在自然界中，膜对物料的分离一直起着非常重要的作用，各种动植物对于水及各种养分的吸收都是通过膜过程实现的。膜分离技术是20世纪开发成功的新型、高效、精密的分离技术，它是材料科学与介质分离技术的交叉结合，以分离效率高、设备简单、操作方便和节能等优点，广泛应用于各个领域。

在膜科学技术领域中，开发较早的膜材料是有机聚合材料，它在很多方面有独到的优点，例如有机膜具有韧性，能适应各种大小粒子的分离过程，制备相对较简单，易于成形，工艺也较成熟，且价格便宜。但是它也有一些自身无法克服的缺点：热稳定性差，不耐高温；抗腐蚀性差，不耐酸碱和有机溶剂；恶劣环境下使用寿命短；易堵塞，不易清洗重复使用。由于有机膜的以上缺点，上世纪80年代以来，无机分离膜的研究和开发已逐渐引起人们的普遍关注。

1 陶瓷分离膜

陶瓷分离膜是以多孔陶瓷为载体（支持体）、以微孔陶瓷膜为过滤层的陶瓷质过滤分离材料。它主要是依据“筛分”理论，根据在一定的膜孔径范围内渗透的物质分子直径不同则渗透率不同，利用压力差为推动力，使小分子物质可以通过，而大分子物质则被截留，从而实现它们之间的分离。陶瓷分离膜种类很多，目前开发的有：氧化铝质、氧化锆质、氧化硅质、氧化锌质、硅酸铝质、碳化硅质、沸石质等。根据制备工艺不同，膜孔的孔径可以做到40A～15μm，适用于不同的应用领域。由于陶瓷分离膜层极薄，微孔近乎直通孔，所以陶瓷分离膜的过滤分离精度与微孔孔径相当。

无机膜发展的 阶段出现在20世纪40年代，那时应用于军事工业，所有的研究都是秘密进行的。到20世纪80年代初至90年代，是无机膜发展的第二阶段，荷兰的Twent大学的Burggraf等人采用溶胶-凝胶技术，研究出具有多层不对称结构的微孔陶瓷膜，其孔径在3μm以下，孔隙率在50%以上。无机膜发展的第3阶段是90年代以后，即以气体分离应用为主体和陶瓷膜分离器-反应器组合构件的研究阶段。

发展至今，无机陶瓷膜分离技术的分离效果已经相当好，这主要是由于无机陶瓷膜具有以下几大优点。

（1）耐高温性能好：无机陶瓷膜使用温度可达400℃，有的甚至可达到800℃，使用压力可达千帕数量级，适用于高温高压体系。

（2）耐腐蚀性好：无机陶瓷膜在酸性和碱性条件下稳定性好，pH值使用范围较宽，因此在涉及高温和腐蚀性过程的工艺中有着非常广泛的应用前景。

（3）机械强度大：无机陶瓷膜一般是经过高温烧结的微孔材料为基体浸涂膜后再经烧结制成的，所以机械强度大，不易脱落和破裂。

（4）清洁状态好不易堵塞：无机陶瓷膜一般无毒，不污染环境，是较为理想的净化工具。并且现在的无机陶瓷膜设备都配有反冲装置，可以使其连续作业而不堵塞。

（5）抗微生物侵蚀：无机陶瓷膜与一般微生物不发生生物及化学反应，此项优点很适用于食品、生化、制药工业，此外它还有抗有机溶剂的优点。

（6）使用寿命长：这样减少了用户的维修与更换，从而节约了使用者的时间与费用。

鉴于无机陶瓷膜具有以上这几大优点以及国内外发展陶瓷膜的经验，无机陶瓷膜在我国的应用领域极其广泛。这里主要介绍一下无机陶瓷膜分离技术在环境保护工程中的应用。

2 陶瓷分离膜技术在环境保护中的应用

2.1 陶瓷分离膜在水处理中的应用

目前，陶瓷分离膜技术在给水处理、海水淡化和废水处理中得到了广泛的应用，取得良好经济效益和社会效益。

2.1.1 在给水处理中的应用

微孔陶瓷膜分离技术在给水处理中的应用始于上世纪80年代初期，特别是在欧洲一些 ，如法国、意大利等国在这些方面的实践工作更是走在 的 。用微孔陶瓷膜进行给水处理的优点是能够保证更好和更可靠的水质，不用化学物质，特别适合于高附加值产品。用0.2μm陶瓷微滤膜过滤处理地下岩溶水所得的几项性质指标与未处理水的比较如表1所示。

表1：未处理岩溶水与处理水的性质比较性

从表1可以看出，陶瓷膜不仅能显著降低水的浊度（NTU）和有机物含量，而且能够对处理水进行脱金属处理，对细菌的去除率为100%。在国内，山东工业陶瓷设计院研制的孔径为4.3μm的微孔陶瓷，对总菌数为31500，大肠菌 群小于230的原水处理后，得到的处理水水质也优于 饮用水标准。

2.1.2 在海水淡化中的应用

反渗透技术已成为海水淡化较经济的手段，自20世纪80年代以来呈迅速增长趋势。在与其他淡水方法对比中，海水反渗透淡化有如下主要优势：投资较低；能耗较低；淡化水成本较低；建造周期短。1997年在浙江省舟山市嵊山500吨/日反渗透海水淡化示范工程投入运行，工程总投资616万元，每吨淡水成本7.78元，工程经济技术指标具有国际 水平。大连长海1000吨/日反渗透海水淡化装置1999年也已投入运行。同样地，反渗透和电渗析也是苦咸水淡化较经济的方法，在我国已经为广大缺乏淡水地区提供了饮用水。 海洋局杭州水处理技术开发中心开发的集装式水处理移动车，适用于苦咸水、海水淡化、流动性作业的行业，已经在全国推广。

目前国内利用纳滤进行高硬度海岛苦咸水软化已获得成功。纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种新型膜分离过程，利用纳滤膜的特殊分离性能，可以实现二价离子与一价离子的相对有效分离，从而去除水中的硬度。 已把纳滤技术的研究和开发列入攻关项目，为加速纳滤工艺过程的推广应用， 海洋局水处理技术开发中心于1997年在山东省长岛南隍城建成144m³/d高硬度海岛苦咸水软化示范工程，其中的技术关键是纳滤膜。整个系统连续正常运行27个月，所产的软化水优于 规定的饮用水标准。

2.1.3 在废水处理中的应用

近年来，由于全球水资源短缺，将陶瓷膜分离技术应用于废水的处理和再利用显得更加重要。从材料特点考虑，由于陶瓷膜可以在苛刻的条件下进行长期稳定的分离操作，这也决定了它在水处理领域应用的主要方向是废水处理，特别是工业废水的处理。

2.1.3.1 在处理含油废水中的应用

工业含油废水的种类极其繁多，大致有油田采出水、金属表面清洗水、石油化工厂排放的生产废水、各种润滑剂废水、乳化液废水等。这些废水若直接排放，将严重污染环境。由于含油废水往往具有难降解、易乳化等特点，常规方法处理难以得到理想的效果。无机陶瓷膜在处理含油废水方面具有突出的优势，表现在通量高，使用寿命长，且对膜的孔径大小要求相对较宽松，Simms等人（1995）采用了高分子膜和Membralox陶瓷膜对加拿大西部的重油的采出水进行了处理，其通量相对较小。Hum等人用复合陶瓷膜，对浓度为600～11000ppm乳化液进行油水分离，油的去除率超过95%。日本近年来也对水溶性切削油的陶瓷膜处理作了详细的研究，并将其与有机膜作了比较，结果认为用陶瓷膜处理较为优越。这些结果表明：采用陶瓷膜处理工业含油废水是可行的，出水水质均能满足回注水或排放水各项指标的要求。

2.1.3.2 在处理纺织废水中的应用

纺织染色工程均以水为介质，而且往往需要一次或多次水洗，用水量比较大，排放的废水对环境污染严重。在印染过程各工序排出的废水含有的主要污染物为：悬浮物、BOD有机物、COD染料、还原漂白剂、重金属（如铅、铬等）以及色度染料等，同时处理的难度很大。Soma等人利用无机微滤膜处理印染废水，膜孔径平均为0.2nm，压力1～0.5MPa，错流速度3～5m/s。实验结果表明：悬浮物、有机物的去除效果均明显，其中不溶性燃料去除率大于98%，通过加入一些表面活性剂可使可溶性染料的去除率大于97%；在陶瓷膜工业性试验中染料的去除率为80%；COD去除率为40%，通量为260～280L/(m²·h·MPa)。

2.1.3.3 在化工废水处理中的应用

化工行业在生产中产生的废水一般具有强酸、强碱或强腐蚀性，有机膜由于自身的弱点往往难以胜任，而对于像陶瓷膜之类的无机膜来说，恰恰是它们的强项，在处理这类废水时，它们具有独到的优势。NGK公司采用氧化铬陶瓷膜从盐酸溶液中回收TiO₂细微粒子，用去离子水进行洗涤，以除去产品中的酸根，经过处理，洗涤水的电导率从200ms/cm下降到0.5ms/cm。实验也表明，用氧化铝陶瓷微滤膜在处理酸性废水时，取得了较好的效果。

2.1.3.4 在其它废水处理中的应用

无机陶瓷膜作为新型的膜分离技术，在各个领域的废水处理中都有不俗的表现。如对放射性废水、含重金属废水、城市生活污水、造纸废水的处理上效果明显。

2.2 无机陶瓷膜气体处理中的应用

2.2.1 在空气净化中的应用

空气中含有的细菌和尘埃等悬浮粒子直接影响着空气的质量，空气中的这些细菌和悬浮粒，对人体健康有很大的影响。无菌洁净空气对许多行业如医疗部门、生物制品、食品等行业和电子、航天、精密仪器、仪表等部门尤为重要。无机陶瓷膜由于具有优越的热、化学、微生物和机械稳定性，可用于空气的分离和净化。黄肖容等人利用梯度硅藻土陶瓷管进行空气净化的研究，结果显示，孔径范围为0.07～0.16μm，平均孔径0.08μm的梯度硅藻土微滤膜管能完全滤除空气中大于0.1nm悬浮微粒。并可完全滤除空气中的常见细菌。在0.05MPa操作压力下，梯度硅藻土微滤膜管的初始通量达124.5m³/m²·h，稳定通量为1005m³/m²·h，一次性使用寿命为4～12年。

2.2.2 在气-固分离中的应用

高温气体中固态粒子的脱除、回收一直是工业粉体生产、废气排放处理、环境保护的重大课题。随着纳米科技时代的到来，规模化生产纳米粉体的收集成为一大技术难题。如喷雾干燥器尾气中的粉体流失率常达到百分之十几和几十。目前的气体除尘、收尘技术和设备都或多或少存在一些问题，无法胜任这种新的需求。随着 的多孔陶瓷膜的出现，为解决上述气-固分离难题提供了一种切实可行的新型技术路线。陶瓷膜具有耐高温、耐腐蚀、耐冲刷、机械强度大、结构稳定、不变形、寿命长等突出优点，因而是被广泛接受和称誉的热粒子过滤材料的较佳选择。陶瓷膜除尘器分离效率高，除尘率一般可以超过99.5%，有的报道甚至可以达到99.9995%的程度，是其他除尘、收尘设备无法比拟的。陶瓷膜的气-固分离应用主要在烟气除尘和粉尘回收两个方面。

国外研究气-固分离，用陶瓷膜过滤器已有多年的历史。目前，陶瓷膜已在煤炭气化、废物焚烧、废物热解、再生黑色金属熔化、贵金属回收、热土壤重整、流化床金属净化、锅炉装置、化工制造和玻璃熔化等领域得到应用。在我国，陶瓷膜用于气-固分离的研究和应用还处于起步阶段。

2.2.2.1 在烟气除尘中的应用

瑞典、芬兰和美国等 较早将该技术研究应用于IGCC（集成气化联合循环）发电厂的除尘系统。芬兰的环境电力公司发明了一种简化的IGCC工艺，其中应用陶瓷烛式过滤器来进行热气体净化，过滤效率为99.4～99.8%。过滤后出口颗粒含量小于5mg/m³。这低于通常所要求的到达汽轮机的产物气体中固体质量分数5×10^-6的技术要求，并且比环保所要求的值低了几乎一个数量级。在英国，用无机陶瓷过滤器处理燃煤工厂的废气已被证实是较适合的颗粒脱除技术，有一座燃煤电厂自1991年起使用陶瓷膜过滤器进行烟气除尘，一直在成功地运行，认为这是一种较为可信的除尘技术。美国Ceramem公司报道了他们研制的多孔陶瓷膜过滤器，其面积/体积比达到5000m²/m³（布袋除尘器仅为33m²/m³），可直接安装在烟道气中滤去99%的烟尘。

2.2.2.2 在粉体回收中的应用

在煤炭气化工艺中，陶瓷膜用于热气体净化已经是较成熟的工艺，如荷兰Bugge num的Shell煤炭气化工艺从1993年起开始使用德国Schmache提供的烛式陶瓷过滤器。该过滤单元装置（HGF864/1500）高17m，直径4.2m，包括864根烛式过滤膜管，分为18组，每组48根构成一个组件。气体处理量大约为400000m³/h，承压4MPa，操作温度400℃。济南钢铁厂的干熄焦工程采用陶瓷多管除尘器和湿凝聚式除尘器组合的水膜除尘，经合理设计，达到了同时去除烟尘和烟气中二氧化硫的目的，除尘效率达到98%，气体排放低于 标准，年创效益25.69万元。

3 陶瓷膜分离技术在环境保护中的展望

无机陶瓷膜处理的各种废水和废气涉及到社会的许多行业，市场容量巨大，估计其规模以亿元计算，经济、社会效益均比较明显。目前对无机膜分离过程、膜催化反应的研究较多，无机生物膜反应器的研究工作也开始起步，其良好的发展前景使之成为各国研究的热点。尽管陶瓷膜的研究与应用已经取得了很大的进展，但仍然存在许多制约其广泛应用的问题，值得深入地研究和探讨，主要是如何降低陶瓷膜的生产成本；如何增强陶瓷膜的韧性；如何提高膜的分离效果及长时间维持膜通量的稳定性；如何扩展无机陶瓷膜的应用范围和应用深度等方面，这些都是今后陶瓷膜的制备和应用方面应重点突破的方向。