平板式微纳陶瓷膜表征及其在水处理中的应用
行业动态
21世纪以来，随着我国经济的腾飞和人民生活水平的不断提高，环境问题尤其是水污染问题越来越突出。针对水污染问题，膜分离技术是近40年来发展迅速、应用广泛的水处理技术，可实现工业废水净化、海水淡化、生活污水和饮用水纯化等。其原理是通过膜的隔离作用，使得胶体、颗粒、污染物不能透过分离膜，以反渗透的方式，在外力作用下对水分子进行分离，从而打到提高水质的目的。与传统的物理和化学水处理的技术相比，膜技术具有投资少、节能、操作简便、水处理效率高等优势，带来了巨大的经济和环境效益。
起初的分离膜是纤维素制膜，纤维素膜价格低廉、工艺简单且亲水性好，但是pH适用范围小、不耐高温、易受化学和微生物腐蚀。而近年来，新型的陶瓷、多孔玻璃等无机膜材料、金属材料、有机膜材料层出不穷，成为新的研究热点。金属膜机械性能好，但易氧化和腐蚀。近20年来先后出现聚丙烯腈（PAN）、聚砜（PSF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚酮（PEK）、聚醚砜（PES）等高分子有机膜。疏水性膜材料如聚酯、聚偏氟乙烯等耐高温、耐腐蚀，但易吸附胶体等污染物，造成膜孔堵塞。亲水性膜材料如聚丙烯腈等吸附溶质少，但机械性能和抗腐蚀能力差。
无机分离膜具有聚合物分离膜无法比拟的一些优点：化学稳定性好、机械强度大、抗微生物腐蚀能力强、孔径分布窄、分离效率高。而陶瓷滤膜属于无机膜的一种，是应用于膜分离技术中的核心材料。陶瓷滤膜以不同规格的氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化硅以及高岭土等为原料，制成多孔结构的支撑体，再经表面涂膜工艺制备功能膜层，经高温烧制而成。根据支撑体结构类型的不同，陶瓷滤膜可分为板式、管式、多通道3类。陶瓷膜的孔径一般在微米级以下，根据孔径的不同或者截留分子量的大小，又可将陶瓷膜分为微滤膜（MF）、超滤膜（UF）和纳滤膜（NF）。
基于以上背景，本文详尽研究了一种精细控制成型的平板式微纳氧化铝陶瓷膜（微纳滤膜），并且详细表征了该微纳瓷膜的结构参数特征，见下表：
项目 | 参数 |
支撑体层材料 | a-Al2O3 |
分离膜层材料 | a-Al2O3 |
Dmem，标称孔径（nm） | 50～100 |
Np，净水通道（个） | 20～50 |
Lp，净水通道（L/M2h） | 500～2000 |
pH，酸碱范围 | 2～12 |
PMax，压力（MPa） | -0.1～0.5 |
T，工作温度（℃） | ≤85 |
1 结果与讨论
本文所研究的平板式陶瓷膜（微纳瓷膜）一般由支撑体层、过渡层和分离膜膜层3部分组成为非对称结构。研究的平板式陶瓷膜的支撑体和分离膜层材料均由高纯（99.9%）的a-Al2O3材料制得，决定了陶瓷膜具有高强的机械强度、耐热性和化学稳定性。膜层孔径分布50～100nm，分布可调，从而实现控制陶瓷膜的过滤范围和分离精度等功能。
膜层通过高纯（99.9%）的a-Al2O3，精细控制成型、烧结，获得孔隙均一性优异的板式陶瓷滤膜。其孔径分布窄，单一分布于100nm。
由于板式陶瓷滤膜由高纯a-Al2O3材料制成，亲水性非常好，能有效地降低跨膜压差。运行过程中的跨膜压差0.01MPa，为有机膜的10%，具有优异的节能特性。结构优化可让气泡有效地清洗膜表面，易于气洗，通量下降后的清洗再恢复性能也十分优异。
陶瓷膜组件采用 的外压内吸式膜分离技术，既能在常温和低压下分离，也能在高温和强酸、强碱的条件下运行。陶瓷膜相较有机膜的优势在于其优异的亲水性，可有效滤除水中的细菌、胶体、悬浮物、铁锈、微生物、细菌、病毒、大分子有机物、脱色、除油并降低液体的浊度、COD和BOD等，产水水质干净、卫生。相较于有机膜，陶瓷膜经过清洗后，再生能力很强。无机陶瓷膜的使用寿命长达10年，是有机膜的3～5倍，更持久。膜片材料还能实现资源化回收。
平板式微纳陶瓷膜本具有很强的无水过滤能力。平板式微纳陶瓷膜的单位面积过滤能力达77.67，相较于中空纤维膜（43.78）和平板有机膜（14.05）具有明显的优势，是平板有机膜的4～5倍。远高于管式陶瓷膜的28.03，说明对于陶瓷膜而言，平板式结构相较于管式结构更有优势。
对布吉河原水进行膜过滤的水质实例实验分析。经过平板式微纳陶瓷膜（微纳瓷膜）过滤后的河水样品，各项指标COD、TOC、SS、氨氮、TN、TP、ORP和叶绿素均明显降低，并且与磁分离方式处理净水的水样数据相近。说明该陶瓷膜对水质过滤的效果，尤其对COD和SS十分显著。
该平板式微纳陶瓷膜，可安装于各类MBR系统中。采用厌氧、膜生物反应器（MBR）和纳滤工艺（NF），可对饮用水和工业废水等水质进行处理。饮用水MBR处理过程中集成了混凝、沉淀、吸附、 氧化和生物处理等过程，可有效去除有机物和微生物，水质的安全性大幅提高。原位控制膜污染，污染程度大幅降低，节省了能耗和空间，管理维护更简便。工业废水MBR处理过程中，可实现重金属的可再生资源化，处理流程简化，组件模块化，可广泛应用于电镀、印刷电路板制造、钢铁、电力零件制造等行业。
由于平板式微纳陶瓷滤膜独特的材料特性，突出的结构优势以及 的工艺性能，呈现出卓越的行业竞争优势。板式陶瓷滤膜在废水治理、污水处理、海水淡化、雾霾消除等领域的不断拓展运用，有望成为前景广阔的环境治理方案的核心材料。
2 结语
本文详尽研究了一种平板式微纳a-Al2O3陶瓷膜（微纳瓷膜），通过控制原料和制备工艺，可制备高精细且孔径单一分布的纳滤、微滤和超滤陶瓷膜。该陶瓷膜具有很强的单位面积过滤能力，是有机膜的3～5倍，并且具有优异的再生能力。河水处理的实例证明，该陶瓷膜具有很强过滤能力，各项指标与磁分离处理技术相近。该平板式微纳陶瓷膜可安装在MBR系统中，从而可广泛应用于饮用水、工业废水和生活用水等的净化系统中。
