陶瓷膜在水處理中的應(yīng)用研究

肖永輝 齊宏麗

【摘 要】陶瓷膜具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、分離性能高、抗污染性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了陶瓷膜在飲用水、海水淡化、各行業(yè)污水處理中的應(yīng)用研究，概述了當(dāng)前水處理領(lǐng)域陶瓷膜制備以及陶瓷膜低成本化方面的研究進(jìn)展，并對水處理陶瓷膜應(yīng)用的瓶頸性問題進(jìn)行了討論

【關(guān)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(yīng)用

陶瓷膜應(yīng)用于給水處理始于20世紀(jì)80年代初期，主要應(yīng)用于歐洲一些發(fā)達(dá)國家。地表水是飲用水水源的主要組成部分，傳統(tǒng)的自來水生產(chǎn)工藝為混凝—過濾—消毒，可去除水中大量的懸浮物和細(xì)菌。用微孔陶瓷膜進(jìn)行給水處理的優(yōu)點(diǎn)是能夠保證水質(zhì)，不用化學(xué)物質(zhì)，特別適合于高附加值產(chǎn)品；另一個重要特點(diǎn)是陶瓷膜可以和傳統(tǒng)的飲用水凈化工藝有機(jī)結(jié)合，成為飲用水廠的補(bǔ)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(tǒng)工藝集成的凈水技術(shù)，組合工藝得到的處理水質(zhì)優(yōu)于國家飲用水相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，展示了無機(jī)膜在飲用水處理應(yīng)用中的廣闊前景[1]。Zhang等[2]模擬陶瓷膜污染行為發(fā)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(shù)、伸縮率、配合指數(shù)、絮體尺寸等因素。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，濾餅層孔隙率由絮體間孔隙與絮體內(nèi)孔隙構(gòu)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(shù)是該模型研究膜污染的重要參數(shù)。

2.陶瓷膜在海水淡化中的應(yīng)用

海水淡化中膜分離是其核心技術(shù)。由于海水水質(zhì)和含鹽量高等特點(diǎn)，無機(jī)膜微濾是更適用作為海水淡化的預(yù)處理元。南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)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(guī)模為150 m3的陶瓷膜海水淡化預(yù)處理示范裝置已在舟山成功運(yùn)行，各項(xiàng)出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到海水淡化反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求[1]。Zhu等[3]利用晶種二次增長技術(shù)制備了MFI型沸石反滲透膜用于處理鹽水，當(dāng)過濾壓力為7 MPa時(shí)，過濾通量為4 L m-2 h-1，鹽截留率為80 %，UV254去除率高達(dá)90 %以上。長期運(yùn)行結(jié)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(yīng)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(dāng)大的比例，如能處理后循環(huán)使用，對保護(hù)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(jī)膜為主，但是普遍存在通量小、膜污染現(xiàn)象嚴(yán)重、不易清洗、運(yùn)行維護(hù)困難、膜使用壽命短等現(xiàn)象。Li等[4]利用相轉(zhuǎn)化與高溫?zé)Y(jié)相結(jié)合技術(shù)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(shí)，污水的過濾通量最高可達(dá)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(tài)、乳化態(tài)和溶解態(tài)的形式存在，無機(jī)膜可處理游離態(tài)和乳化態(tài)的含油廢水，具有耐腐蝕、出水水質(zhì)好、通量大、使用壽命長等優(yōu)勢。Kumar等利用粘土、高嶺土、碳酸鈣等廉價(jià)礦物材料擠壓成型、燒結(jié)制備多孔管式陶瓷膜，無需任何有機(jī)添加劑。該陶瓷膜孔隙率高達(dá)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(fā)現(xiàn)，濾餅層形成是導(dǎo)致陶瓷膜污染的最大貢獻(xiàn)者。Lu等研究了含油乳化液經(jīng)表面活性劑穩(wěn)定化處理后的陶瓷膜濾過程不可逆膜污染機(jī)理；結(jié)果表明，含油乳化液的穩(wěn)定化處理對于減輕陶瓷膜的不可逆污染至關(guān)重要。

3.3化工廢水處理

在化工及石油化工行業(yè)中往往產(chǎn)生一些具有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或強(qiáng)腐蝕性的廢水，無機(jī)膜因其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性而在處理這些廢水時(shí)具有獨(dú)到的優(yōu)勢[5]。采用α-Al2O3陶瓷膜處理硫酸法鈦白粉生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢酸、廢水的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，采用陶瓷膜裝置處理此類廢酸、廢水具有性能穩(wěn)定、再生容易、操作成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的社會經(jīng)濟(jì)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(dá)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(fù)快，并且穩(wěn)定性好。

3.4冶金煉鋼廢水處理

鋼鐵冷軋生產(chǎn)廢水成分復(fù)雜，有機(jī)物含量高，且含有大量的表面活性劑和油類等物質(zhì)，采用一般的處理方法難以達(dá)到理想效果?；跓o機(jī)膜的優(yōu)異性質(zhì)，目前已成功應(yīng)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(jī)陶瓷膜處理鞍鋼冷軋廢水，其中分子質(zhì)量較小的水、鹽等可以通過并達(dá)標(biāo)排放，分子質(zhì)量較大的油類、膠體和懸浮物則被截留并濃縮，達(dá)到分離效果。

4.結(jié)論

陶瓷膜分離技術(shù)優(yōu)勢明顯，在水處理中已部分取代有機(jī)膜，特別是在復(fù)雜、苛刻環(huán)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(fā)廉價(jià)、高性能的膜材料；（2）制膜工藝復(fù)雜，需提高透過速率和膜的分離效果，長時(shí)間維持膜通量的穩(wěn)定性；（3）膜品種有限，應(yīng)用過程中匹配性復(fù)雜，需擴(kuò)展陶瓷膜的應(yīng)用范圍及深度；（4）膜污染問題。水處理陶瓷膜制備技術(shù)以提高陶瓷膜整體性能為目的，通過調(diào)控陶瓷膜微結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)陶瓷膜制備技術(shù)的突破。水處理陶瓷膜制備技術(shù)研究將引領(lǐng)和推動陶瓷膜技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，緩解水廠升級改造、提升水質(zhì)品質(zhì)的瓶頸壓力。

【參考文獻(xiàn)】

1.趙維春， 徐曉波. 無機(jī)膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)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(fā)展與應(yīng)用. 工業(yè)水處理， 2011（10）： 15-19.