平板式微納陶瓷膜表征及其在水處理中的應用

2018-05-26 03:06:43張海林曲盛祥

中國設備工程 2018年10期

張海林，曲盛祥

（1.桂林理工大學廣西有色金屬及特色材料加工省部共建國家重點實驗室培育基地，材料科學與工程學院，廣西桂林 541004；2.天津大學先進陶瓷與加工技術教育部重點實驗室，材料科學與工程學院，天津 300072）

21世紀以來，隨著我國經濟的騰飛和人民生活水平的不斷提高，環境問題尤其是水污染問題越來越突出。針對水污染問題，膜分離技術是近40年來發展最迅速、應用最廣泛的水處理技術，可實現工業廢水凈化、海水淡化、生活污水和飲用水純化等。其原理是通過膜的隔離作用，使得膠體、顆粒、污染物不能透過分離膜，以反滲透的方式，在外力作用下對水分子進行分離，從而達到提高水質的目的。與傳統的物理和化學水處理的技術相比，膜技術具有投資少、節能、操作簡便、水處理效率高等優勢，帶來了巨大的經濟和環境效益。

最早的分離膜是纖維素制膜，纖維素膜價格低廉、工藝簡單且親水性好，但是pH適用范圍小、不耐高溫、易受化學和微生物腐蝕。而近年來，新型的陶瓷、多孔玻璃等無機膜材料、金屬材料、有機-膜材料層出不窮，成為最新的研究熱點。金屬膜機械性能好，但易氧化和腐蝕。近20年來先后出現聚丙烯腈(PAN)、聚砜（PSF）、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚酮(PEK)、聚醚砜(PES)等高分子有機膜。疏水性膜材料如聚酯、聚偏氟乙烯等耐高溫、耐腐蝕，但易吸附膠體等污染物，造成膜孔堵塞。親水性膜材料如聚丙烯腈等吸附溶質少，但機械性能和抗腐蝕能力差，抗腐蝕性差。

無機分離膜具有聚合物分離膜無法比擬的一些優點：化學穩定性好、機械強度大、抗微生物腐蝕能力強、孔徑分布窄、分離效率高。而陶瓷濾膜屬于無機膜的一種，是應用于膜分離技術中的核心材料。陶瓷濾膜以不同規格的氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、氧化硅以及高嶺土等為原料，制成多孔結構的支撐體，再經表面涂膜工藝制備功能膜層，最后經高溫燒制而成。根據支撐體結構類型的不同，陶瓷濾膜可分為板式、管式、多通道3類。陶瓷膜的孔徑一般在微米級以下，根據孔徑的不同或者截留分子量的大小，又可將陶瓷膜分為微濾膜（MF）、超濾膜（UF）和納濾膜（NF）。

基于以上背景，本文詳盡研究了一種精細控制成型的平板式微納氧化鋁陶瓷膜（微納瓷膜?），并且詳細表征了該微納瓷膜的結構參數特征（見表1）。該微納瓷膜的膜通量是有機膜的的3～5倍，過濾效率高。該微納瓷膜還可用于膜生物反應器（MBR）的陶瓷濾膜片以及各種規格的凈化組件和凈水系統，適用于飲用水、生活污水、工業廢水等的處理。

表1 平板式陶瓷膜規格參數（微納瓷膜?）

1 結果與討論

本文所研究的平板式陶瓷膜（微納瓷膜?）采購自深圳華淮循環材料有限公司，一般由支撐體層、過渡層和分離膜膜層3部分組成為非對稱結構。研究的平板式陶瓷膜的支撐體和分離膜層材料均由高純（99.9%）的α-Al2O3材料制得，決定了陶瓷膜具有高強的機械強度、耐熱性和化學穩定性。膜層孔徑分布50～100nm，分布可調，從而實現控制陶瓷膜的過濾范圍和分離精度等功能。

如圖1中所示，所得陶瓷膜粒度和孔徑均勻統一。膜層通過高純（99.9%）的α-Al2O3，精細控制成型、燒結，獲得孔隙均一性優異的板式陶瓷濾膜。見圖1所示，其孔徑分布窄，單一分布于100nm。

圖1 平板式微納陶瓷膜掃描電鏡圖片（SEM）和孔徑分布

由于板式陶瓷濾膜由高純α-Al2O3材料制成，親水性非常好，能有效地降低跨膜壓差。如圖2，運行過程中的跨膜壓差0.01MPa，為有機膜的10%，具有優異的節能特性。結構優化可讓氣泡有效地清洗膜表面，易于氣洗，通量下降后的清洗再恢復性能也十分優異。

圖2 平板式微納陶瓷膜清洗前后的跨膜壓

陶瓷膜組件采用先進的外壓內吸式膜分離技術，既能在常溫和低壓下分離，也能在高溫和強酸、強堿的條件下運行。陶瓷膜相較有機膜的優勢在于其優異的親水性，可有效濾除水中的細菌、膠體、懸浮物、鐵銹、微生物、細菌、病毒、大分子有機物、脫色、除油并降低液體的濁度、COD和BOD等，產水水質干凈、衛生。相較于有機膜，陶瓷膜經過清洗后，再生能力很強。無機陶瓷膜的使用壽命最長可達10年，是有機膜的3～5倍，更持久。膜片材料還能實現資源化回收。

平板式微納陶瓷膜本具有很強的無水過濾能力。如圖3所示，平板式微納陶瓷膜的單位面積過濾能力達77.67，相較于中空纖維膜（43.78）和平板有機膜（14.05）具有明顯的優勢，是平板有機膜的4～5倍。遠高于管式陶瓷膜的28.03，說明對于陶瓷膜而言，平板式結構相較于管式結構更有優勢。

圖3 微納陶瓷膜、中空纖維膜、平板有機膜和管式陶瓷膜單位面積污水過濾能力的比較

表2給出了我們對布吉河原水進行膜過濾的水質實例實驗分析。經過平板式微納陶瓷膜（微納瓷膜?）過濾后的河水樣品，各項指標COD、TOC、SS、氨氮、TN、TP、ORP和葉綠素均明顯降低，并且與磁分離方式處理凈化的水樣數據相近。說明該陶瓷膜對水質過濾的效果，尤其對COD和SS十分顯著。

該平板式微納陶瓷膜，可安裝于各類MBR系統中。采用厭氧、膜生物反應器（MBR）和納濾工藝（NF），可對飲用水和工業廢水等水質進行處理，如圖4。飲用水MBR處理過程中集成了混凝、沉淀、吸附、高級氧化和生物處理等過程，可有效去除有機物和微生物，水質的安全性大幅提高。原位控制膜污染，污染程度大幅降低，節省了能耗和空間，管理維護更簡便。工業廢水MBR處理過程中，可實現重金屬的可再生資源化，處理流程簡化，組件模塊化，可廣泛應用于電鍍、印刷電路板制造、鋼鐵、電力零件制造等行業。

由于平板式陶微納瓷濾膜獨特的材料特性、突出的結構優勢以及先進的工藝性能，呈現出卓越的行業競爭優勢。板式陶瓷濾膜在廢水治理、污水處理、海水淡化、霧霾消除等領域的不斷拓展運用，有望成為前景廣闊的環境治理方案的核心材料。

2 結語

本文詳盡研究了一種平板式微納α-Al2O3陶瓷膜（微納瓷膜?），通過控制原料和制備工藝，可制備高精細且孔徑單一分布的納濾、微濾和超濾陶瓷膜。該陶瓷膜具有很強的單位面積過濾能力，是有機膜的3～5倍，并且具有優異的再生能力。河水處理的實例證明，該陶瓷薄膜具有很強過濾能力，各項指標與磁分離處理技術相近。該平板式微納陶瓷膜可安裝在MBR系統中，從而可廣泛應用于飲用水、工業廢水和生活用水等的凈化系統中。