平板式微納陶瓷膜表征及其在水處理中的應(yīng)用
行業(yè)動(dòng)態(tài)
21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛和人民生活水平的不斷提高，環(huán)境問(wèn)題尤其是水污染問(wèn)題越來(lái)越突出。針對(duì)水污染問(wèn)題，膜分離技術(shù)是近40年來(lái)發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的水處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)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(guò)膜的隔離作用，使得膠體、顆粒、污染物不能透過(guò)分離膜，以反滲透的方式，在外力作用下對(duì)水分子進(jìn)行分離，從而打到提高水質(zhì)的目的。與傳統(tǒng)的物理和化學(xué)水處理的技術(shù)相比，膜技術(shù)具有投資少、節(jié)能、操作簡(jiǎn)便、水處理效率高等優(yōu)勢(shì)，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
起初的分離膜是纖維素制膜，纖維素膜價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單且親水性好，但是pH適用范圍小、不耐高溫、易受化學(xué)和微生物腐蝕。而近年來(lái)，新型的陶瓷、多孔玻璃等無(wú)機(jī)膜材料、金屬材料、有機(jī)膜材料層出不窮，成為新的研究熱點(diǎn)。金屬膜機(jī)械性能好，但易氧化和腐蝕。近20年來(lái)先后出現(xiàn)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(jī)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(zhì)少，但機(jī)械性能和抗腐蝕能力差。
無(wú)機(jī)分離膜具有聚合物分離膜無(wú)法比擬的一些優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度大、抗微生物腐蝕能力強(qiáng)、孔徑分布窄、分離效率高。而陶瓷濾膜屬于無(wú)機(jī)膜的一種，是應(yīng)用于膜分離技術(shù)中的核心材料。陶瓷濾膜以不同規(guī)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(jié)構(gòu)的支撐體，再經(jīng)表面涂膜工藝制備功能膜層，經(jīng)高溫?zé)贫?。根?jù)支撐體結(jié)構(gòu)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(jí)以下，根據(jù)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(xì)控制成型的平板式微納氧化鋁陶瓷膜（微納濾膜），并且詳細(xì)表征了該微納瓷膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)特征，見(jiàn)下表：
項(xiàng)目 | 參數(shù) |
支撐體層材料 | a-Al2O3 |
分離膜層材料 | a-Al2O3 |
Dmem，標(biāo)稱孔徑（nm） | 50～100 |
Np，凈水通道（個(gè)） | 20～50 |
Lp，凈水通道（L/M2h） | 500～2000 |
pH，酸堿范圍 | 2～12 |
PMax，壓力（MPa） | -0.1～0.5 |
T，工作溫度（℃） | ≤85 |
1 結(jié)果與討論
本文所研究的平板式陶瓷膜（微納瓷膜）一般由支撐體層、過(guò)渡層和分離膜膜層3部分組成為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。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a-Al2O3材料制得，決定了陶瓷膜具有高強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。膜層孔徑分布50～100nm，分布可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)控制陶瓷膜的過(guò)濾范圍和分離精度等功能。
膜層通過(guò)高純（99.9%）的a-Al2O3，精細(xì)控制成型、燒結(jié)，獲得孔隙均一性優(yōu)異的板式陶瓷濾膜。其孔徑分布窄，單一分布于100nm。
由于板式陶瓷濾膜由高純a-Al2O3材料制成，親水性非常好，能有效地降低跨膜壓差。運(yùn)行過(guò)程中的跨膜壓差0.01MPa，為有機(jī)膜的10%，具有優(yōu)異的節(jié)能特性。結(jié)構(gòu)優(yōu)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(fù)性能也十分優(yōu)異。
陶瓷膜組件采用 的外壓內(nèi)吸式膜分離技術(shù)，既能在常溫和低壓下分離，也能在高溫和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的條件下運(yùn)行。陶瓷膜相較有機(jī)膜的優(yōu)勢(shì)在于其優(yōu)異的親水性，可有效濾除水中的細(xì)菌、膠體、懸浮物、鐵銹、微生物、細(xì)菌、病毒、大分子有機(jī)物、脫色、除油并降低液體的濁度、COD和BOD等，產(chǎn)水水質(zhì)干凈、衛(wèi)生。相較于有機(jī)膜，陶瓷膜經(jīng)過(guò)清洗后，再生能力很強(qiáng)。無(wú)機(jī)陶瓷膜的使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年，是有機(jī)膜的3～5倍，更持久。膜片材料還能實(shí)現(xiàn)資源化回收。
平板式微納陶瓷膜本具有很強(qiáng)的無(wú)水過(guò)濾能力。平板式微納陶瓷膜的單位面積過(guò)濾能力達(dá)77.67，相較于中空纖維膜（43.78）和平板有機(jī)膜（14.05）具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是平板有機(jī)膜的4～5倍。遠(yuǎn)高于管式陶瓷膜的28.03，說(shuō)明對(duì)于陶瓷膜而言，平板式結(jié)構(gòu)相較于管式結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢(shì)。
對(duì)布吉河原水進(jìn)行膜過(guò)濾的水質(zhì)實(shí)例實(shí)驗(yàn)分析。經(jīng)過(guò)平板式微納陶瓷膜（微納瓷膜）過(guò)濾后的河水樣品，各項(xiàng)指標(biāo)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水的水樣數(shù)據(jù)相近。說(shuō)明該陶瓷膜對(duì)水質(zhì)過(guò)濾的效果，尤其對(duì)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(tǒng)中。采用厭氧、膜生物反應(yīng)器（MBR）和納濾工藝（NF），可對(duì)飲用水和工業(yè)廢水等水質(zhì)進(jìn)行處理。飲用水MBR處理過(guò)程中集成了混凝、沉淀、吸附、 氧化和生物處理等過(guò)程，可有效去除有機(jī)物和微生物，水質(zhì)的安全性大幅提高。原位控制膜污染，污染程度大幅降低，節(jié)省了能耗和空間，管理維護(hù)更簡(jiǎn)便。工業(yè)廢水MBR處理過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)重金屬的可再生資源化，處理流程簡(jiǎn)化，組件模塊化，可廣泛應(yīng)用于電鍍、印刷電路板制造、鋼鐵、電力零件制造等行業(yè)。
由于平板式微納陶瓷濾膜獨(dú)特的材料特性，突出的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)以及 的工藝性能，呈現(xiàn)出卓越的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(lǐng)域的不斷拓展運(yùn)用，有望成為前景廣闊的環(huán)境治理方案的核心材料。
2 結(jié)語(yǔ)
本文詳盡研究了一種平板式微納a-Al2O3陶瓷膜（微納瓷膜），通過(guò)控制原料和制備工藝，可制備高精細(xì)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(qiáng)的單位面積過(guò)濾能力，是有機(jī)膜的3～5倍，并且具有優(yōu)異的再生能力。河水處理的實(shí)例證明，該陶瓷膜具有很強(qiáng)過(guò)濾能力，各項(xiàng)指標(biāo)與磁分離處理技術(shù)相近。該平板式微納陶瓷膜可安裝在MBR系統(tǒng)中，從而可廣泛應(yīng)用于飲用水、工業(yè)廢水和生活用水等的凈化系統(tǒng)中。
