(wěn)聚集，形成絮體，進(jìn)而在后續(xù)膜表面形成多孔的濾餅層，有利于污染物的截留與吸附。同時(shí)，由于陶瓷膜膜孔徑小，混凝過程不需要形成較大礬花，可以節(jié)省藥劑劑量與工藝流程時(shí)間，原水中的微生物、部分有機(jī)物由于吸附在礬花表面得以被陶瓷膜去除。[4]另一方面，停留在膜表面上的絮體會(huì)對(duì)待處理水體中的有機(jī)物產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用，能夠部分抑制不可逆污染的產(chǎn)生，提升膜的抗污能力[5]，進(jìn)一步對(duì)組合工藝的長(zhǎng)期有效運(yùn)行產(chǎn)生了積極的作用。

大量研究發(fā)現(xiàn)，原水水質(zhì)狀況、混凝時(shí)間、混凝劑的種類與劑量，以及膜本身特性等因素均能夠?qū)δの廴咎匦院统鏊幚硇Чa(chǎn)生影響。有時(shí)過少的混凝劑不足以形成合適的礬花，而加藥量過大也可能導(dǎo)致出水泄漏，加劇污染。而膜孔徑過大會(huì)導(dǎo)致無效截留，膜孔徑過小則會(huì)面臨反沖洗過于頻繁的后果。因而根據(jù)原水水質(zhì)，應(yīng)妥善進(jìn)行混凝劑與陶瓷膜的選型。

混凝/陶瓷膜工藝除了對(duì)常規(guī)有機(jī)污染物的去除效果較好外，它還對(duì)病毒、可溶性藻類、消毒副產(chǎn)物前體物質(zhì)嗅味物質(zhì)有一定的去除能力。這主要可以歸功于混凝形成的絮體以及膜表面疏松多孔的泥餅層對(duì)這些物質(zhì)的截留吸附能力[6]。在陶瓷納濾膜方面，也有研究證明了工藝也可以去除部分金屬離子。[7]

其他研究還包括預(yù)氧化/混凝/陶瓷膜聯(lián)用工藝機(jī)理探索、絮體形態(tài)和工況條件分析等對(duì)組合工藝的影響等，此方向研究空間較廣，在應(yīng)用上實(shí)踐性很強(qiáng)。

3 陶瓷膜與吸附工藝聯(lián)用

對(duì)于飲用水處理普遍應(yīng)用的低壓膜系統(tǒng)工藝，膜污染可以歸納為兩種類型：（1）過濾導(dǎo)致粒徑大于膜孔徑的顆粒物或大分子物質(zhì)在膜的外部沉積，形成泥餅層，這種污染通常是可逆的。（2）吸附導(dǎo)致較小粒徑的顆粒物或溶解性有機(jī)物（如腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)等）附著在膜的表面或膜孔中，這種附著作用取決于顆粒和膜之間的特定分子間相互作用，往往造成不可逆的污染[8]。

膜前設(shè)置吸附預(yù)處理正是利用吸附劑吸附原水中的小分子、溶解性有機(jī)物，再通過后置陶瓷膜的截留作用攔截投加的吸附劑，從而達(dá)到去除污染物的同時(shí)減輕膜的不可逆污染的效果。吸附劑一般選用的是不溶于水、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、比表面積較大的多孔材料，它在膜表面上更容易形成疏松多孔的泥餅層，有效阻止污染物與膜的接觸，降低膜污染負(fù)荷。[5]

吸附法使用的吸附劑可以是粉末活性炭或固體氫氧化鎂等。一般凈水處理多使用活性炭，應(yīng)急處理或污廢水處理中可能會(huì)利用到氫氧化物。也有學(xué)者對(duì)氧化鐵展開過研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)水中天然有機(jī)物（NOM）有較好的吸附效果。[9]使用活性炭時(shí)，活性炭表面有可能會(huì)滋生微生物，進(jìn)而在陶瓷膜表面形成生物膜。生物膜有利于有機(jī)物的生物降解，但也可能造成生物泄漏以及泥餅層過于密實(shí)導(dǎo)致通量快速下降的弊端。[10]目前此種方法對(duì)污染的影響尚不明確，實(shí)際應(yīng)用前應(yīng)進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)確定合適運(yùn)行參數(shù)。