微孔过滤陶瓷在工业环保领域中的应用及发展前景

摘 要：微孔过滤陶瓷材料是一种功能型结构陶瓷，具有吸附性、透气性、耐腐蚀性、环境相容性、生物相容性等特点，目前已在石油、化工、制药、食品、环保和水处理等领域得到了广泛应用。本文着重介绍了微孔过滤陶瓷的结构性能、发展现状、应用范围和发展前景。

关键词：微孔过滤陶瓷；结构性能；应用；发展前景

1 前言

微孔陶瓷是指在陶瓷内部或表面含有大量开口或闭口微小气孔的陶瓷体，其孔径一般为微米级或亚微米级。它是一种功能型的结构陶瓷。微孔陶瓷具有吸附性、透气性、耐腐蚀性、环境相容性、生物相容性等特点，被广泛应用于各种液体、气体的过滤，以及固定生物酶载体和生物适应性载体，尤其是在环境工程上得到了大量的应用，如工业用水、生活用水的处理、污水的净化等方面。随着科技和工业化生产的发展，能源、资源、三废治理等问题更加受到重视。尤其是生物化工、精细化工、能源材料等高技术领域的迅速发展，对液、固分离技术的研究和开发提出了更高的要求。高分离精度、高运行效率的微孔过滤技术及微孔过滤材料愈来愈引起人们的重视。

2 微孔陶瓷材料引领过滤技术发展

微孔陶瓷材料由于具有孔隙率高、透气阻力小、可控孔径、清洗再生方便以及耐高温、高压、耐化学介质腐蚀等特点，因此在许多领域得到广泛应用。以微孔陶瓷材料做过滤介质的陶瓷微过滤技术及陶瓷过滤装置，由于其不仅解决了高温、高压、强酸碱和化学溶剂介质等过滤难问题，而且由于本身具有过滤精度高、洁净状态好以及容易清洗、使用寿命长等特点，目前已在石油、化工、制药、食品、环保和水处理等领域得到广泛应用。尤其是高温烟气处理中分离二氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫、氮气等气体必须使用过滤陶瓷。

国外多孔陶瓷材料研究开发和应用已有80余年历史，陶瓷膜产品的研制开发和应用也有近30年历史，其产品的技术和产业化、商业化程度已达到较高的水平。20世纪50年代，法国、美国等先后开发了SiC、莫来石、ZrO2、陶瓷纤维等气液过滤，微生物处理用微孔陶瓷过滤元件，主要用于化工、食品、饮料及水处理行业。20世纪70年代，日本等国家在高温气体净化、烟气除尘用多孔陶瓷过滤材料研究方面取得了较大进展，如日本旭硝子公司等生产的高温陶瓷过滤器在化铁炉等高温烟气除尘方面进行了大量推广应用。从20世纪80年代开始，国外在陶瓷膜的研究及高温陶瓷热气体净化技术方面的研究又取得较大的突破。目前，国外已有专业的多孔陶瓷材料及陶瓷膜材料生产厂家300余家，如：日本NGK和TDK、法国的CERVER、美国的Corning、乌克兰的Fairey工业陶瓷公司、芬兰奥托昆明克公司等，其中，美国过滤器公司已成为目前全球最大的无机陶瓷分离膜及设备供应商，芬兰奥托昆明克公司生产的陶瓷真空圆盘过滤机目前已在100多个国家中使用。美国Anguil环境系统公司生产的自洁式高温陶瓷过滤器采用了陶瓷过滤和催化净化技术，目前已有1600余套高温气体过滤装置在各个领域应用。

相比之下，国内在多孔陶瓷材料产业发展方面与国外先进国家相比存在明显不足，其中一方面是国内多孔陶瓷材料的发展技术不平衡；二是国内绝大多数人对多孔陶瓷材料缺乏必要的了解。

近年来，在国家科技攻关政策的扶持下，尤其是在国家环保、节能政策的引导下，国内多孔陶瓷材料及膜材料技术有了较快的发展，产业化及市场化规模逐渐扩大，已在陶瓷微滤材料、高温陶瓷过滤材料及膜材料方面逐渐形成了自己的技术优势，并且在产品市场推广和产业化方面有了一定规模。在陶瓷膜材料制备技术方面也在一定程度上达到国外先进水平。多孔陶瓷材料由于受产品制造水平及应用技术的限制，目前在国内过滤分离领域所占的市场份额较小，产品的产业化水平普遍较低。但可以预言，随着国内化工形式好转，能源和环保产业政策的扶持以及国外同行业技术的不断发展和应用市场的不断扩大，多孔陶瓷材料产业在国内将会迎来更好的发展前景。

3 微孔过滤陶瓷材料的产品结构及性能特点

微孔陶瓷过滤介质的孔隙结构属蜂窝型结构，液流在内部流动属三维流动，在同样厚度，同样堵塞条件下阻力增加较慢；而滤布的孔隙结构属平行管束型，内部属一维流动，阻力增加较快。微孔介质重量轻，机械强度较强，再加工性能好（车、刨、锯、焊等），不易损坏，安装、检修与维护方便，这是烧结陶瓷与烧结金属等介质不能比拟的。陶瓷过滤材料的主要产品包括各种规格的微孔陶瓷过滤元件和微孔陶瓷过滤器、高性能陶瓷膜过滤元件及陶瓷膜过滤装置、高温气体净化除尘用高温陶瓷过滤材料及高温陶瓷除尘器、高温熔体过滤用泡沫陶瓷过滤元件以及陶瓷净水器、陶瓷曝气器、陶瓷消声器、各种陶瓷电解隔膜等。本文主要介绍微孔过滤器、微孔陶瓷过滤管和陶瓷滤芯。

微孔过滤器内机械部件少，结构也较简单，一般为直立安装，占地面积少，长期接触化学物料与粘细物料后也不易损坏。微孔PE或PA为基础的精密微孔过滤器不仅可适用含固量极少的澄清过滤，也适用于含固量多，能形成滤渣层的“滤渣过滤”，过滤精度高，耐化学腐蚀性能优越。滤渣剥离较完全，排渣迅速，再生效果好，与其他过滤技术相比，方法简单是本技术最显著的优点。

微孔陶瓷过滤管由无数均匀的微孔组成，当流体从这些微小孔洞通过时，悬浮物质，胶体颗粒，大分子有机物被截留在过滤介质表面，达到机械筛滤净化或扩散、流态化等功效。微孔陶瓷过滤管具有耐腐蚀、耐高温、机械强度高、无有害物溶出，不会产生二次污染，在流体压力作用下，微孔不变形，易清洗再生，使用寿命长等特点，可替代棉布、丝织物、塑料、金属网、石棉絮等滤料。沉淀+微孔陶瓷过滤新工艺，设计新颖，建设简易，经济实用，采用此工艺处理的150余家中小型电厂锅炉和工业锅炉，生活锅炉除尘冲渣废水、悬浮物去除率达到91%～97%以上，COD去除率达到89%～95%以上，出口悬浮物浓度一般在10～50 mg范围之内，水质清澈透明，全部达到一级排放标准，实现了闭路循环利用和零排放。

微孔陶瓷滤芯，其配料重量百分组成为：硅藻土 50%～75%、多功能健康陶瓷材料8%～20%、消失物5%～10%、粘结剂5%～15%、纯碱1.5%～5%。经配料、混料、成型后在600～1300 ℃温度下煅烧制而成。陶瓷滤芯内部微细孔发达，可用于净水器，出水量往往能达到3～5 L/min。其采用硅藻土烧结，质地松脆酥散，软硬适中，脏后只需用砂布轻轻打磨就能把表层的硅藻土连同表面的脏物质一起打磨掉，如同新的一样。近年来，社会上充斥着大量各种劣质净水器，用低劣品质的普通砂芯冒充真正的陶瓷滤芯欺骗顾客。砂芯烧结所用的材料不是真正的硅藻土，而是细微坚硬的砂石，无法进行正常的清洗。而且砂芯往往技术不过关，孔径大小千差万别，甚至连最起码的粗过滤要求都达不到。

4 微孔过滤陶瓷材料的应用范围及市场领域

微孔陶瓷过滤管广泛用于石油、化工、冶金、热电、水泥、医药、造纸等工业企业的环境保护“三废”治理中的固液分离、气液分离、粉料输送、油水分离、酿酒业分离、空气过滤、循环水过滤等装置中，特别适用于锅炉除尘废水和冲渣水的过滤。

微孔过滤陶瓷材料在环保领域用于废水处理中悬浮物的过滤，化学混凝后的污泥、絮凝体的过滤、污泥干化脱水；锅炉湿法除尘废水中悬浮物的过滤处理（可实现闭路循环）；离子交换法、电解法、活性炭吸附法处理废水的预处理；含油废水的油水分离处理；气浮法与蒸发浓缩的终端污泥过滤处理；放射性废物燃（焚）烧排气过滤，垃圾填埋场做渗滤垫层、多孔集气。废水渗入暗沟流入集水池集中处理，可防止二次污染或用于绿地、花坛排溃、排盐；用于气体过滤，滤除气体中的尘埃颗粒物和金属挥发物；用于重金属无机物的过滤，如：铬、铜、镍、锌等废水的过滤和电解槽母液的过滤处理等。

微孔过滤陶瓷材料在工业领域中可用于四环素生产中的晶体过滤；化工双氧水生产中的水质过滤；感光胶片生产中的杂质过滤；立德粉生产中的硫化锌过滤；各种结晶物的过滤；天然气过滤；压缩空气灰尘过滤；二氧化碳气体滤除粉尘；汽油或柴油发动机燃料的过滤，以及各种有机溶液；状态物质和液体金属杂质，如：铅、锡、水银、硫磺、石蜡等的过滤；各种酒、饮料、葡萄糖和盐水过滤。同时，还可作为催化剂载体等。

制药及食品行业常涉及活性炭进行脱色过滤及催化剂过滤问题。由于这些介质过滤通常要求过滤精度比较高，又常涉及到高温和腐蚀性溶液等，采用传统的袋式过滤器或离心过滤机一般很难达到好的去除效果或根本无法使用。使用微孔陶瓷或陶瓷膜过滤器则可很容易解决这个问题。它不但可以提高滤液质量，而且滤芯清洗再生效果好，可长时间连续使用。

无菌空气及压缩气体净化采用微孔陶瓷过滤器进行空气的无菌处理具有洁净状态好、滤速高、再生周期长、可高温消毒杀菌等特点，在制药、啤酒行业发酵用无菌空气制备方面具有很好的应用前景。因此，采用微孔陶瓷过滤器代替价格昂贵的金属过滤器用于食品、酿造及制药行业发酵无菌空气的制备是完全可行的。另外，陶瓷过滤器用于高压压缩气体的净化，用于除油、除杂质，在国内也得到推广应用。其次，陶瓷过滤器在高压高温蒸气净化方面也有较大的应用市场。

5 微孔过滤陶瓷材料的典型应用实例

（1） 微孔过滤陶瓷在工业废水处理中的应用

在我国的燃煤锅炉灰渣系统水力冲渣废水处理，通常采用脱水仓+浓缩池或捞渣机+浓缩池的方式进行，处理效果不稳定且运行费用较高，难以达到水的循环利用或达标排放的要求。微孔陶瓷过滤板在工业废水处理中的应用，采用“沉淀+微孔陶瓷过滤板”处理燃煤锅炉废水，与上述传统处理技术相比较，具有占地面积小、处理效果好、流程简单、运行维护费用低等优点。目前国内已有百多家燃煤锅炉采用“沉淀+微孔陶瓷过滤板”处理灰渣系统溢流废水，均能达到节能减排的效果。微孔陶瓷过滤板采用氧化铝、碳化硅、陶瓷颗粒、精制石英等为骨料，加用粘结剂和成孔剂压制成型，经1050～1350 ℃高温烧结而成。产品由许多大小分布均匀，且相互边贯的桥拱状开口微孔组成。当流体从微孔通过时，悬浮物质、胶体颗粒、大分子有机物被截留在微孔陶瓷过滤板的表面。

微孔陶瓷过滤板的微孔孔径仅设30～100 μm，而废水中悬浮物粒径仅有60%～75%大于其孔径，但微孔陶瓷过滤板却能有效截留废水中90%～97%的悬浮物，这是由于锅炉废水中的悬浮物是硬性颗粒。实践证明，在过滤液体时，微孔陶瓷过滤板能够收集直径为最小孔径1/10以上的硬性颗粒，即使颗粒小于微孔陶瓷过滤板的最小孔径，但由于微孔陶瓷过滤板内部气孔是桥拱状且相互连通，这部分颗粒也完全能够截留或通过，不易在微孔陶瓷过滤板内部形成堵塞现象。而且在过滤初期，仅有微孔陶瓷过滤板是主要过滤介质，但随过滤时间的延长，堆埋的过滤板表面的灰渣层增厚，形成自滤层或掉入集灰沟内，使出水水质越来越好。随着过滤不断进行，自滤层厚度逐渐增加，阻力增大，过滤池液面逐渐上升达到恒定值。当滤池水位超过恒定值，水位逐渐上升超过限高时，说明滤池积灰过多，阻力过大，应尽快清灰还原。因此，微孔陶瓷过滤板和灰渣层一起共同组成的过滤层能有效截留废水中大部分悬浮物。即使过滤池进水浓度过高，但是由于微孔陶瓷过滤板的特性和自滤层的共同作用，对微孔陶瓷过滤板的出水水质不会产生影响，但是，进水浓度过高必然导致过滤池负荷增大，清灰还原周期也要大大缩短，不利于微孔陶瓷过滤池的长期稳定运行。

（2）微孔过滤在化工生产中的应用

微孔过滤在化工生产当中应用相当广泛，化工生产中固液分离现象多，用传统的分离技术效果不好，容易带入机械渣滓等，用微孔过滤可以提高产品品质，操作简单，劳动强度小。 据报道，某公司投产了联产法 3 000 t/年三聚氰胺装置，现生产一切正常，最高班产达 4.7 t， 经济效益显著。在三聚氰胺精制工段采用了较先进的陶瓷膜过滤技术，这在同类型装置中还是首次使用。实践证明：使用效果良好优于传统的布过滤技术。陶瓷膜过滤器外壳为碳钢，内芯为不锈钢框装配陶瓷膜过滤管。陶瓷膜过滤器工作时，被过滤的三聚氰胺母液从进液口进入，在系统压力作用下，母液通过陶瓷膜过滤管，被过滤出来的清液从各收集口流出，完成过滤过程。而液体中的微细悬浮物、杂质、油类物则截留在陶瓷膜过滤管外表面，当工作到一定周期，陶瓷膜过滤管所截留的微细悬浮物达到一定厚度时，压力差会增大，这时应停机调换过滤器排净余液，用温水或蒸汽冷凝液反冲洗陶瓷膜过滤管，三聚氰胺滤渣从排渣口排出，完成再生过程等待下次继续使用。由于物理方法，过滤溶液中各种有效成份不会改变，过滤器截留效果好，滤出清液清亮透明。三聚氰胺纯度可达99.9%以上，浊度、色度可降至20o以下，灰分和水分也很低。目前产品全部是优等品。由于产品质量有保证，所以价格优，经济效益可观。

（3） 微孔过滤与传统布过滤的对比

与传统的布过滤设备相比，同容积的陶瓷膜过滤器的处理能力是布过滤器的1.5倍，这样就可大大节约设备布局空间，同时也为今后扩大生产规模提供了有利条件。该设备再生不需蒸汽煮，只需用三聚氰胺工段所收集的蒸汽冷凝液分组反冲洗，即能有效反冲洗掉陶瓷膜过滤管上所附着的滤渣和油物。传统的布过滤设备复杂，此设备则减少了一些烦琐的阀门和管线，操作起来非常简单，工效大大提高。传统的布过滤器易积渣、易堵，从而使过滤压力增大，必须定期抽芯清洗、更换过滤布，这一工作量相当大，维修工很辛苦。布的用量也很大，导致运行成本增高。目前的陶瓷膜管耐酸、耐碱、耐高温、耐高压、耐各种有机物，使用寿命长，只要定期用热水反洗，即可不需抽芯，不需更换陶瓷膜过滤管，不需要蒸汽。陶瓷膜过滤管采用柱式装配方式，反冲洗前余液能排干净，不会浪费余液。操作弹性大；适应温度：-20～600 ℃，适应工作压力：0.06～1.00 MPa；适应反冲压力：0.10～0.35 MPa。一般压差不超过 0.2 MPa ，当过滤压差较大时，应停机反冲洗。为了能使滤饼不板结并且达到较好的反冲洗效果，陶瓷膜过滤器停机时应及时排净余液并反冲洗干净，冲洗压力应小于 0.35 MPa，以防超压冲破陶瓷膜过滤管，装配陶瓷膜过滤管时要仔细，特别要装正橡胶垫以防三聚氰胺母液侧漏影响产品质量。

6 微孔过滤陶瓷材料的发展方向

现有的多孔陶瓷材料功能单一，尤其用做过滤材料的多孔陶瓷材料，其过滤机理基本以物理过滤为主，今后若能采用陶瓷材料复合技术或嫁接技术制备一些多功能性陶瓷材料，如采用纳米抗菌功能材料与微孔制备技术结合，研发出具有抗菌和净化功能的微孔陶瓷材料；采用陶瓷—金属复合技术，制备具有选择吸收、催化功能的多孔陶瓷材料；采用无机和有机材料复合技术制备其它一些电传导膜、生物反应膜等，这对扩大多孔陶瓷材料的应用范围有重要意义。国内从事多孔陶瓷材料研究工作者大多数只注重于材料本身性能的研究，而缺乏对材料应用性能的研究。事实上，多孔陶瓷的应用技术，包括过滤技术、材料的清洗再生技术、过滤系统的优化等是一门很深的学问，多孔陶瓷材料推广应用一方面取决于材料本身优良的性能，而另一方面更大程度取决于材料应用技术水平的提高。因此，要提高我国多孔陶瓷材料的产业化水平，就必须加强材料应用性能的研究，建立相应的应用研究平台，并加强企业之间的技术交流与自律。结合目前国内多孔陶瓷材料发展实际状况和需求，重点开发陶瓷微过滤材料、陶瓷膜过滤材料、高温气体过滤材料及高温气体催化分离材料及装备技术，以满足目前国内能源、化工、环保和水处理行业的需要，提高国内的过滤与分离技术水平。

7 结语

随着科技和工业化生产的发展，能源、资源、三废治理等问题更加受到重视。尤其是生物化工、精细化工、能源材料等高技术领域的迅速发展，对液、固分离技术的研究和开发提出更高的要求，高分离精度、高运行效率的微孔过滤技术及微孔过滤材料愈来愈引起人们的重视。微孔陶瓷过滤材料由于具有孔隙率高、透气阻力小、可控孔径、清洗再生方便以及耐高温、高压、耐化学介质腐蚀等特点，在许多领域得到了广泛的应用。