在我國城市,由于輸水管道的銹蝕,特別是大多數高層住宅的居民飲用的都是蓄水池水,自來水的二次污染相當嚴重,自來水中的細菌指標、固體含量指標都超出了國家飲用水標準,更不用說用作直接飲用生水.而廣大農村,很多人飲用的仍然是未經過處理的水.膜分離技術是飲用水凈化和工業用純水制備工藝中一種先進、方便的分離技術,尤其是無機陶瓷膜更具有良好的耐腐蝕性、耐高溫性、無污染、易清洗、壽命長等優點,因此近年來,無機陶瓷膜在飲用水中應用的研究愈來愈受到重視。

國際上使用陶瓷濾芯用于飲用水凈化的有英國Fairey工業陶瓷有限公司、瑞士Katadyn和韓國的高麗(Ko2ea)陶瓷株式會社,其中Fairey(Doulton牌)是國際上最富盛名的家用凈水器生產商,已經有150多年的生產歷史.目前,在國際上有部分學者致力于梯度陶瓷膜的研究.Darcovich等通過對漿料的沉降分離法制備出直徑45mm,厚3.3mm的α-氧化鋁的薄片樣品.Nijmeijer等利用離心法制備出長13cm,直徑16mm的α-氧化鋁陶瓷膜管,但由于所用的粉料是一種規格的,所以制成的管并非完全梯度變化的.黃肖容等采用熔模離心法一次成型制得了一種孔徑沿徑向梯度分布的不對稱氧化鋁膜管.本文采用硅藻土梯度陶瓷膜,裝成了飲用水陶瓷膜凈化裝置,對民用自來水進行了凈化處理.

1實驗部分

以廣州市自來水為凈化用原水,用順德市泉之源實業有限公司生產的硅藻土梯度陶瓷膜濾芯組裝成凈水裝置,濾芯為標準10英寸濾芯,有效長度為225mm,外徑54mm,壁厚7mm,內徑40mm,平均孔徑為0.15μm,控制層在內表層,有效過濾面積為010283m2,孔隙率為68%.采用死端過濾.測定方法是,堵塞后,將濾芯拔出取下,在自來水下,以小水流一邊沖洗,一邊用百潔布刷洗濾芯表面,將沉積在表面層的污染物濾餅連同被堵塞的陶瓷膜孔一起刷掉,露出新的陶瓷膜管表面,沖洗干凈后,再將濾芯裝回,其出水流量恢復.測定凈化前后水的細菌含量、雜質含量的變化以及無機膜的分離性能、使用壽命、膜污染及清洗性能.通量以單位時間內通過單位膜面積的液體體積表示.操作條件:溫度為室溫20～30℃,水壓為0.1～0.38MPa,共運行600h,清刷100次,共凈化51125m3原水.平均每刷一次凈化512L,清刷100次后,濾芯直徑變為48mm,壁厚減薄3mm,在0.1MPa的水壓下,刷后初始通量介于1.58～2.5m3/(m2·h).圖1是陶瓷膜凈水過程示意圖.

2結果與討論

2.1硅藻土梯度陶瓷膜的微觀組織

硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖,其內部有無數間隙的小孔、孔隙率極高達80%～90%,是一種良好的工業濾劑.由于其特殊的結構、構造,廣泛應用于輕工、化工、建材、石油、醫藥衛生等部門.食品工業上用作過濾材料.本文所用的梯度陶瓷膜就是由硅藻土經過1200℃以上高溫燒結而成的,梯度陶瓷膜濾芯的滲透通道不僅僅是硅藻土顆粒之間形成的孔道,而且硅藻土顆粒內部的微孔也會與硅藻土顆粒之間的孔道匯合,形成龐大的孔道網絡.因此濾芯有很高的孔隙率,保證了凈化時有很大的水流通量.圖2是陶瓷膜濾芯內表層的SEM照片.由圖2可見,陶瓷膜濾芯控制層膜孔均勻.

2.2凈化后的水質

由于這種陶瓷膜的控制層的孔徑只有0128μm,平均孔徑為0.15μm,幾乎所有的細菌、微生物都不可能進入孔隙,與凈水接觸的膜管內壁也就是無菌的,不存在細菌等在分離介質上繁殖的問題,可有效地防止凈水的再次污染.表1是經梯度陶瓷膜凈化后的凈水與原水的水質比較.經這種梯度陶瓷膜凈化后的凈水,細菌濾除率100%,凈水中不含鐵銹、微生物等雜質,大于50nm的微粒子未檢出.

表2是中國預防醫學科學院環境衛生監測所對梯度陶瓷膜濾芯的對總大腸菌群去除率的檢測結果.結果表明,由硅藻土梯度陶瓷膜在5次的加標測試中對總大腸菌群去除率均為100%.從表2到表4測試的都是兩個梯度陶瓷膜濾芯,即表中的樣品1和樣品2.

表3是中國預防醫學科學院環境衛生監測所對梯度陶瓷膜濾芯的對渾濁度去除率的檢測結果.結果表明,由硅藻土梯度陶瓷膜在產水量在30m3的凈化過程中對加標原水渾濁度去除率均大于96%.而國家對一般水質處理器要求的渾濁度去除率是80%.

表4是中國預防醫學科學院環境衛生監測所對梯度陶瓷膜濾芯的對砷、鉛等有害物質和對余氯的去除效果的檢測結果.結果表明梯度陶瓷膜對水中的砷、鉛等有害物質有明顯的去除效果,對余氯也有顯著的去除效果.

2.3水壓對通量的影響

圖3是水的通量隨初始水壓增大的變化曲線.在0.05MPa水壓下膜通量為1.31m3/(m2·h),隨著水壓的增加,通量逐漸增大,在0.30MPa水壓下膜通量達到6.59m3/(m2·h).由圖3可以看出,水壓與通量基本上呈線性關系,水壓越大通量就越大.

2.4機械清刷對膜通量的影響

由于原水中含有細菌、微生物及鐵銹、塵埃等微粒子,對其進行膜分離凈化處理過程中,這些被截留的大小各異的微粒子就會沉積在膜的表面或膜孔內堵塞膜孔,使水流阻力增加,過濾速度減小,通量降低.凈化時首先要透過孔徑較大的外表層,雖然梯度陶瓷膜的外表面的硅藻土顆粒,但其平均孔徑仍然非常小,原水中所含的絕大多數細菌、微生物、鐵銹、塵埃等微粒子都被外表層截留,沉積在外表層的表面,形成濾餅,堵塞孔隙,所以這種梯度陶瓷膜管在分離過程中通量隨使用時間的增加而降低.梯度陶瓷膜的一個特點就是通過簡單的機械洗刷方法就能容易地將沉積在膜管外表層的污染物濾餅連同表面的一層硅藻土膜一起刷掉,露出新的表面,從而使其通量得到恢復.圖4是陶瓷膜濾芯通量隨時間的變化曲線,為了清楚地得到通量隨時間變化規律,在開始、凈化25m3后,及凈化50m3后,進行清刷,測試24h,分別測出其變化曲線,測試時的水壓為0.1MPa.由圖4可以看出,隨著凈化時間的增加,通量降低,特別在開始的6h內下降比較明顯.隨著凈化自來水量的增加,其清刷后的開始通量也在降低.但隨著時間的增加,下降趨勢減緩,到凈化24h時,通量相當接近.

梯度陶瓷膜在凈化過程中每6h清刷一次,圖5為它們每次刷洗后的初始通量曲線(水壓為0.1MPa),由圖5可見,陶瓷膜在前幾次的剛刷洗后測定的通量變化較大,刷洗一定次數之后,梯度陶瓷膜剛刷洗后的通量變化平緩,最后其值穩定在1.7m3/(m2·h)左右,和開始時的通量相比有所下降.

在前幾次的刷洗后,測得的通量變化較大,是因為自來水中所含的細菌、微生物、鐵銹、塵埃等微粒子除了沉積在膜表面外還有一部分進入了膜管內部,堵塞了硅藻土顆粒間比較大的孔隙,而機械刷洗只能除去沉積在膜外表面的微生物與懸浮微粒,對于膜管內部的孔堵塞則清刷不到,經過一定時間的過濾后,梯度陶瓷膜管內的大孔基本上已經被堵塞,由于梯度陶瓷膜的膜孔是由外到內逐漸梯度變化的,最小的膜孔在內表層,即內表層是控制層,進入梯度陶瓷膜外部的微生物與懸浮微粒這時就變成了堵塞大孔的粒子,使自來水中后續同樣的微生物與懸浮微粒基本上進不到陶瓷膜內部.這時,原水中所含的細菌、微生物、鐵銹、塵埃等微粒子基本上都被截留,沉積在陶瓷膜管的表面,形成濾餅,而不能進入膜的孔隙內,堵塞孔隙,所以膜的污染主要是膜表面的污染,孔隙堵塞得到了有效的控制,這就使膜的清洗易于進行,采用市售百潔布,通過簡單的機械洗刷方法就能容易地將沉積在膜管外表層的污染物濾餅連同表面的一層硅藻土膜一起刷掉,露出新的表面,用水沖洗掉即可,不需反沖.每清刷一次,就要刷掉約30μm,經過100次的清刷后,梯度陶瓷膜管的厚度就減薄了3mm,這時已經過濾了50m3自來水.

3結束語

1)梯度陶瓷膜是一種安全有效的飲用水凈化器材.孔徑為0.15μm的梯度陶瓷膜