陶瓷膜在水處理中的應用研究

肖永輝 齊宏麗

【摘 要】陶瓷膜具有化學穩定性好、耐酸堿、分離性能高、抗污染性強等優點，在水處理領域有著廣泛的應用。重點介紹了陶瓷膜在飲用水、海水淡化、各行業污水處理中的應用研究，概述了當前水處理領域陶瓷膜制備以及陶瓷膜低成本化方面的研究進展，并對水處理陶瓷膜應用的瓶頸性問題進行了討論

【關鍵詞】陶瓷膜；飲用水；海水淡化；污水

1.陶瓷膜在飲用水處理中的應用

陶瓷膜應用于給水處理始于20世紀80年代初期，主要應用于歐洲一些發達國家。地表水是飲用水水源的主要組成部分，傳統的自來水生產工藝為混凝—過濾—消毒，可去除水中大量的懸浮物和細菌。用微孔陶瓷膜進行給水處理的優點是能夠保證水質，不用化學物質，特別適合于高附加值產品；另一個重要特點是陶瓷膜可以和傳統的飲用水凈化工藝有機結合，成為飲用水廠的補充工藝及深度處理工藝，保障了水廠供水安全性。近年來，陶瓷膜已形成與混凝、吸附、氧化等傳統工藝集成的凈水技術，組合工藝得到的處理水質優于國家飲用水相關標準，展示了無機膜在飲用水處理應用中的廣闊前景[1]。Zhang等[2]模擬陶瓷膜污染行為發展了一種“濾餅層坍塌”污染模型，該模型綜合考慮污染絮體的分形維數、伸縮率、配合指數、絮體尺寸等因素。模擬結果發現，濾餅層孔隙率由絮體間孔隙與絮體內孔隙構成，在陶瓷膜過濾過程中濾餅層的坍塌是造成膜污染的重要因素，配合指數是該模型研究膜污染的重要參數。

2.陶瓷膜在海水淡化中的應用

海水淡化中膜分離是其核心技術。由于海水水質和含鹽量高等特點，無機膜微濾是更適用作為海水淡化的預處理元。南京工業大學膜科學技術研究所最早研究陶瓷膜海水淡化處理工藝，已取得了一定的成果，截至2009 年9 月，日處理規模為150 m3的陶瓷膜海水淡化預處理示范裝置已在舟山成功運行，各項出水水質指標達到海水淡化反滲透進水水質要求[1]。Zhu等[3]利用晶種二次增長技術制備了MFI型沸石反滲透膜用于處理鹽水，當過濾壓力為7 MPa時，過濾通量為4 L m-2 h-1，鹽截留率為80 %，UV254去除率高達90 %以上。長期運行結果表明，MFI型沸石反滲透膜抗污染性能良好，耐氯性高，可用于海水淡化。

3.陶瓷膜在廢水處理中的應用

3.1生活污水處理

在各類水體污染源中， 生活污水占相當大的比例，如能處理后循環使用，對保護淡水資源、提高水的利用率是十分有益的。污水深度（ 回用） 處理以有機膜為主，但是普遍存在通量小、膜污染現象嚴重、不易清洗、運行維護困難、膜使用壽命短等現象。Li等[4]利用相轉化與高溫燒結相結合技術制備出三種具有指狀孔、海綿狀孔的氧化鋁中空纖維微濾膜，用于處理污水。氧化鋁中空纖維微濾膜在過濾壓力為0.1MPa時，污水的過濾通量最高可達1874 L m-2 h-1，可用于污水的長期處理。

3.2含油廢水處理

油在水中主要以游離態、乳化態和溶解態的形式存在，無機膜可處理游離態和乳化態的含油廢水，具有耐腐蝕、出水水質好、通量大、使用壽命長等優勢。Kumar等利用粘土、高嶺土、碳酸鈣等廉價礦物材料擠壓成型、燒結制備多孔管式陶瓷膜，無需任何有機添加劑。該陶瓷膜孔隙率高達53%，平均孔徑0.309 μm，水滲透通量為5.93×10-7 m/s kPa，可用于處理含油廢水。另外發現，濾餅層形成是導致陶瓷膜污染的最大貢獻者。Lu等研究了含油乳化液經表面活性劑穩定化處理后的陶瓷膜濾過程不可逆膜污染機理；結果表明，含油乳化液的穩定化處理對于減輕陶瓷膜的不可逆污染至關重要。

3.3化工廢水處理

在化工及石油化工行業中往往產生一些具有強酸、強堿或強腐蝕性的廢水，無機膜因其優異的化學穩定性而在處理這些廢水時具有獨到的優勢[5]。采用α-Al2O3陶瓷膜處理硫酸法鈦白粉生產中產生的廢酸、廢水的實驗研究結果表明，采用陶瓷膜裝置處理此類廢酸、廢水具有性能穩定、再生容易、操作成本低等突出優點，具有明顯的社會經濟效益。采用平均孔徑為0.2μm的氧化鋯陶瓷膜脫除焦化廢水中的焦粉，焦粉去除率達到95%，氣頂液反沖有利于延遲膜的污染，采用表面活性劑加酸液清洗，膜通量恢復快，并且穩定性好。

3.4冶金煉鋼廢水處理

鋼鐵冷軋生產廢水成分復雜，有機物含量高，且含有大量的表面活性劑和油類等物質，采用一般的處理方法難以達到理想效果。基于無機膜的優異性質，目前已成功應用于寶鋼和攀鋼冷軋乳化液廢水的處理。劉巍等[1]利用無機陶瓷膜處理鞍鋼冷軋廢水，其中分子質量較小的水、鹽等可以通過并達標排放，分子質量較大的油類、膠體和懸浮物則被截留并濃縮，達到分離效果。

4.結論

陶瓷膜分離技術優勢明顯，在水處理中已部分取代有機膜，特別是在復雜、苛刻環境下的水處理過程。水處理陶瓷膜還存在以下問題：（1）成本較高，須開發廉價、高性能的膜材料；（2）制膜工藝復雜，需提高透過速率和膜的分離效果，長時間維持膜通量的穩定性；（3）膜品種有限，應用過程中匹配性復雜，需擴展陶瓷膜的應用范圍及深度；（4）膜污染問題。水處理陶瓷膜制備技術以提高陶瓷膜整體性能為目的，通過調控陶瓷膜微結構可實現陶瓷膜制備技術的突破。水處理陶瓷膜制備技術研究將引領和推動陶瓷膜技術及產業的發展，緩解水廠升級改造、提升水質品質的瓶頸壓力。

【參考文獻】

1.趙維春， 徐曉波. 無機膜分離技術在水處理中的應用研究. 中國給水排水， 2015（10）： 38-40.

2.Zhang， W.， et al.， Effects of Cake Collapse Caused by Deposition of Fractal Aggregates on Pressure Drop during Ceramic Filtration. Environmental Science & Technology， 2011. 45（10）： 4415-4421.

3.Zhu， B.， et al.， Application of robust MFI-type zeolite membrane for desalination of saline wastewater. Journal of Membrane Science， 2015. 475： 167-174.

4.Lee， M.， et al.， Micro-structured alumina hollow fibre membranes – Potential applications in wastewater treatment. Journal of Membrane Science， 2014. 461： 39-48.

5.秦偉偉， 宋永會， 肖書虎， 等. 陶瓷膜在水處理中的發展與應用. 工業水處理， 2011（10）： 15-19.