探究水處理陶瓷膜制備與應用技術研究進展論文
膜技術被認為是21 世紀最優前景的水處理技術之壹，膜材料技術、膜分離技術在近十幾年得到很大發展，在水處理領域得到了廣泛應用。水處理陶瓷膜的過濾、分離性能與膜孔徑大小及其分布、孔隙率、表面形貌等有密切關系。陶瓷膜的活性分離層是顆粒以任意堆積方式形成的，孔隙率通常為30 ～ 35%，且曲折因子調控較為困難，陶瓷膜的水處理效能受到局限。研究陶瓷膜制備、修飾、工藝優化新技術以提高其過濾、分離、抗汙染效能是水處理陶瓷膜領域的研究重點。
1. 水處理陶瓷膜制備技術
1.1 致孔劑制備技術
致孔劑是提高水處理陶瓷孔隙率簡單又經濟的方法，致孔劑可分為無機物和有機物兩類。無機致孔劑有碳酸銨、碳酸氫銨和氯化銨等高溫易分解的鹽類或無機碳如石墨、煤粉等;有機致孔劑主要包括天然纖維、高分子聚合物，如鋸末、澱粉、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。Yang 等 以Al2O3 為膜基體，以膨潤土為燒結助劑，以玉米澱粉作為造孔劑通過擠出、交聯、幹燥、燒結等過程制備陶瓷膜。研究發現隨著澱粉含量的增加，Al2O3 支撐體的最大孔徑和平均孔徑均有所增大，陶瓷膜的孔隙率可有24% 提高至38%。
1.2 模板劑制備技術
模板劑可有效控制所合成材料的形貌、結構和大小，並制備出孔結構有序、孔徑均壹、孔隙率大的微孔、介孔和大孔材料。模板劑法具有豐富的選材和靈活的調節手段，采用模板劑法制備水處理陶瓷膜極具前景。Xia 等 以有機聚苯乙烯微球為模板劑，采用UV 聚合的方法制備出孔徑為100nm 的三維有序聚氨酯大孔材料。Sadakane 等 以PMMA 為模板劑制備出具有三維有序大孔的金屬氧化物材料，其孔隙率範圍為66 ～ 81%。表面活性劑在溶液中可以形成膠束、微乳、液晶、囊泡等自組裝體，也常被用作自組裝技術中的有機物模板劑。利用表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨為模板劑可制備出有序的介孔分子篩MCM41，具有多種對稱性能的孔道，孔徑在2 ～ 50nm 的.範圍內。Choi 等以Tween80 為模板劑制備了具有梯度孔徑結構的TiO2-Al2O3 陶瓷膜，陶瓷膜的滲透性能大大提高。
1.3 纖維層積制備技術
陶瓷纖維材料在成膜過程中可以迅速在支撐體表面沈積搭橋，明顯減少了膜層的內滲，並且容易得到較高的孔隙率和比表面積，對膜材料滲透性能的提高具有顯著作用。Ke 等 以TiO2 纖維為原料，通過旋塗法制備出平均孔徑在50nm 的陶瓷纖維膜，對球形粒子截留率超過95%，膜通量在900Lm-2h-1 以上。
1.4 溶膠- 凝膠制備技術
溶膠- 凝膠技術主要是通過調整材料尺寸控制陶瓷膜分離層的分離精度。溶膠- 凝膠法可形成納米級別的溶膠，得到的陶瓷膜層孔徑小、孔徑分布窄，適用於高滲透選擇性的超濾膜和納濾膜的制備。Tsuru 等 利用聚合溶膠路線制備出平均孔徑0.7 ～ 2.5nm 的TiO2 納濾膜，對PEG 的截留分子量為500 ～ 000Da，對Mg2+ 的截留率為88%。
2. 水處理陶瓷膜修飾技術
2.1 化學氣相沈積修飾技術
采用化學氣相沈積法(CVD)在陶瓷膜表面沈積矽氧化物或金屬氧化物來改善陶瓷膜孔結構以及過濾性能，是壹項非常有效的手段。Lin 等 采用CVD 技術對平均孔徑為4nm 的Al2O3 陶瓷膜進行修飾，制備出孔徑範圍為0.4 ～ 0.6nm 的SiO2 陶瓷膜。CVD 的方法壹般需要在高溫、真空的環境中進行，並且要求前驅物具有壹定的揮發性。
2.2 原子層沈積修飾技術
原子層沈積技術(ALD)可將物質以單原子膜形式層層沈積在陶瓷膜表面，從而構建陶瓷膜表面微納結構。Li 等 在平均孔徑50nm 的陶瓷膜表面上通過原子層沈積氧化鋁層，通過控制原子層沈積次數來調控膜的平均孔徑，改性後陶瓷膜對BSA的截留率由2.9% 升至97.1%。
2.3 表面接枝修飾技術
表面接枝技術常被用來調控膜材料的表面性質，接枝過程將改變膜的孔結構，達到減小孔徑的目的。陶瓷膜表面壹般會吸附水形成大量羥基，通過接枝有機矽烷的方法在介孔膜表面可以修飾壹層有機分子層。通過調控接枝分子的鏈長與官能團等特性可以實現調控孔徑大小的目的，且能獲得特殊的表面性質。Singh 等 發現接枝矽烷偶聯劑可以使多孔陶瓷膜孔徑進壹步變小。Cohen 等 將親水性PVP 接枝在陶瓷超濾膜表面上，改性後的膜孔徑減小，截留性能提高，抗汙染性能得以改善，可用於油水分離。
3. 水處理陶瓷膜制備與修飾工藝優化
3.1 陶瓷膜材料、添加劑選取
水處理陶瓷膜的制備主要集中於原材料及燒結工藝，通過添加燒結助劑以降低燒結溫度、采用低成本易燒結原料以降低原料成本，以及利用先進的燒結工藝以達到低成本控制是陶瓷膜的研究重點。陶瓷膜制備過程中常在基膜材料中加入壹些液相型或者固相型燒結助劑。高嶺土、鉀長石等天然矽酸鹽黏土礦物在較低溫度下便能熔融形成液相，在顆粒間毛細管力的作用下潤濕並包裹膜材料基體顆粒，並將顆粒黏結起來，輔以多孔陶瓷膜良好的機械強度。氧化鈦、氧化鋯等金屬氧化物能與陶瓷膜基體形成多元氧化物固熔物而使燒結溫度下降，有利於陶瓷膜制備。
3.2 陶瓷膜燒制過程優化
多孔陶瓷膜必須經過多次燒結，存在燒結工藝周期長、能耗高的問題。除采用燒結助劑或采用易燒結材料以降低燒結溫度外，減少燒結時間或縮短制備周期也能達到降低燒結工藝成本的目的。在減少燒結時間方面，微波燒結技術是壹種非接觸技術，熱通過電磁波的形式傳遞，可直達材料內部，最大限度地減少了燒結的不均勻性，可在縮短燒結時間的同時，降低燒結溫度。微波技術大多用於制備幾近致密的陶瓷復合物，同時由於其可改善材料組織、提高材料性能，亦可用於多孔陶瓷復合物的制備。在縮短燒結周期方面，壹些研究者借鑒低溫***燒陶瓷技術在多層結構陶瓷元器件封裝領域的成功應用，提出采用***燒結技術來減少燒結次數，從而降低燒結成本。
4. 結論
水處理陶瓷膜制備技術以提高陶瓷膜整體性能為目的，通過調控陶瓷膜微結構可實現陶瓷膜制備技術的突破。目前，致孔劑制備技術、模板劑制備技術、纖維層積制備技術、溶膠- 凝膠技術、固態粒子燒結技術等陶瓷膜制備技術已日益得到關註。水處理陶瓷膜制備技術研究將引領和推動陶瓷膜技術及產業的發展，緩解水廠升級改造、提升水質品質的瓶頸壓力。
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