第二节
应用领域

无机陶瓷膜因具有稳定性高、耐氧化、寿命长、环境友好等优势被日益广泛应用于废水处理、气体分离及其他工业分离过程。

一、水处理

多孔陶瓷膜在水处理中的应用主要集中于含油废水处理、含盐废水中水-盐分离、催化等领域。

在陶瓷膜制备及应用的进程中，基于面向应用过程，以提高整体性能为导向，南京工业大学研究团队多年来在陶瓷膜微结构调控、设计方法和制备技术及应用等方面做了许多创造性的工作。在工业废水处理上，陶瓷膜因可以在苛性环境下长期运行而在成分复杂的工业废水中得到了一定的应用。其中，陶瓷膜在工业废水的含油废水处理领域应用最为广泛。大量研究发现，陶瓷膜除了可以去除油水中的固体悬浮物，还能将油含量降低至6 mg L ^-1 以下，呈现了优于有机膜的处理能力。在给水处理中，近年来陶瓷膜净水器正在逐渐兴起，陶瓷膜在过滤过程中可以去除细菌、铁锈及重金属离子等，同时又可以保留水中有益的矿物质，不产生二次污染，可以直接饮用，因而具有广阔的市场前景。陶瓷膜用于含油废水处理的优势在于膜表面本征的亲水特性（水下疏油或超疏油）赋予其较好的抗油污染的能力。同时基于资源化的固废基陶瓷膜近年来在含油废水应用中也同样取得了较好的进展（如固废基莫来石-TiO ₂ 膜对平均油滴粒径～1μm乳化油的去除率达92%～97%，固废基尖晶石膜在分离平均油滴粒径～1μm乳化液时水渗透率高达7 473 Lm ^-2 h ^-1 bar ^-1 ）。因陶瓷膜的高稳定特性，在各类复杂的苛性环境如高温、强酸碱及有机溶剂环境中仍然具有良好的稳定性，从而具有一定的市场发展潜力。通常陶瓷微滤膜可以去除大部分的微米级油滴，陶瓷超滤膜往往用于后处理过程以实现油滴的完全去除。经过特殊结构设计的陶瓷超滤膜也可以实现对纳米级油滴的有效截留。

由于工艺的复杂性，适配在压力驱动下筛分盐离子的具有纳米或亚纳米孔的陶瓷膜的规模化制备具有极高的挑战性。膜蒸馏过程因为高分离效率、超高的盐富集能力在处理高盐废水领域得到了较多的关注。然而，陶瓷膜本身是亲水性的膜材料，不能直接用于膜蒸馏应用的研究中。为了解决这一问题，通过对陶瓷膜进行表面疏水或超疏水改性（如嫁接有机材料氟硅烷、无机纳米材料修饰如碳纳米管等），在高盐废水的处理中取得了较好的水-盐分离效果和稳定运行性能。尽管如此，膜蒸馏过程仍然存在着膜润湿、膜污染及膜结垢等问题。相比之下，渗透蒸发过程中水分子透过无机分离膜层的传输遵循“溶解（吸附）-扩散”和“蒸发-冷凝”机制，在处理一些含有油、表面活性剂等的高盐废水中取得了较好的结果。尽管在陶瓷膜上生长高质量稳定的沸石或MOF分离膜层以适配高盐废水处理具有一定的挑战性，但是近年来依然得到了持续的关注及研究。其中，最大的挑战是如何最小化沸石或MOF分离层中的晶间缺陷，以达到高效盐截留的目的。尽管膜蒸馏和渗透蒸发是热-膜过程，能耗问题依然是其面临的关键挑战，但是如果能够借以充分利用工业余热或废热等低品位的热源，仍然具有相当的竞争力。

基于陶瓷膜的可设计性，通过耦合高级氧化技术，诸如耦合臭氧、耦合光催化、耦合硫酸自由基等技术，陶瓷膜也可以实现对废水中的有机污染物或新兴污染物有效去除或降解。

陶瓷膜在水处理领域的典型工程案例如表3-1所示。

二、气体分离

相比于单一陶瓷膜难以很好地实现气体分离中的应用，陶瓷-陶瓷膜有效拓展了陶瓷膜在气体分离领域的应用潜力。陶瓷-陶瓷膜是指顶部的活性功能层由两种或多种陶瓷材料组合成的一个功能陶瓷膜层。Hee等采用溶胶-凝胶工艺制备了α-Al ₂ O ₃ /γ-Al ₂ O ₃ 陶瓷膜，对H ₂ /N ₂ 的选择性为3.53，气体分离性能不够理想。当采用CVD法沉积一层SiO ₂ 膜时，实现了对二元烃混合高的选择性分离性能。刘少敏等利用掺杂的ZrO ₂ 制备的陶瓷膜，对CO ₂ 具有较好的分离效果，Park等利用CVD法制备陶瓷膜对实现了对CH ₄ /C ₃ H ₈ 的高效分离。Younghee Kim等利用SiCAl ₂ O ₃ 复合陶瓷膜实现了对H ₂ /CO ₂ 的高效分离。Shao等利用陶瓷膜对氧气的分离提纯，能够达到很好的富氧效果。可以看出，经过特殊设计的陶瓷分离膜，能够在气/固分离和气/气选择性分离有着较好的应用前景。

陶瓷膜在气体分离领域的典型工程案例如表3-2所示。

三、其他特种分离

陶瓷膜具有耐酸碱、耐有机溶剂、耐高温、耐微生物以及易再生等特点，在化工、食品及生物医学领域比有机膜更具优势。在化工领域，陶瓷膜在高温高压可实现对化工产品进行分离提纯、对含有固体杂质的有机溶液进行除杂、对强酸强碱溶液的过滤、污水处理等，以及在生产过程中对原料溶液、产品溶液进行精密提纯，以提高产品质量。在食品领域，陶瓷膜对牛奶中的蛋白分馏具有较好的效果，在酱油工艺中进行除杂灭菌具有较好的效果，以及在啤酒过滤、牛奶生产工艺、味精提纯和果蔬饮料过滤等方面都具有较好的商业前景。在生物医学领域，陶瓷膜广泛应用于发酵液的处理及灭菌处理。陶瓷膜对医药废水中的抗生素展现了很好的降解去除效果，Priyankari等使用CuO纳米颗粒涂层制备的陶瓷膜对环丙沙星的去除率达到99%，以及Fan等利用CoFe ₂ O ₄ 修饰的平板陶瓷膜用于降解氧氟沙星，并在短时间内取得了完全降解的效果。Rashad等用管状陶瓷对细菌的去除率可达到80%。Kuma等制备低成本的微滤陶瓷膜，对细菌的截留率达到90.24%。陶瓷膜在生物医学领域有着广阔的发展空间。

陶瓷膜在特种分离领域的典型工程案例如表3-3所示。