划重点 | 陶瓷滤膜的分离过滤技术

快速工业化造成的环境问题是人类在本世纪面临的重要威胁之一，这里面就包括了水污染问题。水是大多数工业过程都不可或缺的重要资源，因此废水的产生在各行各业都是不可避免的，随着经济的飞速发展，工业和市政污水排放也以同样的速度增长。为了满足人口不断增长带来的用水需求，我们需要净化和回收废水。

污水处理图

膜分离技术是可以分离污染物以缓解环境压力的新兴技术，具有低能耗、易于扩大规模、与其他工艺的混合度高、能连续高强度和自动化操作等优点。而在实际的应用场景中，膜必须能够耐受所处分离环境，当施加压力差作为分离驱动力时，膜应该在分离过程中保持良好的机械刚性和对施加应力的稳定性，此外膜材料必须具有一定的化学稳定性，以避免其在有机溶剂或强酸强碱的作用下发生溶解或腐蚀等现象。当然温度稳定性也是膜耐受高进料操作温度和避免损坏的重要因素。

一、膜的种类

根据膜材料的不同，主要分为有机聚合物膜、无机膜和复合膜。有机聚合物膜的优点是成本低、良好的选择性和易加工性，这些优点使得有机聚合物膜在膜分离技术市场中占有最大份额，在工业规模应用和学术研究中都非常有价值。

有机微孔滤膜

虽然聚合物膜的开发正在稳步进行，但具有优异化学和物理性质、高可调性和可重复使用性的无机膜也越来越受到关注。陶瓷膜在无机膜领域中的应用超过八成，且还在快速增长中，其具有化学性质稳定、机械性能优异、耐高温、易清洗等优点。更重要的是，陶瓷膜不易受细菌的破坏，而细菌是大多数聚合物膜生物污损及降解的原因。因此，陶瓷膜在冶金、石油化工、生物工程、食品、医药、环保等工业领域有着广泛地应用，可用于工艺过程中的分离、纯化、除菌、除盐等。

二、陶瓷膜的分类

按照结构特点陶瓷膜可分为两种：对称陶瓷膜和非对称陶瓷膜。对称性陶瓷膜物理结构在各个方向是一致的，在所有方向的孔隙率也相似。非对称性陶瓷膜孔径由底部到顶端从大到小变化。在实际工业生产中，人们希望使用过滤精度高且渗透通量大的陶瓷膜，因此制备工业应用价值高的非对称性陶瓷膜成为研究的重点。非对称性陶瓷膜一般由三层组成，第一层是支撑体层，厚度在几毫米左右，具有机械强度高，渗透通量大的特点；中间层也称为过渡层，厚度为10-100μm；膜分离层孔径较小，厚度一般在5-30μm，是陶瓷膜过滤分离的关键部位；这样的非对称三层膜结构能够保证陶瓷膜具有较高的机械强度和较大的渗透通量。

对称膜（左）和非对称膜（右）示意图

不对称陶瓷膜横截面的SEM图

陶瓷膜根据形状的不同可以分为管式陶瓷膜和平板陶瓷膜。管式陶瓷膜管壁密布微孔，在压力作用下，原料液在膜管内或膜外侧流动小分子物质(或液体)透过膜，大分子物质(或固体)被膜截留，从而可以实现污染物的分离、浓缩、纯化。

平板陶瓷膜板面密布微孔，以膜两侧的压力差为驱动力，膜作为过滤介质，在一定压力作用下，当原液流过膜表面时，只允许水、无机盐、小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物、胶体和微生物等大分子物质通过，从而实现分离。

碳化硅陶瓷膜结构

平板陶瓷膜是低压膜，有很好的物理性能和化学性能，制备和运行成本低，方便大规模应用。管式膜适用于超滤、微滤等膜分离技术，其优点是流道长、对料液的预处理精度要求低、易于清洗、压力损失小、过滤效率高。

三、陶瓷膜的作用

和普通的过滤膜材料相比，陶瓷膜具有良好的材料性能，同时还具有机械强度高、渗透量大、分离性能好、抗微生物能力强、可反复使用等优良的性能，在多个领域应用广泛，让我们一起看看陶瓷膜具体有哪些应用。

（1）在气体分离方面的应用

气体分离是膜分离技术中最具潜力的应用领域之一。目前，在气固分离方面陶瓷膜过滤技术已应用于各种工业过程，如多晶硅产业、生物质气化、工业窑炉烟气净化和高温有价粉体回收等等。例如山东工业陶瓷研究设计院有限公司研发的脱硝除尘一体化装备，采用脱硝除尘陶瓷膜滤芯做为核心元件，可同时过滤颗粒物，降解氮氧化物、二氧化硫、去除二噁英、有机挥发物以及有机有毒空气污染物。

（2）在液体除菌过滤方面的应用

陶瓷膜不仅应用于气体分离，也在液体除菌、资源和生态领域中扮演着重要的角色。陶瓷膜应用于食品工业的液体除菌可以有效解决食品安全问题。陶瓷膜应用在软饮料、奶制品、酒类、纯净水的除菌过滤澄清中，和传统方式相比，陶瓷膜具有良好的抗高温性能。在过滤除菌工作结束后，生产厂家可以利用高温蒸汽对过滤设备进行全方位的消毒，这种消毒模式不仅可以保障食品安全，同时也可以为厂家节约生产成本。

（3）在膜催化反应技术中的应用

陶瓷膜除了应用在物质分离外，也可用于化学反应过程，可以实现反应-分离一体化。膜催化反应技术其优点在于利用膜的选择渗透性有选择的移去个别产物，从而使可逆反应的化学平衡向有利于产物的方向移动。该技术在化工行业应用较多。

（4）在废水处理中的应用

由于陶瓷膜的稳定性较高，一般不会同污水中的物质发生物理或者化学反应，因此，陶瓷膜经常被应用于处理纺织印染废水、含油废水、炼油厂“三泥”水相、化工废水、生活污水、医疗废水、放射废水等。

结语

陶瓷膜相对于有机聚合物膜有着更为优异的性能，但目前陶瓷膜的生产成本相对较高，想要真正实现陶瓷膜技术的广泛应用，需要开发出性能完善和通量较高的陶瓷膜材料，并不断降低生产成本，以求真正实现陶瓷膜技术在各领域的广泛应用。

参考资料

（1）基于转移法的氧化铝陶瓷膜制备与结构优化，朱霨亚。

（2）陶瓷膜在废水处理领域中的研究进展，张诗洋，单历元，廖松义，朋小康，刘荣涛，闵永刚。

（3）简析陶瓷膜的发展和应用，王浩，王宁，李杰。

（4）超细球形氧化铝制备陶瓷超滤膜及应用污水处理的研究，罗盼。

（5）“膜”法世界——膜材料的发展与应用，杨畅，夏炎。

（6）膜生物反应技术在生活污水处理中的应用优势，徐黎黎。

（7）多孔碳化硅陶瓷膜分离技术的应用研究进展，余炎子，李传刚，鄢恒飞，刘晓锋，于少晖。