多孔陶瓷在環境保護中的應用

摘要：多孔陶瓷材料具有各種優良的性能，在水污染、大氣污染的治理及固體廢棄物的利用方面有著廣泛的應用。本文重點介紹了堇青石蜂窩陶瓷、多孔碳化硅、陶瓷分離膜的特性，以及它們在環境保護中的應用。

關鍵詞：環保 多孔陶瓷 蜂窩陶瓷 陶瓷分離膜

1 前言

環境問題已經成為國際社會日益關心的重大問題，工業廢水、廢氣的排放嚴重影響著人們的生產和生活。陶瓷材料具有各種優良的性能，在水污染、大氣污染的治理及固體廢棄物的利用方面有著廣泛的應用。陶瓷材料與環境保護之間存在著許多共同領域，在環境保護中起到了極為重要的作用。

2多孔陶瓷與環境問題

多孔陶瓷具有優異的熱特性(熱膨脹、熱傳導、熱擴散等)、機械特性(彈性模量、強度等)、抗化學腐蝕性以及質輕等特性，近年在環境保護中廣泛應用，例如各種過濾器(氣體分離、固體分離、除菌、除塵等)、催化載體、吸音材料、輕質建材、絕熱材料等[2-5]。

2.1排氣凈化用多孔性堇青石蜂窩陶瓷

美國于上世紀70年代，針對大氣污染嚴重的汽車排氣制定了劃時代的馬斯基法。該法至今仍是汽車排氣規定的重要基礎。目前，排氣中的HC、CO、NOx的量比未規定時減少約1/10，今后的目標是減少到現狀的1/3水平。中國的一些大城市，如北京、廣州、上海都相繼出臺了汽車尾氣排放標準。

汽車尾氣凈化器采用薄壁堇青石質蜂窩陶瓷載體，載體表面涂覆貴金屬、稀土元素、過渡金屬等復合制成的催化劑，將汽車尾氣中的CO、HC、NOx等有害成分，通過催化分解變成無害的CO2、H2O和N2等氣體，達到國家規定的排放標準。產品具有尺寸規整、比表面積大、導熱快、抗壓強度高、熱膨脹系數低、熱穩定性好等性能。

蜂窩陶瓷以及催化劑的開發對汽車排氣凈化作出了很大的貢獻。汽車尾氣凈化器用蜂窩陶瓷要求材質膨脹系數低、耐溫性好，因此堇青石是首選材質。催化劑多以貴金屬Pt、Rn、Pd等組成，我國還開發了稀土氧化物催化劑。堇青石蜂窩陶瓷的氣孔率一般在20%～60%，標準氣孔率為35%。一般堇青石蜂窩體網眼密度有400孔和600孔兩類，壁厚分別為6密耳 (150μm)和4密耳(100μm)。目前正在開發900孔及壁厚為2密耳(50μm)的堇青石蜂窩體。堇青石蜂窩陶瓷的孔壁向薄型化發展的同時，其蜂窩體的直徑向大型化發展，即最大直徑從100mm向150mm、300mm發展，以提高效率并適應大排氣量的凈化需要。這種大型堇青石蜂窩陶瓷凈化器已在大型載重汽車、柴油發動機排氣上得到應用，也適用于壓縮天然氣(CNG)發動機或乙醇發動機排氣凈化。

2.2多孔質碳化硅

柴油清潔排放系統（Diesel Particulate Filter簡稱DPF）的關鍵材料是純SiC蜂窩陶瓷材料。這是目前唯一能滿足歐Ⅳ、歐Ⅴ排放標準的蜂窩陶瓷。它可以清除汽車尾氣排放中96.5％以上的顆粒，包括極細的微粒。使汽車尾氣排放顆粒率指標達到歐Ⅳ以上的標準，同時也廣泛應用于其它領域，如廢氣、廢煙環保處理。捕集器采用蜂窩式結構，它的工作原理為：在兩端設有獨立的敞開與堵塞的通道，廢氣從敞開的一端進入，穿越多孔的蜂窩壁，然后從相鄰通道排出，煙灰顆粒由于過大，而無法穿越壁孔，因而被收集在通道壁上，而不會被排放到空氣中。該捕集器將會定期再生和加熱，以消除煙灰，從而保持清潔。

（1） 多孔SiC的特點

多孔SiC具有均勻的立體網狀結構；氣孔率高，可達85%，有大的連續孔；導電性好，壓力損失小；通電可發熱(比電阻小，室溫1～2Ω·cm)；耐溫高，可達200℃；導熱率高，6～8W/m·K；優良的抗化學腐蝕性；切割、鉆孔等冷加工容易；與流體的接觸面積大。

（2） 多孔SiC的用途

1） 用于柴油機油煙捕集過濾器：柴油機的排氣中含有浮游顆粒物質和NOx，他們是造成大氣污染的原因之一。多孔SiC捕集過濾效率比堇青石蜂窩陶瓷要好。

2） 用于廢氣處理：家庭和飲食店廚房從排氣口排出的煙和油霧等廢氣也是大氣污染源之一。對于這類廢氣的處理，可在排氣口裝多孔SiC分解器，通電加熱(＜400℃)廢氣就可分解。

3） 作為催化劑載體：因為多孔SiC導熱率高、化學穩定性好，所以可用作催化劑載體。

2.3陶瓷分離膜

陶瓷膜是以無機陶瓷材料經特殊工藝制成的非對稱膜，呈管狀及多通道狀，管壁密布微孔。它主要是依據“篩分”理論，根據在一定的膜孔徑范圍內滲透的物質分子直徑不同則滲透率不同，在壓力作用下，原料液在膜管內或膜外側流動，小分子物質(或液體)透過膜，大分子物質(或固體)被膜截留而達到分離、濃縮、純化和環保的目的。

陶瓷分離膜技術與先前的分離技術相比具有小型化、節能、維護管理方便等特征。陶瓷膜的耐久性、抗化學腐蝕性、耐熱性及強度比一般有機膜優異。陶瓷膜的材質主要有A12O3、ZrO2、TiO2和SiO2等，氣孔率達40%～50%，抗彎強度＞35MPa。根據制備工藝不同，膜孔的孔徑可以做到40nm~15μm，適用于不同的應用領域。

將一些單個分離膜用收集水的頂蓋把膜的端部組合起來的整體稱為分離膜組件。隨無機膜制膜技術的快速發展，分離膜的適用范圍從超純水制造、藥品、食品領域發展到各種排水處理領域。在水處理時，可以反沖洗及化學試劑強力洗凈，所以過濾器的恢復性好，能夠長期安全運轉。

浸漬型陶瓷分離膜裝置適用于水處理，也可以在反應槽內進行活性污泥處理。把活性污泥法與浸漬型膜處理組合工藝稱為BIOREM；把凝聚法與浸漬型膜處理組合工藝稱為FILCERA，其分離過程是：把陶瓷分離膜組件浸漬在反應槽內，從其下部鼓氣，將攪拌氣泡上升流提供給膜表面，然后除去在陶瓷膜外側形成的粘結層(濾餅)等附著物。FILCERA工藝可用于凈水處理，BIOREM工藝可用于下水處理、小規模下水及合并凈水槽、農村積水排水處理以及有機系工業廢水處理等方面。

3結語

本文介紹了堇青石蜂窩陶瓷、多孔碳化硅、陶瓷分離膜在環境保護中的作用，堇青石蜂窩陶瓷多用于汽車尾氣處理，多孔碳化硅用于柴油清潔排放系統，陶瓷分離膜用于凈化水系統，它們在環境保護中起了重要作用，是大有可為的。隨著科學技術的不斷發展，陶瓷材料在環境保護領域將取得更多更有價值的研究成果，陶瓷在環境保護中將發揮更大的作用。

參考文獻

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