陶瓷膜凈水研究進展

趙元琛

摘? 要：膜技術在凈水保障領域有著廣闊的應用前景。與有機膜相比，陶瓷膜具有物化性質穩定、機械強度大等特點，在凈水組合膜工藝中優勢明顯，逐漸成為一個重要的研究和應用方向。文章介紹了當前幾種主要的陶瓷膜凈水組合工藝的原理與特點，并對其未來發展方向和大規模應用提出建議。

關鍵詞：陶瓷膜：凈水;組合工藝

中圖分類號：TU991.2? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）23-0110-02

Abstract： Membrane technology has a broad application prospect in the field of water purification. Compared with organic membrane， ceramic membrane has the characteristics of stable physicochemical properties and high mechanical strength， and has obvious advantages in the process of water purification composite membrane， which has gradually become an important trend of research and application. In this paper， the principles and characteristics of several main combined processes for water purification of ceramic membranes are introduced， and some suggestions for their future development and large-scale application are put forward.

Keywards： ceramic film： water purification; combination process

1 概述

膜分離技術在當前凈水處理領域已得到廣泛關注與應用。由于膜分離具有疏水性吸附、靜電排斥及空間位阻排斥等作用，能有效去除飲用水原水所含有的懸浮顆粒、膠體、細菌病毒、蛋白質、腐殖酸等污染物。[1]

根據制膜材料，一般將凈水處理膜分為有機膜和無機膜兩個大類。與有機膜相比，無機膜具有機械強度大、化學穩定性高、孔徑分布集中、抗污性能強等特點，這為膜的長期運行和水力或化學反沖洗、吸附、預氧化和預混凝等工藝聯用提供了保障。同時，隨著加工工藝不斷進步，其制備成本隨之降低，在國內外市場上已經逐步占據更重要的地位。[2]

陶瓷膜（Ceramic Membrane）是無機膜中的一種，屬于膜分離技術中的固體膜材料，是以無機陶瓷材料如氧化鋁（Al2O3）、二氧化鈦（TiO2）、氧化鋯（ZrO2）或二氧化硅（SiO2）等[3]經表面涂膜、高溫燒結、擠壓成型等工藝而形成。

本文主要對當前幾種主要陶瓷膜的凈水組合工藝展開總結與介紹。

2 陶瓷膜與混凝工藝聯用

混凝是膜法水處理常用的預處理工藝，原水中污染物在混凝劑作用下脫穩聚集，形成絮體，進而在后續膜表面形成多孔的濾餅層，有利于污染物的截留與吸附。同時，由于陶瓷膜膜孔徑小，混凝過程不需要形成較大礬花，可以節省藥劑劑量與工藝流程時間，原水中的微生物、部分有機物由于吸附在礬花表面得以被陶瓷膜去除。[4]另一方面，停留在膜表面上的絮體會對待處理水體中的有機物產生競爭作用，能夠部分抑制不可逆污染的產生，提升膜的抗污能力[5]，進一步對組合工藝的長期有效運行產生了積極的作用。

大量研究發現，原水水質狀況、混凝時間、混凝劑的種類與劑量，以及膜本身特性等因素均能夠對膜污染特性和出水處理效果產生影響。有時過少的混凝劑不足以形成合適的礬花，而加藥量過大也可能導致出水泄漏，加劇污染。而膜孔徑過大會導致無效截留，膜孔徑過小則會面臨反沖洗過于頻繁的后果。因而根據原水水質，應妥善進行混凝劑與陶瓷膜的選型。

混凝/陶瓷膜工藝除了對常規有機污染物的去除效果較好外，它還對病毒、可溶性藻類、消毒副產物前體物質嗅味物質有一定的去除能力。這主要可以歸功于混凝形成的絮體以及膜表面疏松多孔的泥餅層對這些物質的截留吸附能力[6]。在陶瓷納濾膜方面，也有研究證明了工藝也可以去除部分金屬離子。[7]

其他研究還包括預氧化/混凝/陶瓷膜聯用工藝機理探索、絮體形態和工況條件分析等對組合工藝的影響等，此方向研究空間較廣，在應用上實踐性很強。

3 陶瓷膜與吸附工藝聯用

對于飲用水處理普遍應用的低壓膜系統工藝，膜污染可以歸納為兩種類型：（1）過濾導致粒徑大于膜孔徑的顆粒物或大分子物質在膜的外部沉積，形成泥餅層，這種污染通常是可逆的。（2）吸附導致較小粒徑的顆粒物或溶解性有機物（如腐殖質、蛋白質等）附著在膜的表面或膜孔中，這種附著作用取決于顆粒和膜之間的特定分子間相互作用，往往造成不可逆的污染[8]。

膜前設置吸附預處理正是利用吸附劑吸附原水中的小分子、溶解性有機物，再通過后置陶瓷膜的截留作用攔截投加的吸附劑，從而達到去除污染物的同時減輕膜的不可逆污染的效果。吸附劑一般選用的是不溶于水、化學性質穩定、比表面積較大的多孔材料，它在膜表面上更容易形成疏松多孔的泥餅層，有效阻止污染物與膜的接觸，降低膜污染負荷。[5]

吸附法使用的吸附劑可以是粉末活性炭或固體氫氧化鎂等。一般凈水處理多使用活性炭，應急處理或污廢水處理中可能會利用到氫氧化物。也有學者對氧化鐵展開過研究，發現其對水中天然有機物（NOM）有較好的吸附效果。[9]使用活性炭時，活性炭表面有可能會滋生微生物，進而在陶瓷膜表面形成生物膜。生物膜有利于有機物的生物降解，但也可能造成生物泄漏以及泥餅層過于密實導致通量快速下降的弊端。[10]目前此種方法對污染的影響尚不明確，實際應用前應進行預實驗確定合適運行參數。