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摘 要 介绍了无机陶瓷膜的结构、原理及特性；综述了陶瓷分离膜技术的发展过程及其内外发展现状；分类介绍了其在给水处理、海水淡化、废水处理等方面的应用研究及进展；最后讨论了陶瓷膜在水处理应用中存在的问题及发展趋势，指出其在水处理中具有良好的应用前景。
关键词 无机膜 陶瓷膜 膜分离 水处理
一、结构及过滤原理
陶瓷膜也称CT膜，是固态膜的一种，是以多孔陶瓷为载体支持体、微孔陶瓷膜为过滤层的陶瓷质过滤分离材料，主要材质是Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2等无机材料，呈管状及多通道状，管壁密布微孔，其孔径为0.004～15 €%em。陶瓷膜按用途可分为微滤（MF）膜、超滤（UF）膜、纳滤（NF）膜、反渗透（RO）膜等；按结构可分为对称陶瓷膜和不对称陶瓷膜，其中不对称陶瓷膜至少由两层构成，在某些情况下可由三层以上构成，如图1所示。这类不对称结构的目的是要构成一种无缺陷的分离层，同时又减少膜的液压阻力，并保障膜的机械强度。支撑体层的厚度一般约为几个毫米，孔径范围大约在1～10 €%em；中间过渡层的厚度一般为10～100 €%em，孔径范围常在50～100 nm；过滤层（陶瓷分离膜）是很薄的，厚度约为1～10 €%em，孔径常在100 nm以下。陶瓷膜亦可为多层，层数越多，微孔梯度变化愈平缓，其抗热震性越好，降低过滤层（膜）的厚度，其过滤分离效果可优于高分子膜。
二、陶瓷膜在水处理中的应用
（一）在给水处理中的应用
微孔陶瓷膜分离技术在给水处理中的应用始于20世纪80年代初期，特别是在欧洲一些国家，如法国、意大利等在这些方面的实践工作更是走在世界前列。用微孔陶瓷膜进行给水处理的优点是能够保证更好和更可靠的水质，不用化学物质，特别适合于高附加值产品。陶瓷MF膜和陶瓷UF膜处理地表水制备饮用工业水处理2011- 10，31（10）专论与综述16水已在欧洲应用多年，近年来陶瓷膜与吸附集成净水技术在我国已开始应用，以陶瓷膜为核心的集团式净水器和家用净水器可以采用加热的方法进行消毒处理，具有广阔的发展前景。在国内，山东工业陶瓷研究设计院研制的孔径为4.3 €%em的微孔陶瓷膜，对总菌数为31 500 mL-1，大肠菌群230 mL-1的原水处理后，得到的处理水水质也优于国家饮用水标准。
（二）在海水淡化中的应用
反渗透海水淡化目前已成为海水淡化最主要的方法之一。目前反渗透海水淡化工程预处理的方法主要有多介质过滤和有机膜超/微滤。传统的多介质过滤不能完全去除胶体和悬浮物质，出水水质易产生波动，从而降低反渗透膜的产水能力和寿命；有机膜超/微滤法预处理存在有机膜易老化、断丝等难题，同时由于我国海水水质较差，大多数有机膜使用寿命不足3 a。与上述两种方法相比，陶瓷膜具有孔径分布窄、孔隙率高、分离层薄、过滤阻力小等优点，而且单位膜表面积处理量高、产水能力大，膜的化学性质稳定，可以在海水中长期稳定运行，
更适用于海水淡化预处理。在国家“863”计划的支持下，南京工业大学膜科学技术研究所针对我国海水水质特点，开发出蜂窝状和多通道海水淡化预处理陶瓷膜。截至2009年9月，日处理量150 t的陶瓷膜海水淡化预处理示范装置在舟山成功运行，各项水处理指标均达到海水淡化要求，标志着我国陶瓷膜海水淡化预处理工艺基本成熟。目前，南京工业大学正在进行日处理量1 000 t以上的陶瓷膜海水淡化预处理示范工程建设，以进一步考察陶瓷膜的各项指标。
（三）在废水处理中的应用
近年来，由于全球水资源紧缺，将陶瓷膜分离技术应用于废水的处理和再利用显得更加重要。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废水处理，特别是工业废水的处理。目前陶瓷膜主要用于含油废水、化工及石化废水、印染废水、生活污水及放射性废水等的处理。
1、生活污水的处理
在各类水体污染源中，生活污水也占相当大的比例，这类污水污染程度不高，但水量较大，如能处理后循环使用，对保护淡水资源、提高水的利用率是十分有益的，特别是在水缺乏地区。E. Trouve等报道了采用陶瓷膜生物反应器处理生活污水的半工业性中试试验结果。国内也开展了一些研究，邢传宏等对膜生物反应器处理生活污水进行了研究，采用的是氧化锆超滤膜，切割相对分子质量300 000，研究表明，膜生物反应器处理生活污水效果好，COD、NH3-N和浊度的去除率分别超过96%、95%和98%，对SS及大肠杆菌的去除率达100%，出水水质稳定，优于建设部杂用水水质标准。
2、其他废水的处理
无机陶瓷膜分离作为新型的膜分离技术，在各个领域的废水处理中都有不俗的表现，其对印钞废水、含重金属废水、垃圾渗滤液及冶金废水等的处理也同样取得了很好的效果。另外，陶瓷工业废水中含有黏土、砂以及釉料等，采用陶瓷膜处理可使其中的固体截留物返回生产过程，同时使得水能够循环使用。
造纸和纺织染色工程均以水为介质，而且往往需要一次或多次水洗，用水量比较大，排放的废水对环境污染严重。在印染过程各工序排出的废水含有的主要污染物为：悬浮物、BOD、COD、还原漂白剂、重金属（如铅、铬等）以及色度等，同时处理的难度很大。
三、结语
无机陶瓷膜的研究虽取得了很大进展，但若使之在废水处理领域乃至工业中得到更广泛的应用，仍然有许多关键的问题值得研究和探讨，主要包括以下几个方面：（1）成本问题，必须开发低价高性能的膜材料；（2）改善制膜工艺，提高透过速率和膜的分离效果，长时间维持膜通量的稳定性；（3）有限的膜品种和复杂的应用过程的匹配问题，同时需扩展无机陶瓷膜的应用范围及深度；（4）克服膜污染，并提高反洗效率等。随着科技的不断进步和世界各国对环境保护问题的日益关注，以及对满足精确控制条件的高性能过滤装置的需求，无机陶瓷膜在废水处理以及各领域中的应用会越来越广泛，多孔陶瓷材料产业也将会迎来更好的发展前景。
（作者单位：沈阳建筑大学市政与环境工程学院）
关键词 无机膜 陶瓷膜 膜分离 水处理
一、结构及过滤原理
陶瓷膜也称CT膜，是固态膜的一种，是以多孔陶瓷为载体支持体、微孔陶瓷膜为过滤层的陶瓷质过滤分离材料，主要材质是Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2等无机材料，呈管状及多通道状，管壁密布微孔，其孔径为0.004～15 €%em。陶瓷膜按用途可分为微滤（MF）膜、超滤（UF）膜、纳滤（NF）膜、反渗透（RO）膜等；按结构可分为对称陶瓷膜和不对称陶瓷膜，其中不对称陶瓷膜至少由两层构成，在某些情况下可由三层以上构成，如图1所示。这类不对称结构的目的是要构成一种无缺陷的分离层，同时又减少膜的液压阻力，并保障膜的机械强度。支撑体层的厚度一般约为几个毫米，孔径范围大约在1～10 €%em；中间过渡层的厚度一般为10～100 €%em，孔径范围常在50～100 nm；过滤层（陶瓷分离膜）是很薄的，厚度约为1～10 €%em，孔径常在100 nm以下。陶瓷膜亦可为多层，层数越多，微孔梯度变化愈平缓，其抗热震性越好，降低过滤层（膜）的厚度，其过滤分离效果可优于高分子膜。
二、陶瓷膜在水处理中的应用
（一）在给水处理中的应用
微孔陶瓷膜分离技术在给水处理中的应用始于20世纪80年代初期，特别是在欧洲一些国家，如法国、意大利等在这些方面的实践工作更是走在世界前列。用微孔陶瓷膜进行给水处理的优点是能够保证更好和更可靠的水质，不用化学物质，特别适合于高附加值产品。陶瓷MF膜和陶瓷UF膜处理地表水制备饮用工业水处理2011- 10，31（10）专论与综述16水已在欧洲应用多年，近年来陶瓷膜与吸附集成净水技术在我国已开始应用，以陶瓷膜为核心的集团式净水器和家用净水器可以采用加热的方法进行消毒处理，具有广阔的发展前景。在国内，山东工业陶瓷研究设计院研制的孔径为4.3 €%em的微孔陶瓷膜，对总菌数为31 500 mL-1，大肠菌群230 mL-1的原水处理后，得到的处理水水质也优于国家饮用水标准。
（二）在海水淡化中的应用
反渗透海水淡化目前已成为海水淡化最主要的方法之一。目前反渗透海水淡化工程预处理的方法主要有多介质过滤和有机膜超/微滤。传统的多介质过滤不能完全去除胶体和悬浮物质，出水水质易产生波动，从而降低反渗透膜的产水能力和寿命；有机膜超/微滤法预处理存在有机膜易老化、断丝等难题，同时由于我国海水水质较差，大多数有机膜使用寿命不足3 a。与上述两种方法相比，陶瓷膜具有孔径分布窄、孔隙率高、分离层薄、过滤阻力小等优点，而且单位膜表面积处理量高、产水能力大，膜的化学性质稳定，可以在海水中长期稳定运行，
更适用于海水淡化预处理。在国家“863”计划的支持下，南京工业大学膜科学技术研究所针对我国海水水质特点，开发出蜂窝状和多通道海水淡化预处理陶瓷膜。截至2009年9月，日处理量150 t的陶瓷膜海水淡化预处理示范装置在舟山成功运行，各项水处理指标均达到海水淡化要求，标志着我国陶瓷膜海水淡化预处理工艺基本成熟。目前，南京工业大学正在进行日处理量1 000 t以上的陶瓷膜海水淡化预处理示范工程建设，以进一步考察陶瓷膜的各项指标。
（三）在废水处理中的应用
近年来，由于全球水资源紧缺，将陶瓷膜分离技术应用于废水的处理和再利用显得更加重要。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废水处理，特别是工业废水的处理。目前陶瓷膜主要用于含油废水、化工及石化废水、印染废水、生活污水及放射性废水等的处理。
1、生活污水的处理
在各类水体污染源中，生活污水也占相当大的比例，这类污水污染程度不高，但水量较大，如能处理后循环使用，对保护淡水资源、提高水的利用率是十分有益的，特别是在水缺乏地区。E. Trouve等报道了采用陶瓷膜生物反应器处理生活污水的半工业性中试试验结果。国内也开展了一些研究，邢传宏等对膜生物反应器处理生活污水进行了研究，采用的是氧化锆超滤膜，切割相对分子质量300 000，研究表明，膜生物反应器处理生活污水效果好，COD、NH3-N和浊度的去除率分别超过96%、95%和98%，对SS及大肠杆菌的去除率达100%，出水水质稳定，优于建设部杂用水水质标准。
2、其他废水的处理
无机陶瓷膜分离作为新型的膜分离技术，在各个领域的废水处理中都有不俗的表现，其对印钞废水、含重金属废水、垃圾渗滤液及冶金废水等的处理也同样取得了很好的效果。另外，陶瓷工业废水中含有黏土、砂以及釉料等，采用陶瓷膜处理可使其中的固体截留物返回生产过程，同时使得水能够循环使用。
造纸和纺织染色工程均以水为介质，而且往往需要一次或多次水洗，用水量比较大，排放的废水对环境污染严重。在印染过程各工序排出的废水含有的主要污染物为：悬浮物、BOD、COD、还原漂白剂、重金属（如铅、铬等）以及色度等，同时处理的难度很大。
三、结语
无机陶瓷膜的研究虽取得了很大进展，但若使之在废水处理领域乃至工业中得到更广泛的应用，仍然有许多关键的问题值得研究和探讨，主要包括以下几个方面：（1）成本问题，必须开发低价高性能的膜材料；（2）改善制膜工艺，提高透过速率和膜的分离效果，长时间维持膜通量的稳定性；（3）有限的膜品种和复杂的应用过程的匹配问题，同时需扩展无机陶瓷膜的应用范围及深度；（4）克服膜污染，并提高反洗效率等。随着科技的不断进步和世界各国对环境保护问题的日益关注，以及对满足精确控制条件的高性能过滤装置的需求，无机陶瓷膜在废水处理以及各领域中的应用会越来越广泛，多孔陶瓷材料产业也将会迎来更好的发展前景。
（作者单位：沈阳建筑大学市政与环境工程学院）