微孔過濾陶瓷在工業(yè)環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展前景

肖九梅

（武漢430055）

1 前言

微孔陶瓷是指在陶瓷內(nèi)部或表面含有大量開口或閉口微小氣孔的陶瓷體，其孔徑一般為微米級或亞微米級。它是一種功能型的結(jié)構(gòu)陶瓷。微孔陶瓷具有吸附性、透氣性、耐腐蝕性、環(huán)境相容性、生物相容性等特點，被廣泛應(yīng)用于各種液體、氣體的過濾，以及固定生物酶載體和生物適應(yīng)性載體，尤其是在環(huán)境工程上得到了大量的應(yīng)用，如工業(yè)用水、生活用水的處理、污水的凈化等方面。隨著科技和工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，能源、資源、三廢治理等問題更加受到重視。尤其是生物化工、精細化工、能源材料等高技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對液、固分離技術(shù)的研究和開發(fā)提出了更高的要求。高分離精度、高運行效率的微孔過濾技術(shù)及微孔過濾材料愈來愈引起人們的重視。

2 微孔陶瓷材料引領(lǐng)過濾技術(shù)發(fā)展

微孔陶瓷材料由于具有孔隙率高、透氣阻力小、可控孔徑、清洗再生方便以及耐高溫、高壓、耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕等特點，因此在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。以微孔陶瓷材料做過濾介質(zhì)的陶瓷微過濾技術(shù)及陶瓷過濾裝置，由于其不僅解決了高溫、高壓、強酸堿和化學(xué)溶劑介質(zhì)等過濾難問題，而且由于本身具有過濾精度高、潔凈狀態(tài)好以及容易清洗、使用壽命長等特點，目前已在石油、化工、制藥、食品、環(huán)保和水處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其是高溫煙氣處理中分離二氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫、氮氣等氣體必須使用過濾陶瓷。

國外多孔陶瓷材料研究開發(fā)和應(yīng)用已有80余年歷史，陶瓷膜產(chǎn)品的研制開發(fā)和應(yīng)用也有近30年歷史,其產(chǎn)品的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化程度已達到較高的水平。20世紀50年代,法國、美國等先后開發(fā)了SiC、莫來石、ZrO2、陶瓷纖維等氣液過濾，微生物處理用微孔陶瓷過濾元件,主要用于化工、食品、飲料及水處理行業(yè)。20世紀70年代，日本等國家在高溫氣體凈化、煙氣除塵用多孔陶瓷過濾材料研究方面取得了較大進展，如日本旭硝子公司等生產(chǎn)的高溫陶瓷過濾器在化鐵爐等高溫煙氣除塵方面進行了大量推廣應(yīng)用。從20世紀80年代開始，國外在陶瓷膜的研究及高溫陶瓷熱氣體凈化技術(shù)方面的研究又取得較大的突破。目前，國外已有專業(yè)的多孔陶瓷材料及陶瓷膜材料生產(chǎn)廠家300余家,如：日本NGK和TDK、法國的CERVER、美國的Corning、烏克蘭的Fairey工業(yè)陶瓷公司、芬蘭奧托昆明克公司等，其中，美國過濾器公司已成為目前全球最大的無機陶瓷分離膜及設(shè)備供應(yīng)商，芬蘭奧托昆明克公司生產(chǎn)的陶瓷真空圓盤過濾機目前已在100多個國家中使用。美國Anguil環(huán)境系統(tǒng)公司生產(chǎn)的自潔式高溫陶瓷過濾器采用了陶瓷過濾和催化凈化技術(shù)，目前已有1600余套高溫氣體過濾裝置在各個領(lǐng)域應(yīng)用。

相比之下，國內(nèi)在多孔陶瓷材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面與國外先進國家相比存在明顯不足，其中一方面是國內(nèi)多孔陶瓷材料的發(fā)展技術(shù)不平衡；二是國內(nèi)絕大多數(shù)人對多孔陶瓷材料缺乏必要的了解。

近年來,在國家科技攻關(guān)政策的扶持下，尤其是在國家環(huán)保、節(jié)能政策的引導(dǎo)下，國內(nèi)多孔陶瓷材料及膜材料技術(shù)有了較快的發(fā)展,產(chǎn)業(yè)化及市場化規(guī)模逐漸擴大，已在陶瓷微濾材料、高溫陶瓷過濾材料及膜材料方面逐漸形成了自己的技術(shù)優(yōu)勢,并且在產(chǎn)品市場推廣和產(chǎn)業(yè)化方面有了一定規(guī)模。在陶瓷膜材料制備技術(shù)方面也在一定程度上達到國外先進水平。多孔陶瓷材料由于受產(chǎn)品制造水平及應(yīng)用技術(shù)的限制，目前在國內(nèi)過濾分離領(lǐng)域所占的市場份額較小，產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化水平普遍較低。但可以預(yù)言，隨著國內(nèi)化工形式好轉(zhuǎn)，能源和環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策的扶持以及國外同行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用市場的不斷擴大，多孔陶瓷材料產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)將會迎來更好的發(fā)展前景。

3 微孔過濾陶瓷材料的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及性能特點

微孔陶瓷過濾介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)屬蜂窩型結(jié)構(gòu)，液流在內(nèi)部流動屬三維流動，在同樣厚度，同樣堵塞條件下阻力增加較慢；而濾布的孔隙結(jié)構(gòu)屬平行管束型，內(nèi)部屬一維流動，阻力增加較快。微孔介質(zhì)重量輕，機械強度較強，再加工性能好（車、刨、鋸、焊等），不易損壞，安裝、檢修與維護方便，這是燒結(jié)陶瓷與燒結(jié)金屬等介質(zhì)不能比擬的。陶瓷過濾材料的主要產(chǎn)品包括各種規(guī)格的微孔陶瓷過濾元件和微孔陶瓷過濾器、高性能陶瓷膜過濾元件及陶瓷膜過濾裝置、高溫氣體凈化除塵用高溫陶瓷過濾材料及高溫陶瓷除塵器、高溫熔體過濾用泡沫陶瓷過濾元件以及陶瓷凈水器、陶瓷曝氣器、陶瓷消聲器、各種陶瓷電解隔膜等。本文主要介紹微孔過濾器、微孔陶瓷過濾管和陶瓷濾芯。

微孔過濾器內(nèi)機械部件少，結(jié)構(gòu)也較簡單，一般為直立安裝，占地面積少，長期接觸化學(xué)物料與粘細物料后也不易損壞。微孔PE或PA為基礎(chǔ)的精密微孔過濾器不僅可適用含固量極少的澄清過濾，也適用于含固量多，能形成濾渣層的“濾渣過濾”，過濾精度高，耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)越。濾渣剝離較完全，排渣迅速，再生效果好，與其他過濾技術(shù)相比，方法簡單是本技術(shù)最顯著的優(yōu)點。

微孔陶瓷過濾管由無數(shù)均勻的微孔組成，當流體從這些微小孔洞通過時，懸浮物質(zhì)，膠體顆粒，大分子有機物被截留在過濾介質(zhì)表面，達到機械篩濾凈化或擴散、流態(tài)化等功效。微孔陶瓷過濾管具有耐腐蝕、耐高溫、機械強度高、無有害物溶出，不會產(chǎn)生二次污染，在流體壓力作用下，微孔不變形，易清洗再生，使用壽命長等特點，可替代棉布、絲織物、塑料、金屬網(wǎng)、石棉絮等濾料。沉淀+微孔陶瓷過濾新工藝，設(shè)計新穎，建設(shè)簡易，經(jīng)濟實用，采用此工藝處理的150余家中小型電廠鍋爐和工業(yè)鍋爐，生活鍋爐除塵沖渣廢水、懸浮物去除率達到91%～97%以上，COD去除率達到89%～95%以上，出口懸浮物濃度一般在10～50 mg范圍之內(nèi)，水質(zhì)清澈透明，全部達到一級排放標準，實現(xiàn)了閉路循環(huán)利用和零排放。

微孔陶瓷濾芯，其配料重量百分組成為：硅藻土50%～75%、多功能健康陶瓷材料8%～20%、消失物5%～10%、粘結(jié)劑5%～15%、純堿1.5%～5%。經(jīng)配料、混料、成型后在600～1300℃溫度下煅燒制而成。陶瓷濾芯內(nèi)部微細孔發(fā)達，可用于凈水器，出水量往往能達到3～5 L/min。其采用硅藻土燒結(jié)，質(zhì)地松脆酥散，軟硬適中，臟后只需用砂布輕輕打磨就能把表層的硅藻土連同表面的臟物質(zhì)一起打磨掉，如同新的一樣。近年來，社會上充斥著大量各種劣質(zhì)凈水器，用低劣品質(zhì)的普通砂芯冒充真正的陶瓷濾芯欺騙顧客。砂芯燒結(jié)所用的材料不是真正的硅藻土，而是細微堅硬的砂石，無法進行正常的清洗。而且砂芯往往技術(shù)不過關(guān)，孔徑大小千差萬別，甚至連最起碼的粗過濾要求都達不到。

4 微孔過濾陶瓷材料的應(yīng)用范圍及市場領(lǐng)域

微孔陶瓷過濾管廣泛用于石油、化工、冶金、熱電、水泥、醫(yī)藥、造紙等工業(yè)企業(yè)的環(huán)境保護“三廢”治理中的固液分離、氣液分離、粉料輸送、油水分離、釀酒業(yè)分離、空氣過濾、循環(huán)水過濾等裝置中，特別適用于鍋爐除塵廢水和沖渣水的過濾。

微孔過濾陶瓷材料在環(huán)保領(lǐng)域用于廢水處理中懸浮物的過濾，化學(xué)混凝后的污泥、絮凝體的過濾、污泥干化脫水；鍋爐濕法除塵廢水中懸浮物的過濾處理（可實現(xiàn)閉路循環(huán)）；離子交換法、電解法、活性炭吸附法處理廢水的預(yù)處理；含油廢水的油水分離處理；氣浮法與蒸發(fā)濃縮的終端污泥過濾處理；放射性廢物燃（焚）燒排氣過濾，垃圾填埋場做滲濾墊層、多孔集氣。廢水滲入暗溝流入集水池集中處理，可防止二次污染或用于綠地、花壇排潰、排鹽；用于氣體過濾，濾除氣體中的塵埃顆粒物和金屬揮發(fā)物；用于重金屬無機物的過濾，如：鉻、銅、鎳、鋅等廢水的過濾和電解槽母液的過濾處理等。

微孔過濾陶瓷材料在工業(yè)領(lǐng)域中可用于四環(huán)素生產(chǎn)中的晶體過濾；化工雙氧水生產(chǎn)中的水質(zhì)過濾；感光膠片生產(chǎn)中的雜質(zhì)過濾；立德粉生產(chǎn)中的硫化鋅過濾；各種結(jié)晶物的過濾；天然氣過濾；壓縮空氣灰塵過濾；二氧化碳氣體濾除粉塵；汽油或柴油發(fā)動機燃料的過濾，以及各種有機溶液；狀態(tài)物質(zhì)和液體金屬雜質(zhì)，如：鉛、錫、水銀、硫磺、石蠟等的過濾；各種酒、飲料、葡萄糖和鹽水過濾。同時，還可作為催化劑載體等。

制藥及食品行業(yè)常涉及活性炭進行脫色過濾及催化劑過濾問題。由于這些介質(zhì)過濾通常要求過濾精度比較高，又常涉及到高溫和腐蝕性溶液等，采用傳統(tǒng)的袋式過濾器或離心過濾機一般很難達到好的去除效果或根本無法使用。使用微孔陶瓷或陶瓷膜過濾器則可很容易解決這個問題。它不但可以提高濾液質(zhì)量，而且濾芯清洗再生效果好，可長時間連續(xù)使用。

無菌空氣及壓縮氣體凈化采用微孔陶瓷過濾器進行空氣的無菌處理具有潔凈狀態(tài)好、濾速高、再生周期長、可高溫消毒殺菌等特點，在制藥、啤酒行業(yè)發(fā)酵用無菌空氣制備方面具有很好的應(yīng)用前景。因此，采用微孔陶瓷過濾器代替價格昂貴的金屬過濾器用于食品、釀造及制藥行業(yè)發(fā)酵無菌空氣的制備是完全可行的。另外，陶瓷過濾器用于高壓壓縮氣體的凈化，用于除油、除雜質(zhì)，在國內(nèi)也得到推廣應(yīng)用。其次，陶瓷過濾器在高壓高溫蒸氣凈化方面也有較大的應(yīng)用市場。

5 微孔過濾陶瓷材料的典型應(yīng)用實例

（1）微孔過濾陶瓷在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

在我國的燃煤鍋爐灰渣系統(tǒng)水力沖渣廢水處理，通常采用脫水倉+濃縮池或撈渣機+濃縮池的方式進行，處理效果不穩(wěn)定且運行費用較高，難以達到水的循環(huán)利用或達標排放的要求。微孔陶瓷過濾板在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用，采用“沉淀+微孔陶瓷過濾板”處理燃煤鍋爐廢水，與上述傳統(tǒng)處理技術(shù)相比較，具有占地面積小、處理效果好、流程簡單、運行維護費用低等優(yōu)點。目前國內(nèi)已有百多家燃煤鍋爐采用“沉淀+微孔陶瓷過濾板”處理灰渣系統(tǒng)溢流廢水，均能達到節(jié)能減排的效果。微孔陶瓷過濾板采用氧化鋁、碳化硅、陶瓷顆粒、精制石英等為骨料，加用粘結(jié)劑和成孔劑壓制成型，經(jīng)1050～1350℃高溫燒結(jié)而成。產(chǎn)品由許多大小分布均勻，且相互邊貫的橋拱狀開口微孔組成。當流體從微孔通過時，懸浮物質(zhì)、膠體顆粒、大分子有機物被截留在微孔陶瓷過濾板的表面。

微孔陶瓷過濾板的微孔孔徑僅設(shè)30～100 μm，而廢水中懸浮物粒徑僅有60%～75%大于其孔徑，但微孔陶瓷過濾板卻能有效截留廢水中90%～97%的懸浮物，這是由于鍋爐廢水中的懸浮物是硬性顆粒。實踐證明，在過濾液體時，微孔陶瓷過濾板能夠收集直徑為最小孔徑1/10以上的硬性顆粒，即使顆粒小于微孔陶瓷過濾板的最小孔徑，但由于微孔陶瓷過濾板內(nèi)部氣孔是橋拱狀且相互連通，這部分顆粒也完全能夠截留或通過，不易在微孔陶瓷過濾板內(nèi)部形成堵塞現(xiàn)象。而且在過濾初期，僅有微孔陶瓷過濾板是主要過濾介質(zhì)，但隨過濾時間的延長，堆埋的過濾板表面的灰渣層增厚，形成自濾層或掉入集灰溝內(nèi)，使出水水質(zhì)越來越好。隨著過濾不斷進行，自濾層厚度逐漸增加，阻力增大，過濾池液面逐漸上升達到恒定值。當濾池水位超過恒定值，水位逐漸上升超過限高時，說明濾池積灰過多，阻力過大，應(yīng)盡快清灰還原。因此，微孔陶瓷過濾板和灰渣層一起共同組成的過濾層能有效截留廢水中大部分懸浮物。即使過濾池進水濃度過高，但是由于微孔陶瓷過濾板的特性和自濾層的共同作用，對微孔陶瓷過濾板的出水水質(zhì)不會產(chǎn)生影響，但是，進水濃度過高必然導(dǎo)致過濾池負荷增大，清灰還原周期也要大大縮短，不利于微孔陶瓷過濾池的長期穩(wěn)定運行。

（2）微孔過濾在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

微孔過濾在化工生產(chǎn)當中應(yīng)用相當廣泛，化工生產(chǎn)中固液分離現(xiàn)象多，用傳統(tǒng)的分離技術(shù)效果不好，容易帶入機械渣滓等，用微孔過濾可以提高產(chǎn)品品質(zhì)，操作簡單，勞動強度小。 據(jù)報道，某公司投產(chǎn)了聯(lián)產(chǎn)法 3 000 t/年三聚氰胺裝置，現(xiàn)生產(chǎn)一切正常，最高班產(chǎn)達 4.7 t，經(jīng)濟效益顯著。在三聚氰胺精制工段采用了較先進的陶瓷膜過濾技術(shù)，這在同類型裝置中還是首次使用。實踐證明：使用效果良好優(yōu)于傳統(tǒng)的布過濾技術(shù)。陶瓷膜過濾器外殼為碳鋼，內(nèi)芯為不銹鋼框裝配陶瓷膜過濾管。陶瓷膜過濾器工作時，被過濾的三聚氰胺母液從進液口進入，在系統(tǒng)壓力作用下，母液通過陶瓷膜過濾管，被過濾出來的清液從各收集口流出，完成過濾過程。而液體中的微細懸浮物、雜質(zhì)、油類物則截留在陶瓷膜過濾管外表面，當工作到一定周期，陶瓷膜過濾管所截留的微細懸浮物達到一定厚度時，壓力差會增大，這時應(yīng)停機調(diào)換過濾器排凈余液，用溫水或蒸汽冷凝液反沖洗陶瓷膜過濾管，三聚氰胺濾渣從排渣口排出，完成再生過程等待下次繼續(xù)使用。由于物理方法，過濾溶液中各種有效成份不會改變，過濾器截留效果好，濾出清液清亮透明。三聚氰胺純度可達99.9%以上，濁度、色度可降至20o以下，灰分和水分也很低。目前產(chǎn)品全部是優(yōu)等品。由于產(chǎn)品質(zhì)量有保證，所以價格優(yōu)，經(jīng)濟效益可觀。

（3）微孔過濾與傳統(tǒng)布過濾的對比

與傳統(tǒng)的布過濾設(shè)備相比，同容積的陶瓷膜過濾器的處理能力是布過濾器的1.5倍，這樣就可大大節(jié)約設(shè)備布局空間，同時也為今后擴大生產(chǎn)規(guī)模提供了有利條件。該設(shè)備再生不需蒸汽煮，只需用三聚氰胺工段所收集的蒸汽冷凝液分組反沖洗，即能有效反沖洗掉陶瓷膜過濾管上所附著的濾渣和油物。傳統(tǒng)的布過濾設(shè)備復(fù)雜，此設(shè)備則減少了一些煩瑣的閥門和管線，操作起來非常簡單，工效大大提高。傳統(tǒng)的布過濾器易積渣、易堵，從而使過濾壓力增大，必須定期抽芯清洗、更換過濾布，這一工作量相當大，維修工很辛苦。布的用量也很大,導(dǎo)致運行成本增高。目前的陶瓷膜管耐酸、耐堿、耐高溫、耐高壓、耐各種有機物，使用壽命長，只要定期用熱水反洗,即可不需抽芯,不需更換陶瓷膜過濾管，不需要蒸汽。陶瓷膜過濾管采用柱式裝配方式，反沖洗前余液能排干凈，不會浪費余液。操作彈性大；適應(yīng)溫度∶-20～600℃,適應(yīng)工作壓力∶0.06～1.00 MPa；適應(yīng)反沖壓力∶0.10～0.35 MPa。一般壓差不超過0.2 MPa，當過濾壓差較大時，應(yīng)停機反沖洗。為了能使濾餅不板結(jié)并且達到較好的反沖洗效果，陶瓷膜過濾器停機時應(yīng)及時排凈余液并反沖洗干凈，沖洗壓力應(yīng)小于0.35 MPa，以防超壓沖破陶瓷膜過濾管，裝配陶瓷膜過濾管時要仔細，特別要裝正橡膠墊以防三聚氰胺母液側(cè)漏影響產(chǎn)品質(zhì)量。

6 微孔過濾陶瓷材料的發(fā)展方向

現(xiàn)有的多孔陶瓷材料功能單一，尤其用做過濾材料的多孔陶瓷材料，其過濾機理基本以物理過濾為主，今后若能采用陶瓷材料復(fù)合技術(shù)或嫁接技術(shù)制備一些多功能性陶瓷材料，如采用納米抗菌功能材料與微孔制備技術(shù)結(jié)合,研發(fā)出具有抗菌和凈化功能的微孔陶瓷材料；采用陶瓷—金屬復(fù)合技術(shù)，制備具有選擇吸收、催化功能的多孔陶瓷材料；采用無機和有機材料復(fù)合技術(shù)制備其它一些電傳導(dǎo)膜、生物反應(yīng)膜等，這對擴大多孔陶瓷材料的應(yīng)用范圍有重要意義。國內(nèi)從事多孔陶瓷材料研究工作者大多數(shù)只注重于材料本身性能的研究，而缺乏對材料應(yīng)用性能的研究。事實上，多孔陶瓷的應(yīng)用技術(shù)，包括過濾技術(shù)、材料的清洗再生技術(shù)、過濾系統(tǒng)的優(yōu)化等是一門很深的學(xué)問，多孔陶瓷材料推廣應(yīng)用一方面取決于材料本身優(yōu)良的性能，而另一方面更大程度取決于材料應(yīng)用技術(shù)水平的提高。因此，要提高我國多孔陶瓷材料的產(chǎn)業(yè)化水平，就必須加強材料應(yīng)用性能的研究，建立相應(yīng)的應(yīng)用研究平臺，并加強企業(yè)之間的技術(shù)交流與自律。結(jié)合目前國內(nèi)多孔陶瓷材料發(fā)展實際狀況和需求，重點開發(fā)陶瓷微過濾材料、陶瓷膜過濾材料、高溫氣體過濾材料及高溫氣體催化分離材料及裝備技術(shù)，以滿足目前國內(nèi)能源、化工、環(huán)保和水處理行業(yè)的需要，提高國內(nèi)的過濾與分離技術(shù)水平。

7 結(jié)語

隨著科技和工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，能源、資源、三廢治理等問題更加受到重視。尤其是生物化工、精細化工、能源材料等高技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對液、固分離技術(shù)的研究和開發(fā)提出更高的要求，高分離精度、高運行效率的微孔過濾技術(shù)及微孔過濾材料愈來愈引起人們的重視。微孔陶瓷過濾材料由于具有孔隙率高、透氣阻力小、可控孔徑、清洗再生方便以及耐高溫、高壓、耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕等特點，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。