废水处理技术——污泥资源化制造陶瓷膜

高效利用污泥资源化制造陶瓷膜，通过对膜晶相和膜结构定量调控，实现工业污泥高值资源化利用新策略。

基于废弃物高值资源化设计制备低成本陶瓷膜理念，Mingliang Chen等（2020）通过膜晶相和膜结构定量调控实现了不同规格陶瓷膜的实验室制备和规模化制造，并成功应用于含油废水分离，提出了不同流速乳化液油滴的膜污染机理和污染模型。

为了高效、安全地利用废水污泥中的重金属，Mingliang Chen等选择氧化镍（模拟含镍污泥）和铝土矿作为原材料，通过在陶瓷基体中形成更稳定的尖晶石相，高温烧结制备陶瓷膜。

制备机理

NiO与铝土矿物高温反应生成尖晶石NiAl2O4的热转换反应机理如下图所示。首先Ni和Al离子通过尖晶石晶格反扩散，维持晶体的连续生长，在烧结过程中发生三个成相阶段。图中清晰解析了含镍废水污泥与低成本铝土矿制备尖晶石基陶瓷膜过程中NiAl2O4尖晶石的形成机理，根据其形成机理随后对陶瓷膜晶相结构进行了合理调控，并进而制备了两种不同结构的陶瓷膜。

图1 NiO与铝土矿物高温反应生成尖晶石NiAl2O4热转换反应机理示意图

效果对比分析

对比两种不同的膜结构，LFS-HFCM的平均孔径（0.35μm）比SS-HFCM（0.36μm）略小（如图2-a）；在所有错流流速条件下LFS-HFCM的纯水通量几乎相当于是SS-HFCM的2倍，这主要归因于长指状孔结构的LFS-HFCM，显著降低了跨膜阻力。通过FTIR光谱确定了膜表面丰富的金属羟基（图2-c），水接触角为46°（图2-d），XPS显示了Ni离子完全的进入尖晶石的晶格中，在高温烧结过后实现稳定化处理（图2-e,f）。

图2 1250℃烧结的中空纤维膜a）孔径分布图，b）纯水通量，c）FT-IR光谱，d）水接触角；e,f）XPS光谱

对所制备的陶瓷膜进行含油乳化液废水截留测试。两种膜在测试前10min渗透通量快速下降，这主要归因于膜表面形成的污染层。在100min左右达到稳定值，说明形成了稳定的动态油层。在含油乳液分离过程中，随着错流流速增大，渗透通量显著增加（图3a）。通过研究不同运行操作条件下两种不同结构陶瓷膜的通量和截油率，发现具有长指状孔结构的陶瓷膜（LFS-HFCM）比海绵层结构的陶瓷膜（SS-HFCM）的性能更优越（图3b-c），归因于其高度不对称的膜结构和膜表面丰富金属羟基的亲水性，膜通量优于现有陶瓷膜（图3d）。进而，通过实验结果结合模型方程模拟，最后提出了不同流速下乳化液油滴的膜污染机理和污染模型。

图3 尖晶石中空纤维膜油水分离实验。（a）1250℃下烧结制备得到的SS-HFCM和LFS-HFCM在不同流速下化学清洗前后的渗透通量随时间的变化趋势图，（b）LFS-HFCM在不同流速下的截油率随时间变化图，（c）SS-HFCM和LFS-HFCM在固定流速下的截油率比较，（d）本研究与其他工作的通量性能比较。

应用前景

该项研究提出了一种工业污泥高值资源化利用的新策略，用于开发低成本、高性能陶瓷分离膜，解决了重金属污泥的安全、高值资源化的处理难题和含油废水（水包油（O/W）乳液）经济、高效分离的问题。该方法可推广到其它重金属污泥衍生的功能陶瓷膜的设计制造和其它水处理应用领域，因此，该研究以期为重金属污泥的安全、高效资源化提供新的研究思路，也为陶瓷膜的设计和低成本制造提供了合理、经济的新方法，是一种“以废治废”新策略，具有环境、经济双重效益和重要的实际应用前景。