人類進行水處理已有相當多年歷史，其中最古老的方式就是利用明礬。而在當今社會，由于污染源的增多，水處理的重要性更加凸顯，包括給水處理、污廢水及雨水處理在內，只要需要用水的地方就都少不了這一步。

水處理一般是指水經人為或自然現象，而改變其內容物成分變化的過程。由于液體的分離難度較高，因此過濾技術的選擇也不能太隨便——其中，多孔陶瓷膜由于具有孔隙率高，透氣阻力小，可控孔徑，清洗再生方便以及耐高溫、高壓和較強的耐化學腐蝕等性能，很適合用于水處理等場所的過濾工作。

多孔陶瓷膜

不過盡管多孔陶瓷膜在水處理中的應用重要性已經人盡皆知，但大家對它們的了解似乎還比較有限。下面便來一起看看這些用于水處理的多孔陶瓷膜到底具備什么樣的結構。

多孔陶瓷膜的結構

在實際應用中，多孔陶瓷膜常由一種或多種無機材料組成，采取多層堆疊的非對稱結構，這樣的構造，使得它與多孔陶瓷相比具有更高的分離性能。其中，多孔陶瓷膜最重要的分離層孔結構一般是顆粒以任意堆積方式形成的，滲透率和分離系數是衡量膜性能的兩個重要指標，而孔徑的大小則決定了多孔陶瓷膜的應用范圍和分離機制。經過數十年的發展后，目前主流的水處理用陶瓷膜的構造如下圖所示：

1：改性分離層；2：分離層；3：中間層；4：多孔支撐體

由上圖可知，多孔陶瓷膜通常會包括一層大孔支撐體、一到兩層介孔中間層和一個微孔分離層。底部支撐體層用于提供機械強度，中間層起到了大孔和小孔之間的過渡銜接作用。一般“配置”越全，過濾精度就越高——比如說當只有中間層和支撐體時，一般只能到微濾的作用；但若五臟俱全，最高可達到納濾或氣體分離的級別。

表1 陶瓷膜種類及其相應應用領域

目前常用的陶瓷膜材料包括 Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、SiO₂等。商用陶瓷膜一般為圓片狀、平板狀或管狀，采用集成方式堆疊成膜組件，并最大限度提高堆積密度（單位體積內的有效膜面積），人們開發了氧化鋁多通道管式膜組件，如下圖所示。

多通道膜組件斷面結構圖

Hsieh比較了單一管狀膜與多通道膜組件的堆積密度，計算結果顯示，單一管狀膜的堆積密度為 30-250 m2m^-3，圓形多通道膜組件為 130-400 m2m2，蜂巢形多通道膜組件達到了800 m2m23。

多孔陶瓷膜的功能組成

飲用水處理中主要將以下幾種污染物作為目標物：①顆粒物（粘土顆粒、有機物顆粒、藻類、細菌等）；②NOM如腐植酸、富里酸和糖類等；③微污染物（氨氮等）和新型微量污染物（嗅味物質和 PPCPs 等）。

未經處理的水中含有大量的微生物

由于天然水體中顆粒物的來源不同，所以顆粒物的濃度、大小和表面化學性質變化很大。比如說單純水體中顆粒物就有好幾類，來自陸地和大氣的如粘土顆粒、粉塵等；來自水體的化學和生物過程，如藻類、碳酸鈣、氫氧化鐵沉淀物等。因此為了針對不同的污染物，陶瓷膜需要跟其他工藝結合使用，才能達到最佳的凈化效果。

1.陶瓷膜與混凝集成工藝

混凝是傳統水處理工藝中必不可少的環節，混凝與膜處理的組合是當前應用最廣泛的組合方式。絮凝劑的添加可以使較小的顆粒形成大顆粒，進而形成一層多孔的濾餅，可減少膜的堵塞和使用周期，降低運行成本。由于陶瓷膜本身就有很好的去除濁度的作用，因此陶瓷膜與混凝集成工藝的研究主要集中在有機物的去除方面。大量研究表明，在過膜濾前添加絮凝劑和吸附劑可以改善有機物和消毒副產物的去除率并維持膜的通量。

2.陶瓷膜與粉末活性炭（PAC）集成工藝

天然有機物（NOM）的污染是膜污染的一個重要因素。PAC工藝在飲用水處理中最初多與有機膜聯合應用。PAC 可以有效的吸附 NOM 和嗅味物質等其他小分子類的有機物，將 PAC與膜工藝結合起來，不但可以去除小分子的有機物，還能減緩膜的污染。利用陶瓷膜與活性炭集成工藝可以實現污染物從水體中的吸附和分離，并可以防止膜的污染，延長過濾時間和增加過濾通量。

3.陶瓷膜與臭氧集成工藝

在傳統飲用水處理工藝中，臭氧一般作為消毒劑或生物活性炭（BAC）過濾的預氧化劑使用。目前，臭氧陶瓷膜工藝的研究主要集中于臭氧對膜污染的控制和NOM的去除。主要機理為臭氧或臭氧分解產生的羥基自由基與NOM發生反應，改變有機物的結構，從而降低膜過濾過程中膜的有機物污染，提高膜通量。

總結

總的來說，多孔陶瓷膜在水處理領域中前景無窮。但為了更好地提高陶瓷膜的性能，推動陶瓷膜技術及產業的發展，在制備技術的研究上還需要得到進一步的增強，如提高陶瓷膜材料的分離精度及其分離穩定性；實現陶瓷膜表面性質的調控，通過改變其表面親疏水性及荷電性、生物兼容性等以拓展陶瓷膜的應用領域以及降低成本等。

資料來源：

膜蒸餾海水淡化和油水分離用疏水多孔陶瓷膜研究，任春雷。

陶瓷膜及其集成工藝處理微污染飲用水的研究，郭建寧。

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