多孔陶瓷治污

環境污染對我國的經濟發展和人民身體健康都具有重大影響。據統計，因環境污染造成的經濟損失占國民生產總值的8％～15％，人民付出的健康代價更是無法估算。僅在北京，70％～80％的癌癥病因與環境有關，尤其是肺癌，已經成為居民的第一大死因。隨著科技的發展，有效治理與抑制日趨嚴重的環境污染，治理廢水、廢氣、噪聲更多地依賴高技術材料。

多孔陶瓷及改性濾料就是這樣一種材料。

什么是多孔陶瓷

多孔陶瓷是一種含有氣孔的固體材料，作為新型功能材料，它結合了多孔材料的高比表面積和陶瓷材料的理化穩定性，具有一定尺寸和數量的孔隙結構。多孔陶瓷材料的發展始于19世紀70年代，初期僅作為細菌過濾材料使用。隨著科學技術的發展，人們控制其孔徑、孔的形狀、孔隙率、孔徑分布、容重的能力不斷提高，因而多孔陶瓷日益成為一種重要的環境材料，在許多領域都得到了應用。

多孔陶瓷一般可根據其孔穴排列方式、孔的大小、材質來分類。根據孔穴排列方式可分為蜂窩陶瓷材料和泡沫材料，而后者還可進一步分為開孔(或網狀)及閉孔陶瓷材料：據孔的大小可分為微孔材料(孔隙直徑小于2納米)、介孔材料(孔隙直徑介于2～50納米)、宏孔材料(孔隙直徑大于50納米)；根據材質可分為高硅質硅酸鹽材料、鋁硅酸鹽材料、精陶質材料、硅藻土質材料、剛玉和金剛砂材料、堇青石材料、采用工業廢料的材料。

多孔陶瓷有何特點

多孔陶瓷濾料化學穩定好，選擇適宜的材質和工藝，可制成耐酸、耐堿的多孔制品，并且不會與其他物質發生化學反應，從而造成二次污染；孔隙率高，可達20％～95％，且孔徑分布均勻和大小可控，滲透率高；強度高，剛性大，在沖擊壓力作用下不引起外形變化和孔徑變形；熱穩定性好，不會產生熱變形、軟化、氧化現象等，工作溫度可高達1000℃；自身潔凈狀態好，無毒無味、無異物脫落，不會產生二次污染；體積密度小，具有發達的比表面積及其獨特的表面特性，能吸附濾除大量微小的懸浮物，對液體和氣體介質有選擇透過性；再生性強，通過用液體或氣體反沖洗，可基本恢復原有過濾能力，從而具有較長的使用壽命，同時抗菌性能好，不易被細菌降解。

這些優良的性質確保了多孔陶瓷在眾多領域中的應用優勢。一般在保證機械強度、化學穩定性、熱穩定性的基礎上，盡可能要求較高的孔隙率、較大的比表面積、較窄且均勻的孔徑。

多孔陶瓷在污染治理中的應用

由于多孔陶瓷具有許多優良特性，因而成為一種很有發展前途的生態環境材料，并在環境治理中得到了廣泛應用。

多孔陶瓷具有特殊的結構，當濾液通過時，其中的懸浮物、膠體物和微生物等污染物質被阻截在過濾介質表面或內部，同時附著在污染物上的病毒等也一起被截留。這一過程是吸附、表面過濾和深層過濾相結合的過程，且以深層過濾為主。由于孔結構發達，因而多孔陶瓷的比表面積較大，能夠吸附水中微小的懸浮物，主要以物理吸附為主。表面過濾主要發生在過濾介質的表面，多孔陶瓷起一種篩濾的作用，大于微孔孔徑的顆粒被截留，被截留的顆粒在過濾介質表面產生架橋現象，形成了一層濾膜，這層濾膜也能起到重要的過濾作用，可防止雜質進入過濾層內部將微孔很快堵塞。深層過濾發生在多孔陶瓷內部，由于多孔陶瓷孔道的迂回，加上流體介質在顆粒表面形成的拱橋效應，慣性沖撞如布朗運動的影響，因此其過濾精度比本身孔徑小得多，對液體介質約為多孔陶瓷孔徑的1/5～1/10，對氣體介質約為孔徑的1/10～1/20。

目前，多孔陶瓷在廢水、廢氣治理中得到了廣泛應用。如處理鍋爐濕法除塵廢水、重金屬廢水，處理高溫含塵氣體除塵。

噪聲是除水污染、大氣污染、固體廢物污染之外的第四大公害，給人們的日常生活帶來了極大的影響。多孔陶瓷具有相互貫通的孔穴且與外界連通，又具有較高的機械強度，因此可作為一種優良的吸聲材料。吸聲機理是當聲波進入孔穴時，可引起孔穴中的空氣來回運動，由于空氣的粘滯性會產生相應的粘滯阻力，從而將聲能轉化為熱能。另外，由于孔穴內的空氣與多孔陶瓷的骨架不斷發生熱交換也將聲能轉化為熱能。作為隔音降噪材料，多孔陶瓷可用于高層建筑、地鐵、隧道等防火要求極高的場合，以及電視發射中心、電影院等有較高隔音要求的地方。

現代工業生產和生活中排放的廢熱所造成的環境污染被稱為熱污染，目前人們還未充分認識到它的危害，常常對其熟視無睹。控制熱污染的措施之一是防止熱量的散失，而多孔陶瓷由于熱穩定性好、熱導率低、氣體吸收小、比熱容低等特性，使其成為傳統的保溫隔熱材料。若將其內部抽成真空，那么多孔陶瓷將成為目前世界上最好的隔熱材料——“超能隔熱材料”。因而能很好地防止熱量的損失而引發熱污染。

未來應用領域

目前，水資源緊缺及污染嚴重是人類發展面臨的嚴峻問題，我國的水資源人均占有量在全世界排在倒數幾位，水環境惡化日甚一日，不少河流受到污染。水資源的嚴重現實使各國加快了對再生水處理技術的研發。多孔陶瓷在此領域的應用正逐漸為人們所關注。

飲用水的處理

過濾是自來水廠必不可少的一個操作單元，常用濾料是石英砂，但它具有孔隙率低、易板結等缺點，筆者參與了在湖北省孝感自來水公司進行的陶瓷濾料代替石英砂實驗。兩年的實驗結果顯示：新型陶瓷濾料是一種可調節粒徑和比重的高強度濾料，實現了長達72小時過濾周期、出水濁度0.3NTU以下的正常運轉(而石英砂過濾周期一般為24～48小時、出水濁度0.4～1.5NTu)：在濾層厚度相同時，陶瓷濾料的去污效率高達85％以上，遠大于石英砂的去除效率：從水廠反沖時間看，陶瓷濾料反沖所需時間要比石英砂濾料反沖時間短，可節省沖洗水量和動力消耗，每年可以節省日常運行費用41％。

工業廢水的處理

對山東魯梅絲業公司生產廢水進行的實驗性處理結果顯示：新型陶瓷濾料延長了過濾周期2.5倍，節省了反沖洗耗水、耗電約60％，同時回用水量增加了120千克／天；延長了后續活性炭的吸附周期，因而節省了活性炭費用。

油田采出水的處理

原油從地下采出經三相分離器分離后產生的廢水稱之為油田采出水，目前常用來回注。此種廢水的主要污染物是油類與懸浮物(SS)，若不加處理回注可起鉆井及管道堵塞，若外排則油膜浮于水面上阻礙水體的復氧過程而降低其自凈能力。我們用此陶瓷濾料改性處理此類廢水可使油的去除率達90％以上，SS的去除率達96％，出水能滿足SY/T5329—94標準中的A1級標準，即含油量≤5.0毫克／升，懸浮物≤1.0毫克／升。

微污染水的處理

微污染水是針對有機污染提出的一個概念。微污染水中天然有機物(主要是腐殖酸)是三鹵甲烷(THPs)的前驅物質，此前驅物質經加氯消毒后會生成具有“三畸”作用的各種THPs，嚴重危害人體健康。專家正在研究將二氧化鈦固定于多孔陶瓷濾球上，利用紫外光照射使二氧化鈦產生具有氧化還原作用的光生電子一空穴對，從而將有機物礦化成二氧化碳與水。

責任編輯 趙 菲