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水处理用的多孔陶瓷膜,到底具备什么结构?
2021年04月23日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:217
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人类进行水处理已有相当多年历史,其中最古老的方式就是利用明矾。而在当今社会,由于污染源的增多,水处理的重要性更加凸显,包括给水处理、污废水及雨水处理在内,只要需要用水的地方就都少不了这一步。

水处理一般是指水经人为或自然现象,而改变其内容物成分变化的过程。由于液体的分离难度较高,因此过滤技术的选择也不能太随便——其中,多孔陶瓷膜由于具有孔隙率高,透气阻力小,可控孔径,清洗再生方便以及耐高温、高压和较强的耐化学腐蚀等性能,很适合用于水处理等场所的过滤工作。

多孔陶瓷膜

不过尽管多孔陶瓷膜在水处理中的应用重要性已经人尽皆知,但大家对它们的了解似乎还比较有限。下面便来一起看看这些用于水处理的多孔陶瓷膜到底具备什么样的结构。

多孔陶瓷膜的结构

在实际应用中,多孔陶瓷膜常由一种或多种无机材料组成,采取多层堆叠的非对称结构,这样的构造,使得它与多孔陶瓷相比具有更高的分离性能。其中,多孔陶瓷膜最重要的分离层孔结构一般是颗粒以任意堆积方式形成的,渗透率和分离系数是衡量膜性能的两个重要指标,而孔径的大小则决定了多孔陶瓷膜的应用范围和分离机制。经过数十年的发展后,目前主流的水处理用陶瓷膜的构造如下图所示:

1:改性分离层;2:分离层;3:中间层;4:多孔支撑体

由上图可知,多孔陶瓷膜通常会包括一层大孔支撑体、一到两层介孔中间层和一个微孔分离层。底部支撑体层用于提供机械强度,中间层起到了大孔和小孔之间的过渡衔接作用。一般“配置”越全,过滤精度就越高——比如说当只有中间层和支撑体时,一般只能到微滤的作用;但若五脏俱全,最高可达到纳滤或气体分离的级别。

1 陶瓷膜种类及其相应应用领域

目前常用的陶瓷膜材料包括 Al2O3TiO2ZrO2SiO2等。商用陶瓷膜一般为圆片状、平板状或管状,采用集成方式堆叠成膜组件,并最大限度提高堆积密度(单位体积内的有效膜面积),人们开发了氧化铝多通道管式膜组件,如下图所示。

多通道膜组件断面结构图

Hsieh比较了单一管状膜与多通道膜组件的堆积密度,计算结果显示,单一管状膜的堆积密度为 30-250 m²m-3,圆形多通道膜组件为 130-400 m²m²,蜂巢形多通道膜组件达到了800 m²m²3。

多孔陶瓷膜的功能组成

饮用水处理中主要将以下几种污染物作为目标物:①颗粒物(粘土颗粒、有机物颗粒、藻类、细菌等);②NOM如腐植酸、富里酸和糖类等;③微污染物(氨氮等)和新型微量污染物(嗅味物质和 PPCPs 等)。

未经处理的水中含有大量的微生物

由于天然水体中颗粒物的来源不同,所以颗粒物的浓度、大小和表面化学性质变化很大。比如说单纯水体中颗粒物就有好几类,来自陆地和大气的如粘土颗粒、粉尘等;来自水体的化学和生物过程,如藻类、碳酸钙、氢氧化铁沉淀物等。因此为了针对不同的污染物,陶瓷膜需要跟其他工艺结合使用,才能达到最佳的净化效果。

1.陶瓷膜与混凝集成工艺

混凝是传统水处理工艺中必不可少的环节,混凝与膜处理的组合是当前应用最广泛的组合方式。絮凝剂的添加可以使较小的颗粒形成大颗粒,进而形成一层多孔的滤饼,可减少膜的堵塞和使用周期,降低运行成本。由于陶瓷膜本身就有很好的去除浊度的作用,因此陶瓷膜与混凝集成工艺的研究主要集中在有机物的去除方面。大量研究表明,在过膜滤前添加絮凝剂和吸附剂可以改善有机物和消毒副产物的去除率并维持膜的通量。

2.陶瓷膜与粉末活性炭(PAC)集成工艺

天然有机物(NOM)的污染是膜污染的一个重要因素。PAC工艺在饮用水处理中最初多与有机膜联合应用。PAC 可以有效的吸附 NOM 和嗅味物质等其他小分子类的有机物,将 PAC与膜工艺结合起来,不但可以去除小分子的有机物,还能减缓膜的污染。利用陶瓷膜与活性炭集成工艺可以实现污染物从水体中的吸附和分离,并可以防止膜的污染,延长过滤时间和增加过滤通量。

3.陶瓷膜与臭氧集成工艺

在传统饮用水处理工艺中,臭氧一般作为消毒剂或生物活性炭(BAC)过滤的预氧化剂使用。目前,臭氧陶瓷膜工艺的研究主要集中于臭氧对膜污染的控制和NOM的去除。主要机理为臭氧或臭氧分解产生的羟基自由基与NOM发生反应,改变有机物的结构,从而降低膜过滤过程中膜的有机物污染,提高膜通量。

总结

总的来说,多孔陶瓷膜在水处理领域中前景无穷。但为了更好地提高陶瓷膜的性能,推动陶瓷膜技术及产业的发展,在制备技术的研究上还需要得到进一步的增强,如提高陶瓷膜材料的分离精度及其分离稳定性;实现陶瓷膜表面性质的调控,通过改变其表面亲疏水性及荷电性、生物兼容性等以拓展陶瓷膜的应用领域以及降低成本等。

资料来源:

膜蒸馏海水淡化和油水分离用疏水多孔陶瓷膜研究任春雷

陶瓷膜及其集成工艺处理微污染饮用水的研究郭建宁。

粉体圈 小榆整理


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