多孔陶瓷膜在高濁度溶液處理中的應用

錢均新

（江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司，江蘇 宜興 214221）

所謂高濁度溶液，是指溶液中懸浮物含量很高（固體質量分數＞0．2%）的溶液，一般指江河中泥沙含量較高的水，工業廢水（印染廢水，脫脂清洗液，金屬切削液），各種電解水，食品、醫療領域的含雜質水（生物發酵液，醬油，醋中的渣）。如何高效處理高濁度溶液已成為固液分離領域的一個新課題。對于高濁度溶液，傳統處理方法是絮凝沉淀法，但此法需占用大量土地來建絮凝池和沉淀池；絮凝和沉淀時間較長，效率低；且上清液濁度仍較高；溶液量大時，此法有很大局限性。

針對大量高濁度溶液，曾采用砂過濾、濾布過濾方法進行處理，雖然耗時較短，但處理后的水濁度仍然較高，不適合直接使用或作為反滲透系統的進液；如果溶液濁度非常高，很可能在短時間內將過濾器完全堵塞。而采用多孔陶瓷膜及錯流方法，可以在極短時間內降低高濁度溶液濁度，使溶液可返回使用［1－5］。

1 多孔陶瓷膜

1．1 多孔陶瓷膜的特點

多孔陶瓷膜作為膜過濾的關鍵元件，通常分為3層：外層的陶瓷材料為支撐體，外形為多孔圓柱體或多孔棱柱體，孔徑一般為10～30μm，孔隙率為40%～60%，其作用是增強膜的機械強度；中間層的孔徑比支撐層的小，其作用是防止膜層制作過程中顆粒向多孔支撐層滲透，堵塞微孔，影響過濾通量，孔隙率為35%～45%；最內層為膜層，即過濾層，其孔徑根據所處理的溶液可做成4 nm～10μm，孔隙率為40%～55%。整個膜的孔徑分布由支撐層到膜層逐漸減小，為不對稱分布，并經3次燒成，呈梯度微孔結構。這種膜的分離層基本無缺陷，不僅過濾阻力小，而且表面平整光滑不易粘連物料，抗污染性能好，便于化學清洗；孔徑分布均勻，具有較好的選擇透過性，分離效果好。單根陶瓷管的長度約為1m，且可根據需要制作不同的長度，如圖1所示。

圖1 各種孔徑的陶瓷管立面圖

高濁度溶液從多孔陶瓷膜的一端流入，從另一端流出，清潔的溶液則透過膜壁，從垂直于膜壁的方向流出，形成錯流，從而實現過濾的目的。

1．2 多孔陶瓷膜的制備

1）特種環形氧化鋁粉的制備：為確保陶瓷膜不易被污染、堵塞且易于清洗，研制出了專門的球形氧化鋁粉。這種氧化鋁粉外形呈球形或類球形，化學穩定性好，致密光滑無尖角，不易積垢，易于清洗。

2）多孔陶瓷支撐體（膜載體）的制備：很多陶瓷膜管的耐腐蝕性不強，所以使用壽命短且無法實際應用推廣，為此研制出高性能陶瓷支撐體，它耐強酸、強堿腐蝕，無缺陷，強度高，性能可靠，使用壽命長，這項技術達到國際先進水平。

3）膜過濾層的制備：要制備優質可靠的陶瓷過濾膜，必須先在微孔直徑10～30μm的多孔陶瓷支撐體的過濾通道表面覆蓋一層過濾膜，該過濾膜的厚度在15～30μm，微孔直徑在0．2～1．5 μm之間。

4）膜層（過濾控制層）的制備：在過濾層表面制備過濾膜層是決定膜過濾分離特性的關鍵。膜層厚度一般為3～10μm，微孔直徑為0．2、0．1及0．05μm等。具體規格根據過濾溶液特性要求選用。

2 多孔陶瓷膜設備

2．1 設備組成

根據錯流過濾原理，每套多孔陶瓷膜過濾設備由一臺陶瓷膜設備主機和電器控制柜組成。

系統包括供料系統、陶瓷膜精密過濾系統、自動反沖系統、清洗系統、電器系統、儀器儀表系統。

2．2 設備各系統說明

1）供料系統：為陶瓷膜精密過濾裝置提供穩定的料液 ，同時有一部分濃縮液返回循環罐進一步進行過濾處理。如果循環罐中的固體雜質含量較高、濁度較大，則循環罐中的部分料液輸入壓濾機中進行壓濾，除去大部分固體雜質，以減輕陶瓷過濾器的過濾壓力。

組成：循環罐，供料泵，閥門管路等。

2）陶瓷膜精密過濾系統：待過濾液由供料泵提供給循環泵，經循環泵增壓調壓后使具有一定膜面速度再進入膜組件進行液固分離，濾后清液（即滲透液）經過膜組件匯集（補加一定量萃余液）后送電積，濃縮液（渣液）在膜管內部往復循環。

組成：陶瓷膜組件，循環泵，支架，閥門儀表管路等。

3）自動控制反沖系統：過濾一定時間后，經過自動控制，快速切換相應閥門實現反清洗。反沖介質為壓縮空氣和少量濾后液。在正常過濾過程中，反沖罐中自動進入少量濾后液作為反沖液，反沖時由閥門的瞬間切換接通壓縮空氣把少量濾后液壓入陶瓷膜組件中實現高壓瞬時反沖，濃縮液繼續在膜組件中濃縮，可大幅度緩解陶瓷膜在過濾過程中的污染和堵塞，延長膜的使用壽命。

組成：反沖罐，氣動球閥，電磁換向閥，閥門儀表管路等。

4）清洗系統：陶瓷膜污染后的再生性能是衡量陶瓷膜過濾器性能好壞的重要指標。在長時間的過濾過程中，膜被污染是肯定的，關鍵是要找到適合工藝要求的清洗再生液。膜的再生是物理再生和化學再生共同作用的結果，對于具體項目，可根據過濾液的化學性能以及項目的整體工藝要求選擇具體再生液。如采用5%的稀硫酸溶液作為再生清洗液，隨著可溶性硫酸鹽的生成，陶瓷膜得到再生；剩余的一些附著于陶瓷膜表面和微孔中的不可溶性顆粒，由于可溶性硫酸鹽的溶解而松動，在反沖過程中，液體在瞬間高壓空氣推動下，擠壓管內液體而使顆粒受到沖擊而脫落，陶瓷膜隨之得到再生。此設備經過閥門切換，使膜組件得到在線酸洗再生。為了保護膜系統，每次生產之后或停機8h以上時，需將水或清洗液存放于系統中，避免膜干燥；夏天還應加入一定量次氯酸鈉進行消毒，以抑止細菌生成。

組成：純水罐，清洗罐，循環罐，閥門儀表管路等。

5）控制系統：整個設備由PLC全自動控制，根據現場實際需要，有自動／手動兩種控制方式。設備運行情況及運行參數均在觸摸屏上顯示。

組成：PLC，觸摸屏，電磁換向閥，強電。

2．3 設備優點

1）處理效果好，可去除水中的各種細菌、泥沙、纖維、油污、乳化液等；

2）處理時間極短，僅需2～3秒；3）不需沉淀池，節省大量土地；

4）壽命長，一次投入可連續使用5～8a；5）結構緊湊，使用方便，無需復雜的預處理系統。

3 多孔陶瓷膜過濾參數及數據

在實際過濾控制過程中，進入陶瓷膜的溶液的膜面流速很重要。對于高濁度溶液，設備的運行參數一般設定為：過濾時間1h，反沖時間1～3 s，過濾壓力0．1～0．2MPa，反沖壓力0．4～0．5 MPa，較高溫度。

衡量陶瓷膜過濾系統膜通量的主要指標是通量遞減率α，即一定時間內通量的變化為

通量變化率為

如這兩個指標都穩定，表明該高濁度溶液容易過濾；否則，難以過濾。

一般來說α＜0．5和V＜10%表明過濾容易。

4 多孔陶瓷膜在高濁度溶液處理中的應用

4．1 多孔陶瓷膜在水處理領域中的應用

多孔陶瓷膜設備可以處理江、河、湖泊中泥沙含量較高的水，可在短短幾秒內將濁度高達2 000 NTV的水處理成濁度＜1NTV的純凈水。由于設備本身自帶定時沖洗裝置，因此設備不易堵塞，可使用多年。

我國的某些海域水質相當渾濁，如舟山群島領域、連云港周邊水域、珠江口入海水域等。在這些海域中，要使用反滲透膜進行海水淡化時，必須在預處理時，將渾濁海水的濁度降至1NTV以下。若采用陶瓷膜預處理系統，則可直接進行處理，且效果很好。

4．2 多孔陶瓷膜在濕法冶煉中的應用

目前，國內鎳、鈷、銅的濕法冶煉工藝中，電解上清液的處理還沒有更好的辦法，傳統方法都是采用濾布過濾，普遍存在“穿濾、跑混”現象，且濾布使用壽命短。如采用多孔陶瓷膜過濾設備則可避免這些問題。目前，國內金川公司、浙江華友公司等均已采用多孔陶瓷膜設備進行生產，效果很好。

5 總結

采用由多孔陶瓷膜制備過濾系統處理高濁度溶液具很好效果，其優點為：不易堵塞，過濾分離效率高；膜層為無機材料制成，耐磨性好，使用壽命長，可用5～8a；與有機膜相比，耐高溫，特別適合處理高溫原液（如發電廠的循環冷卻水，溫度較高的生物發酵液，電解液等）；化學穩定性極佳，耐酸，耐堿，抗氧化，耐有機溶液，抗生物降解；孔徑分布窄，分離精度極高，可達納米級過濾；易清洗，可以用藥劑清洗或高溫消毒，也可反向沖洗。

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