随着水污染日益严重和水资源的枯竭，人们对污水深度处理和循环再利用的要求越来越高。水处理过程中，膜技术的应用越来越广泛，已扮演了相当重要的角色。有机膜首先得到应用，它在很多方面有独到的优点，例如有韧性、适应各种大小粒子的分离、制备相对简单、易成型、工艺较成熟等。但也有一些自身无法克服的缺点：热稳定性差、抗腐蚀性差、使用寿命短、易堵塞、不易清洗等。20世纪80年代以来，无机膜的研发已逐渐引起关注。美国BCC统计结果显示，2005年全 膜市场的消费量为70亿美元，而无机膜约占20%；在无机膜中，陶瓷膜的应用超过80%，并以每年35%的速度增长，在石化、食品、医药、能源、资源、环境等领域发挥了重要作用。而陶瓷膜过滤作为一种新型无机膜分离技术，在废水处理和再利用等方面已成为国内外竞相研究开发的热点之一。

1 无机陶瓷膜的发展状况

无机膜生物反应器（IMBR）是20世纪90年代在MBR基础上兴起的，其核心组件是无机陶瓷膜。与有机膜相比，无机陶瓷膜具有结构稳定、孔径分布均匀、化学稳定性好、耐高温、耐强酸强碱和有机溶剂、耐微生物侵蚀、机械强度高、易再生、通量大、寿命长以及可降低用户维修与更换费用等优点。

1.1 无机陶瓷膜在国外的发展状况

国际上对无机陶瓷膜的研究始于20世纪40年代，在20世纪60年代后无机陶瓷膜得到大规模的工业应用，特别是到了80年代后期，陶瓷膜在水处理领域的应用研究得到了突破性的进展，日益凸显出的技术优势和广阔前景成为研究的热点。20世纪70年代到80年代中期，日本、美国、荷兰等 在陶瓷膜的研发方面发展迅速。20世纪70年代，日本成功开发出了孔径为5～50nm的陶瓷中空纤维超滤膜，适合于生物制品的分离提纯。20世纪80年代，美国许多大型公司将重点放在了对陶瓷膜材料的研发及改进上，UCC公司开发出以多孔炭为载体、外涂一层陶瓷氧化锆的陶瓷超滤膜管，Alcoa/SCT公司开发出可承受反冲或采用正交操作的商品名为Membralox的陶瓷膜管。此外，日本的几家公司也相继成功地开发了无机陶瓷膜。荷兰Twente大学Blggraaf等采用溶胶～凝胶技术制成了具有多层不对称结构、孔径达到几个纳米的微孔陶瓷膜。溶胶～凝胶技术的出现，使无机膜的制备技术有了新的突破，并将无机膜尤其是陶瓷膜的研制推向了新的高潮。

1.2 无机陶瓷膜在国内的发展状况

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，并建成了生产基地，产品在水处理、石油化工、食品工业、医药工业、生物化工等领域获得成功的应用，取得了较好的效果。特别是完成了低温烧结多通道多孔陶瓷膜的研究，该项目的研究成果对于提高我国陶瓷膜的研究，该项目的研究成果对于提高我国陶瓷膜的质量、降低成本具有重要意义。现在已有许多的研究者将重点放在了陶瓷膜的研发上，初步形成了陶瓷膜的新产业。目前，我国从事膜研发的机构有30余家，从事生产的企业大约300家。单台陶瓷膜过滤设备的膜面积已达220m²。在销售方面，陶瓷微滤膜和陶瓷基复合膜约占整个无机膜市场的50%以上，目前国内市场化的陶瓷膜主要应用在工业废水处理上，并取得了良好的处理效果，但在生活污水方面仍处于试验研究阶段。

2 无机陶瓷膜在水处理方面的应用

2.1 在饮用水净化方面的应用

地表水是饮用水水源的主要组成部分，传统的自来水生产工艺为混凝～过滤～消毒，可去除水中大量的悬浮物和细菌。但是由于近年来水源污染的加剧，传统工艺渐显不足，用微孔陶瓷膜进行地表水的处理，主要的优点是能够保证更好和更可靠的水质，不用添加化学物质，特别适合于高附加值产品。

使用陶瓷微滤膜和超滤膜处理地表水制备饮用水已在欧洲应用多年，法国、英国等都用陶瓷膜进行规模性的饮用水的生产。同时有文献报道，在陶瓷膜过滤前加入预处理系统的技术模式有着广阔的研究前景，有人将原水在预处理系统中加入超细活性炭（SPAC）来去除因含有藻毒素所引起的异味，再经由陶瓷膜过滤系统进行处理。结果显示：在使用一定量SPAC进行预处理后，异味的去除率在95%以上，此项工艺近年来在日本已经大规模地进入工程试用研究阶段。而且陶瓷膜过滤技术经过混凝、吸附等预处理，不仅可以提高膜通量，同时也可以去除原水中的浊度和微生物。吴克宏等用50nm的陶瓷膜对地表水进行天然浊度物质去除试验，结果表明：50nm的陶瓷膜对天然浊度物质去除试验，结果表明：50nm的陶瓷膜对天然浊度物质处理效果良好，出水浊度＜0.1度。隋贤栋等采用硅藻土梯度陶瓷微滤膜净化自来水，结果表明：平均孔径为0.15μm的梯度陶瓷膜，可以完全滤除水中的大肠杆菌、沙门氏菌、金葡萄球菌和霉菌等致病病菌以及铁锈、红虫和各种悬浮微粒。通过简单的机械清洗，通量可完全恢复，无膜的深层污染和孔隙堵塞，可有效地防止净水的再次污染。大量的试验证明，将陶瓷膜过滤技术应用在饮用水的净化方面可行。

2.2 在工业废水处理方面的应用

工业废水的水质比较复杂，常规工艺很难达到预期的处理效果，陶瓷膜的诸多特性在废水处理方面也显示出其独特的优势。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工业废水处理。总结以往研究表明，陶瓷膜在化工和冶金废水处理中的研究和应用占整个工业废水的45%左右，其他的依次为纺织废水和造纸废水等。

2.2.1 在化工和冶金废水处理中的应用

化工和冶金废水包括氨氮废水的处理、酸碱废水的处理、含油废水的处理等许多方面，其中含油废水的处理占化工和冶金废水处理的90%左右。

工业含油废水的种类极其繁多，大致有金属表面清洗水、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。由于无机陶瓷膜具有疏油性，所以在处理含油废水方面具有很大的优势，主要表现为使用寿命长，且对膜的孔径大小要求相对较宽松。

徐南平等总结了国内外研究人员采用无机陶瓷膜处理油田采出水的情况，结果见表1。

表1：高分子膜和陶瓷膜处理重油采出水情况对比

表1表明：在适宜的温度和操作压力下，陶瓷膜不仅可以去除采出水中SS，而且可以降低采出水中的油。王怀林等分别采用0.8μm氧化铝膜和0.2μm氧化锆膜对油田含油废水进行处理，取得了较好的结果；S.H.Hyun等用复合陶瓷膜，对油质量浓度为600～11000mg/L的乳化液进行油水分离，油的去除率＞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的各项指标的要求。

2.2.2 在纺织废水处理中的应用

纺织染色过程中，由于需要进行多次清洗，所以用水量比较大，同时废水的色度高、成分复杂，排放的废水对环境污染较为严重。各工序废水中的主要污染物有：悬浮物、BOD、COD、漂白剂、重金属（如铅、铬等）以及色度等，处理的难度很大。胡秀桂等将陶瓷膜动态过滤技术与絮凝技术相结合，对染料废水和漂染废水进行处理，充分发挥动态过滤和陶瓷膜的优点，结果表明，经陶瓷膜分离后的废水，其CODcr和吸光度已出现大幅度下降。马春燕等对印染厂的废水进行了研究，先将废水经过水解酸化-好氧生化进行预处理，再经由陶粒和动态陶瓷膜过滤以保证出水水质，实验表明：在操作压力为0.1MPa，错流速度为1.5m/s时，出水水质均满足出水要求。Soma等利用无机微滤膜处理印染废水，膜孔经平均为0.2μm，压力在0.1～0.5MPa，错流速度3～5m/s。实验结果表明，悬浮物、有机物的去除均效果明显，其中不溶性染料去除率＞98%，通过加入一些表面活性剂可使可溶性染料的去除率＞97%；在陶瓷膜工业性试验中染料的去除率为80%，CODcr的去除率为40%，通量为260～280L/(m²·h)。

2.2.3 在造纸工业废水处理中的应用

造纸废水的主要特点是黑液碱性大、成分复杂、污染负荷高，而无机陶瓷膜具有热稳定性好、耐酸碱腐蚀、适应多种苛刻条件等诸多特点，因此陶瓷膜可用于造纸黑液类废水的处理。Dafinov等研究了用TiO₂、ZrO₂微滤纳滤膜处理木浆黑液中水的再利用及流出液的浓缩，分别用1.5ku和15ku的膜进行测试，通过对总固体（TS）、有机物质、COD和矿物质的比较，15ku的陶瓷膜表现出更好的效果。

有人用无机膜处理牛皮纸浆漂白车间废水，采用0.2μm的氧化铝膜，通量150～1300L/(m²·h)，COD的去除率为25%～45%。也有人分别采用孔径为0.8、0.2μm微滤膜和50nm超滤膜过滤草浆黑液，结果表明，选用0.8μm或0.2μm孔径的膜有利于渗透通量的提高并保证截留效果。另外，在操作压力为0.25～0.35MPa，错流速率≥5.0m/s，温度为60℃时，可获得较高的渗透通量。

2.3 在生活污水处理中的应用

城市污水可对水体造成严重污染，对城市污水进行妥善处理是十分必要的。由于传统活性污泥法的诸多不足，导致我国城市污水处理率仍然很低，2004年我国的污水处理率仅为30%，要求到2010年为止，城市污水处理率不应＜60%。

无机陶瓷膜分离技术是20世纪40年代以来发展起来的一项高新技术，近几年在其基础上发展而来的陶瓷膜生物反应器由于具有结构紧凑、污泥产量低、出水水质优良等优点而成为目前研究的热点。在陶瓷膜处理污水的研究中，大部分的陶瓷膜管选用19通道的膜管，约占陶瓷膜管总数的74%，以管式陶瓷膜组件较为常见。

徐农等以管式陶瓷膜生物反应器处理生活污水，结果表明，CODcr的去除率高达99.5%，氨氮和悬浮固体的去除率达到99.9%和100%，出水水质完全达到生活杂用水标准的全部要求。张洪宇等用陶瓷微滤膜组装的膜生物反应器，在低流速下对生活污水进行处理，也取得较好的效果。黄肖容等采用离心方法制备了梯度氧化铝膜管用于净化生活污水。氧化铝膜不易形成孔淤塞，容易清洗，截留下的污染物停留在控制层表面，经机械清洗后截留率和通量可近100%恢复。邢传宏等采用无机膜-生物反应器（IMBR）处理生活污水。出水COD、NH₃-N和浊度的去除率分别超过96%、95%和98%。

3 总结

尽管陶瓷膜的研究与应用已经取得了很大的进步，但目前无机陶瓷膜在水处理方面主要应用在饮用水和工业废水的处理上，在污水处理方面仍不成熟，存在许多制约其广泛应用的问题。今后应在以下几方面进行深入地研究和探讨，主要是：

（1）降低设备制造成本。

（2）降低运行能耗。

（3）增强陶瓷膜的韧性。

（4）提高膜的分离效果，维持膜通量的稳定性。

（5）膜传递、污染及清洗机理。

（6）与其他技术相结合，减轻膜污染，发挥协同优势等。