隨著水污染日益嚴重和水資源的枯竭，人們對污水深度處理和循環再利用的要求越來越高。水處理過程中，膜技術的應用越來越廣泛，已扮演了相當重要的角色。有機膜首先得到應用，它在很多方面有獨到的優點，例如有韌性、適應各種大小粒子的分離、制備相對簡單、易成型、工藝較成熟等。但也有一些自身無法克服的缺點：熱穩定性差、抗腐蝕性差、使用壽命短、易堵塞、不易清洗等。20世紀80年代以來，無機膜的研發已逐漸引起關注。美國BCC統計結果顯示，2005年全 膜市場的消費量為70億美元，而無機膜約占20%；在無機膜中，陶瓷膜的應用超過80%，并以每年35%的速度增長，在石化、食品、醫藥、能源、資源、環境等領域發揮了重要作用。而陶瓷膜過濾作為一種新型無機膜分離技術，在廢水處理和再利用等方面已成為國內外競相研究開發的熱點之一。

1 無機陶瓷膜的發展狀況

無機膜生物反應器（IMBR）是20世紀90年代在MBR基礎上興起的，其核心組件是無機陶瓷膜。與有機膜相比，無機陶瓷膜具有結構穩定、孔徑分布均勻、化學穩定性好、耐高溫、耐強酸強堿和有機溶劑、耐微生物侵蝕、機械強度高、易再生、通量大、壽命長以及可降低用戶維修與更換費用等優點。

1.1 無機陶瓷膜在國外的發展狀況

國際上對無機陶瓷膜的研究始于20世紀40年代，在20世紀60年代后無機陶瓷膜得到大規模的工業應用，特別是到了80年代后期，陶瓷膜在水處理領域的應用研究得到了突破性的進展，日益凸顯出的技術優勢和廣闊前景成為研究的熱點。20世紀70年代到80年代中期，日本、美國、荷蘭等 在陶瓷膜的研發方面發展迅速。20世紀70年代，日本成功開發出了孔徑為5～50nm的陶瓷中空纖維超濾膜，適合于生物制品的分離提純。20世紀80年代，美國許多大型公司將重點放在了對陶瓷膜材料的研發及改進上，UCC公司開發出以多孔炭為載體、外涂一層陶瓷氧化鋯的陶瓷超濾膜管，Alcoa/SCT公司開發出可承受反沖或采用正交操作的商品名為Membralox的陶瓷膜管。此外，日本的幾家公司也相繼成功地開發了無機陶瓷膜。荷蘭Twente大學Blggraaf等采用溶膠～凝膠技術制成了具有多層不對稱結構、孔徑達到幾個納米的微孔陶瓷膜。溶膠～凝膠技術的出現，使無機膜的制備技術有了新的突破，并將無機膜尤其是陶瓷膜的研制推向了新的高潮。

1.2 無機陶瓷膜在國內的發展狀況

我國陶瓷膜技術開發較晚。“九五”期間在 重大項目的支持下，南京工業大學成功開發出陶瓷微濾和超濾規模生產技術，實現了多通道陶瓷膜的工業化生產，并建成了生產基地，產品在水處理、石油化工、食品工業、醫藥工業、生物化工等領域獲得成功的應用，取得了較好的效果。特別是完成了低溫燒結多通道多孔陶瓷膜的研究，該項目的研究成果對于提高我國陶瓷膜的研究，該項目的研究成果對于提高我國陶瓷膜的質量、降低成本具有重要意義。現在已有許多的研究者將重點放在了陶瓷膜的研發上，初步形成了陶瓷膜的新產業。目前，我國從事膜研發的機構有30余家，從事生產的企業大約300家。單臺陶瓷膜過濾設備的膜面積已達220m2。在銷售方面，陶瓷微濾膜和陶瓷基復合膜約占整個無機膜市場的50%以上，目前國內市場化的陶瓷膜主要應用在工業廢水處理上，并取得了良好的處理效果，但在生活污水方面仍處于試驗研究階段。

2 無機陶瓷膜在水處理方面的應用

2.1 在飲用水凈化方面的應用

地表水是飲用水水源的主要組成部分，傳統的自來水生產工藝為混凝～過濾～消毒，可去除水中大量的懸浮物和細菌。但是由于近年來水源污染的加劇，傳統工藝漸顯不足，用微孔陶瓷膜進行地表水的處理，主要的優點是能夠保證更好和更可靠的水質，不用添加化學物質，特別適合于高附加值產品。

使用陶瓷微濾膜和超濾膜處理地表水制備飲用水已在歐洲應用多年，法國、英國等都用陶瓷膜進行規模性的飲用水的生產。同時有文獻報道，在陶瓷膜過濾前加入預處理系統的技術模式有著廣闊的研究前景，有人將原水在預處理系統中加入超細活性炭（SPAC）來去除因含有藻毒素所引起的異味，再經由陶瓷膜過濾系統進行處理。結果顯示：在使用一定量SPAC進行預處理后，異味的去除率在95%以上，此項工藝近年來在日本已經大規模地進入工程試用研究階段。而且陶瓷膜過濾技術經過混凝、吸附等預處理，不僅可以提高膜通量，同時也可以去除原水中的濁度和微生物。吳克宏等用50nm的陶瓷膜對地表水進行天然濁度物質去除試驗，結果表明：50nm的陶瓷膜對天然濁度物質去除試驗，結果表明：50nm的陶瓷膜對天然濁度物質處理效果良好，出水濁度＜0.1度。隋賢棟等采用硅藻土梯度陶瓷微濾膜凈化自來水，結果表明：平均孔徑為0.15μm的梯度陶瓷膜，可以完全濾除水中的大腸桿菌、沙門氏菌、金葡萄球菌和霉菌等致病病菌以及鐵銹、紅蟲和各種懸浮微粒。通過簡單的機械清洗，通量可完全恢復，無膜的深層污染和孔隙堵塞，可有效地防止凈水的再次污染。大量的試驗證明，將陶瓷膜過濾技術應用在飲用水的凈化方面可行。

2.2 在工業廢水處理方面的應用

工業廢水的水質比較復雜，常規工藝很難達到預期的處理效果，陶瓷膜的諸多特性在廢水處理方面也顯示出其獨特的優勢。從材料特點考慮，由于陶瓷膜可以在苛刻的條件下進行長期穩定的分離操作，這也決定了它在水處理領域應用的主要方向是工業廢水處理。總結以往研究表明，陶瓷膜在化工和冶金廢水處理中的研究和應用占整個工業廢水的45%左右，其他的依次為紡織廢水和造紙廢水等。

2.2.1 在化工和冶金廢水處理中的應用

化工和冶金廢水包括氨氮廢水的處理、酸堿廢水的處理、含油廢水的處理等許多方面，其中含油廢水的處理占化工和冶金廢水處理的90%左右。

工業含油廢水的種類極其繁多，大致有金屬表面清洗水、石油化工廠排放的生產廢水、各種潤滑劑廢水、乳化液廢水等。這些廢水若直接排放，將嚴重污染環境。由于含油廢水往往具有難降解、易乳化等特點，常規方法處理難以得到理想的效果。由于無機陶瓷膜具有疏油性，所以在處理含油廢水方面具有很大的優勢，主要表現為使用壽命長，且對膜的孔徑大小要求相對較寬松。

徐南平等總結了國內外研究人員采用無機陶瓷膜處理油田采出水的情況，結果見表1。

表1：高分子膜和陶瓷膜處理重油采出水情況對比

表1表明：在適宜的溫度和操作壓力下，陶瓷膜不僅可以去除采出水中SS，而且可以降低采出水中的油。王懷林等分別采用0.8μm氧化鋁膜和0.2μm氧化鋯膜對油田含油廢水進行處理，取得了較好的結果；S.H.Hyun等用復合陶瓷膜，對油質量濃度為600～11000mg/L的乳化液進行油水分離，油的去除率＞95%。日本近年來也對水溶性切削油的陶瓷膜處理作了詳細的研究，并將其與有機膜作了比較，結果認為用陶瓷膜處理較為優越。這些結果表明：采用陶瓷膜處理工業含油廢水是可行的，出水水質均能滿足回注水或排放水的各項指標的要求。

2.2.2 在紡織廢水處理中的應用

紡織染色過程中，由于需要進行多次清洗，所以用水量比較大，同時廢水的色度高、成分復雜，排放的廢水對環境污染較為嚴重。各工序廢水中的主要污染物有：懸浮物、BOD、COD、漂白劑、重金屬（如鉛、鉻等）以及色度等，處理的難度很大。胡秀桂等將陶瓷膜動態過濾技術與絮凝技術相結合，對染料廢水和漂染廢水進行處理，充分發揮動態過濾和陶瓷膜的優點，結果表明，經陶瓷膜分離后的廢水，其CODcr和吸光度已出現大幅度下降。馬春燕等對印染廠的廢水進行了研究，先將廢水經過水解酸化-好氧生化進行預處理，再經由陶粒和動態陶瓷膜過濾以保證出水水質，實驗表明：在操作壓力為0.1MPa，錯流速度為1.5m/s時，出水水質均滿足出水要求。Soma等利用無機微濾膜處理印染廢水，膜孔經平均為0.2μm，壓力在0.1～0.5MPa，錯流速度3～5m/s。實驗結果表明，懸浮物、有機物的去除均效果明顯，其中不溶性染料去除率＞98%，通過加入一些表面活性劑可使可溶性染料的去除率＞97%；在陶瓷膜工業性試驗中染料的去除率為80%，CODcr的去除率為40%，通量為260～280L/(m2·h)。

2.2.3 在造紙工業廢水處理中的應用

造紙廢水的主要特點是黑液堿性大、成分復雜、污染負荷高，而無機陶瓷膜具有熱穩定性好、耐酸堿腐蝕、適應多種苛刻條件等諸多特點，因此陶瓷膜可用于造紙黑液類廢水的處理。Dafinov等研究了用TiO₂、ZrO₂微濾納濾膜處理木漿黑液中水的再利用及流出液的濃縮，分別用1.5ku和15ku的膜進行測試，通過對總固體（TS）、有機物質、COD和礦物質的比較，15ku的陶瓷膜表現出更好的效果。

有人用無機膜處理牛皮紙漿漂白車間廢水，采用0.2μm的氧化鋁膜，通量150～1300L/(m2·h)，COD的去除率為25%～45%。也有人分別采用孔徑為0.8、0.2μm微濾膜和50nm超濾膜過濾草漿黑液，結果表明，選用0.8μm或0.2μm孔徑的膜有利于滲透通量的提高并保證截留效果。另外，在操作壓力為0.25～0.35MPa，錯流速率≥5.0m/s，溫度為60℃時，可獲得較高的滲透通量。

2.3 在生活污水處理中的應用

城市污水可對水體造成嚴重污染，對城市污水進行妥善處理是十分必要的。由于傳統活性污泥法的諸多不足，導致我國城市污水處理率仍然很低，2004年我國的污水處理率僅為30%，要求到2010年為止，城市污水處理率不應＜60%。

無機陶瓷膜分離技術是20世紀40年代以來發展起來的一項高新技術，近幾年在其基礎上發展而來的陶瓷膜生物反應器由于具有結構緊湊、污泥產量低、出水水質優良等優點而成為目前研究的熱點。在陶瓷膜處理污水的研究中，大部分的陶瓷膜管選用19通道的膜管，約占陶瓷膜管總數的74%，以管式陶瓷膜組件較為常見。

徐農等以管式陶瓷膜生物反應器處理生活污水，結果表明，CODcr的去除率高達99.5%，氨氮和懸浮固體的去除率達到99.9%和100%，出水水質完全達到生活雜用水標準的全部要求。張洪宇等用陶瓷微濾膜組裝的膜生物反應器，在低流速下對生活污水進行處理，也取得較好的效果。黃肖容等采用離心方法制備了梯度氧化鋁膜管用于凈化生活污水。氧化鋁膜不易形成孔淤塞，容易清洗，截留下的污染物停留在控制層表面，經機械清洗后截留率和通量可近100%恢復。邢傳宏等采用無機膜-生物反應器（IMBR）處理生活污水。出水COD、NH₃-N和濁度的去除率分別超過96%、95%和98%。

3 總結

盡管陶瓷膜的研究與應用已經取得了很大的進步，但目前無機陶瓷膜在水處理方面主要應用在飲用水和工業廢水的處理上，在污水處理方面仍不成熟，存在許多制約其廣泛應用的問題。今后應在以下幾方面進行深入地研究和探討，主要是：

（1）降低設備制造成本。

（2）降低運行能耗。

（3）增強陶瓷膜的韌性。

（4）提高膜的分離效果，維持膜通量的穩定性。

（5）膜傳遞、污染及清洗機理。

（6）與其他技術相結合，減輕膜污染，發揮協同優勢等。