膜分离技术是20世纪60年代后迅速发展起来的一项高新技术，以分离效率高、操作方便、设备紧凑、无相变和节能等优点广泛应用于多个领域。20世纪80年代以来，以陶瓷膜为主导的无机膜研发开始逐渐引起关注，具有理化稳定性好、机械强度大、耐高温等优良特性。尤其是20世纪90年代后，无机膜技术的发展更为迅速，年增长率达到30%～35%，尤其是陶瓷膜，市场占有率达到了80%左右。

1 陶瓷膜发展概况

1.1 陶瓷膜简介

陶瓷膜是以陶瓷材料为介质制成的具有分离功能的无机分离膜，主要依据“筛分”原理，以压力差为推动力，实现物质之间的分离。目前开发的陶瓷膜主要有氧化铝质、氧化钴质、氧化硅质、氧化钛质、硅酸铝质、碳化硅质等。

与目前工业化应用较多的有机膜相比较，陶瓷膜具有以下优点：

（1）化学稳定性好，耐酸碱和有机溶剂，抗氧化性好。

（2）机械强度高，在高压或大的压差下使用不会变形；耐磨、耐冲刷，可以用高压反冲使膜再生。

（3）抗微生物能力强，有很好的抑菌作用，适用于医学和生物工程。

（4）耐高温，一般可以在400℃下操作，操作规程温度高达800℃以上。

（5）孔径分布窄，分离效率高。

（6）无毒，适用于食品和药物的处理。

（7）耐用性好，使用寿命长。

陶瓷膜的不足之处在于造价较高，不耐强碱，并且陶瓷材料脆性大，给膜的成型加工及组件装配带来一定的困难。

1.2 陶瓷膜的国内外发展现状

国际上对陶瓷膜的研究始于20世纪40年代，其发展可分为三个阶段：二战期间以铀同位素分离为主的核工业阶段：20世纪80-90年代，以无机微滤膜和超滤膜为主的液体分离阶段；20世纪90年代后，以气体分离应用为主和陶瓷膜分离器-反应器组合构件的研究阶段。经过这三个阶段的发展，无机陶瓷膜分离技术已初步实现产业化。

目前国外陶瓷膜产品的产业化、商业化程度已达到较高的水平，其中美国、日本、法国等在陶瓷膜的开发和应用方面发展极为迅速。比如美国Norton公司开发Ceraflo的α-Al₂O₃单管型微滤膜，膜孔径为0.2～2μm，用来反冲洗涤和蒸汽消毒；法国Ceraver、SPEC公司等都生产出单管、板状及多通道的超/微滤膜管，主要应用于液体分离。

我国陶瓷膜技术开发较晚，“九五”期间在 重大项目的支持下，南京工业大学成功开发出陶瓷微滤和超滤规模生产技术，实现了多通道陶瓷膜的工业化生产，陶瓷膜产品已在化工、食品工业、医药工业、环保等领域推广应用，单台陶瓷膜过滤设备的膜面积已经达到220m²，初步形成了陶瓷膜的新产业。江苏久吾高科技有限公司、南京九思高科技公司、合肥世杰膜工程有限责任公司等企业在陶瓷膜材料制备技术方面逐渐积累经验，形成了自己的技术核心，在一定领域达到了 水平。但国内陶瓷膜的发展与国外 相比整体仍存在着明显的差距，需要继续大力发展。

2 陶瓷膜的应用领域

2.1 陶瓷膜在水处理中的应用

陶瓷膜在水处理中的应用研究已经渗透到海水淡化预处理、给水处理、生活污水和工业废水处理等多个领域。采用陶瓷膜进行海水淡化预处理、步骤简单，运行稳定。吴克宏等考察了50nm的陶瓷膜对地表水中的无机浊度物质及天然有机物的去除效果，结果表明陶瓷膜的除浊效果很好，处理出水浊度＜0.1。邢传宏等研究了陶瓷膜生物反应器对生活污水的处理效果，结果表明出水水质优于建设部杂用水水质标准。由于大部分工业废水水质比较特殊，有机膜不能胜任，陶瓷膜则可以在苛刻的条件下长期稳定的运行，因此陶瓷膜在水处理领域中的主要应用方向是废水处理，特别是工业废水的处理。

2.1.1 含油废水的处理

工业生产中的含油废水主要包含油田采出水、石油化工厂排放的生产废水、金属表面清洗水、乳化液废水、各种润滑剂废水等。含油废水具有难降解、易乳化的特点，采用常规方法难以有效处理，而陶瓷膜出水水质好、回收油质较好等优势使其在含油废水处理中具有很强的竞争力。

目前大多采用氧化铝膜、氧化锆膜处理含油废水，主要应用领域包括金属清洗液、石化行业的含油废水、轧钢乳化液和油田采出水处理。Simms K M等分别采用有机膜和Membralox陶瓷膜对重油油田采出水进行处理，结果表明陶瓷膜的处理效果更加优异。Jiaoying Cui等采用自制的α-Al₂O₃陶瓷膜处理含油100mg/L的乳化含油废水，去油效果明显，去除率达到99%以上；Ebrahimi等人采用超/微/纳滤陶瓷膜的联合工艺处理油田废水，发现油去除率可达99.5%以上。因此，采用陶瓷膜处理工业含油废水具有很强的可行性和优势性。

2.1.2 化工、石化和印染废水的处理

在化工和石化行业中产生的废水往往具有强酸碱或强腐蚀性，有机膜处理对这类废水效果很差，而陶瓷膜具有良好的化学稳定性，非常适合处理此类废水。Bauer等人采用碳纤维复合微滤膜处理钛白工业生产废水，对废液中TiO₂微粒的去除效果良好。

印染废水成分复杂，处理困难且排放量大，是废水治理的一个难点。目前陶瓷膜正在逐步取代有机膜的位置。吴俊等研究了陶瓷膜处理染料废水过程，考察了膜孔径、操作条件对处理效果的影响以及清洗剂和清洗时间对清洗效果的影响，为陶瓷膜在印染废水处理中的应用打下了基础。嵇鸣等采用氢氧化镁吸附与陶瓷膜微滤相结合的工艺进行活性染料废水脱色处理，结果表明在合适的条件下，脱色率可达98%以上，1.0μm膜的通量达到150L/(m²·h)左右。

2.2 陶瓷膜在食品工业中的应用

用于食品工业中的膜要求耐高温蒸汽（70～121℃）、耐化学和生物腐蚀、无二次污染，且多次清洗仍能保持分离性能不变，而陶瓷膜可以满足这些要求。陶瓷膜在食品工业的应用始于20世纪80年代，主要应用于酒类和果汁饮料的澄清、浓缩及奶酪的制造等。

2.2.1 酿造工业

啤酒生产过程中会产生大量废酵母泥与酒头，传统处理方法是先静置后用硅藻土过滤，需占用较大规模储罐，生产周期长。采用陶瓷微滤膜过滤技术可以回收酵母泥中残留的啤酒，减少了废物排放。采用陶瓷膜技术还可以替代传统葡萄酒生产过程中的硅藻土过滤，去除葡萄酒中的菌体、酵母、悬浮粒子等。法国的SIVA公司的陶瓷膜集成系统（TIS）在葡萄酒的过滤中已得到了成功的应用。国内酱油、醋、料酒等调味品生产采用固体发酵法，通常采用加热灭菌法和硅藻土过滤以提高澄清度。采用陶瓷膜技术对酱油、醋、料酒进行除菌过滤，省去了加热工序，降低了生产成本，提高了产品质量。梁姚顺等采用不同孔径的无机膜和有机膜对酱油进行过滤实验，结果表明膜过滤应用于酱油生产中是可行的，孔径为1.2μm的陶瓷膜过滤效果较好。

2.2.2 牛奶工业

陶瓷膜在牛奶工业中的应用始于20世纪70年代，目前主要用于除菌、乳清蛋白浓缩物的回收、牛乳的浓缩等。1987年，Piot等人 将无机膜用于全脂牛奶的过滤除菌，取得了良好的效果。将巴氏杀菌和陶瓷膜过滤相结合的工艺生产巴氏杀菌牛奶的过程已实现工业化，除菌率可以达到99.8%～99.9%。刘艳平等研究了不同筛分膜对脱脂乳酪蛋白胶束和乳清蛋白的分离效果，并研究了不同操作参数对渗透通量的影响，确定了切割分子量300kDa的陶瓷膜分离效果较佳。

2.2.3 果蔬汁和饮料工业

陶瓷膜澄清及反渗透膜脱水浓缩集成工艺能够很好的代替果汁、蔬菜汁、茶饮料等生产过程中的除杂澄清及浓缩脱水过程。陶瓷膜具有过滤精度高、耐污染、易清洗再生等优点，采用陶瓷膜去除果蔬汁中的细菌、果胶、蛋白质等杂质，减轻了后续反渗透膜浓缩过程中的污染负担，增加了反渗透膜的使用寿命。

李军进行了陶瓷膜错流超滤中试系统研究，采用孔径为100nm的陶瓷膜对果胶酶酶解后的鲜榨苹果原汁进行过滤澄清与除菌，确定了较佳工艺条件，并优化了清洗剂的配方，验证了陶瓷膜在果汁过滤中具有很好的商业应用前景。

2.3 陶瓷膜在生化和制药工业中的应用

陶瓷膜在生物化工和制药行业中的应用主要集中于原生质、酶、微生物的分离和回收及生物发酵液的澄清、中药有效成分提取等；减缓膜污染和确定适宜的清洗方法是陶瓷膜分离技术在该领域进一步推广的技术基础。

2.3.1 氨基酸、核酸类和抗生素的生产

发酵法生产氨基酸、核酸类以及抗生素等过程中，都存在着除菌过滤步骤。传统的除菌过滤工艺存在着提取步骤多、废水排放量大、产品收率低且质量不高等缺点。使用陶瓷膜可以大大简化步骤，减轻劳动强度，提高产品质量和收率，经济效益非常可观。王焕章等对陶瓷膜在谷氨酸发酵液除菌过程中的应用进行了研究，实现了除菌、洗菌和浓缩过程的连续操作，筛选了陶瓷膜的较佳孔径，确定了较佳操作条件和清洗方式。曾坚贤等以陶瓷微滤膜过滤肌苷发酵液，考察了操作参数对膜通量的影响，获得了有效的膜清洗方法；证明陶瓷膜微滤技术处理肌苷发酵液是可行的。

2.3.2 中成药的澄清

中成药主要经过煎煮水提来制备，水提液中含有一些悬浮物和可溶性杂质，影响产品质量，因此必须澄清除杂。传统除杂工艺是醇沉，但它存在着中药总固体及有效成分损失严重、生产周期长、乙醇用量大且回收率低等缺点。采用陶瓷膜对中药水提液进行澄清处理，使成药的质量大大提高且有效成分的损失大大减少，并缩短了生产环节，无须化学药剂。董强等采用陶瓷微滤膜错流方式进行了中药复方水提液过滤澄清，考察了操作条件对膜污染的影响，确定了适宜的操作参数和清洗方法。

2.4 陶瓷膜在气固分离中的应用

陶瓷膜在近二十年才开始应用于气固分离方面，主要包括粉体回收和烟气除尘。在煤炭燃烧和气化、化工、水泥和冶金等行业中都存在着气-固分离过程。陶瓷膜耐高温腐蚀、耐清洗、机械强度大等特性，使其在高温气体中固态粒子的脱除或回收应用中优势明显，已被广泛认为是气固分离的较佳材料。

目前，在废物焚烧、煤炭气化、贵金属回收、锅炉装置、废物热解、流化床金属净化等领域已经得到应用。如美国、德国、日本、英国、荷兰等发达 将陶瓷膜应用于PFBC和IGCC的高温除尘，获得了良好的回报。相比于国外，我国在气固分离方面陶瓷膜的研究和应用还处于初级阶段，尚少有工业应用。

2.5 陶瓷膜在膜催化反应器中的应用

膜催化反应器是近二十年发展起来的集成技术，适用于众多反应，尤其是高温气相反应。现在的研究大多数还只停留在实验探索阶段，工业化应用的还很少。膜催化反应器中使用的膜材料主要为无机膜，陶瓷膜热化学稳定性好、耐高温等优点使其在膜催化反应器中大放异彩。

崔鹏等设计了一种新型光催化-陶瓷膜分离集成反应器，研究表明，集成反应器对TiO₂-甲基橙悬浮液体系中光催化剂TiO₂有很好的截留效果，可达99.9%。徐积武等制备了负载SO₄^2-/ZrO₂固体酸陶瓷膜，并对其用于油酸和甲醇酯化反应进行研究，通过测定不同反应温度、不同催化膜负载率和不同n（甲醇）：n（油酸）下油酸的转化率，确定了较佳反应条件。

3 应用前景展望

由于陶瓷膜具有许多有机膜无法比拟的性能，如耐高温、耐生化腐蚀、机械强度高等，因此在气固分离、工业废水、食品工业和生物工程等领域中有着广泛的应用前景。今后的研究方向主要包括以下几个方面：

（1）从陶瓷膜本身出发，开发低价高性能的膜材料，降低生产成本；改进制膜工艺，控制膜孔径的分布，进行膜改性，提高陶瓷膜的分离效率和渗透性能；寻找减少膜污染的方法，延长使用寿命；同时对陶瓷膜结构和膜过程两方面进行优化，开发出低成本、高性能的陶瓷膜成套装备，解决高温高压下的密封性难题。

（2）陶瓷膜与MBR（膜催化反应器）、催化剂、有机超/微/纳滤膜等工艺的集成处理技术仍有待深入研究，需重点解决陶瓷膜的脆性、成本和再生性问题，以达到稳定的操作效果。

（3）今后的发展重点仍是继续完善现有的超/微滤陶瓷膜，并发展具有分子筛分功能的纳滤膜、气体分离膜和渗透汽化膜。发展方向要有针对性和侧重点，是在一些陶瓷膜具有独特优势的领域，如高温气固分离、工业废水处理等，需要着重发展。充分发挥陶瓷膜的特性，和有机膜合理匹配，共同推动膜产业的健康发展。