论文部分内容阅读
环境污染对我国的经济发展和人民身体健康都具有重大影响。据统计，因环境污染造成的经济损失占国民生产总值的8％～15％，人民付出的健康代价更是无法估算。仅在北京，70％～80％的癌症病因与环境有关，尤其是肺癌，已经成为居民的第一大死因。随着科技的发展，有效治理与抑制日趋严重的环境污染，治理废水、废气、噪声更多地依赖高技术材料。
多孔陶瓷及改性滤料就是这样一种材料。
什么是多孔陶瓷
多孔陶瓷是一种含有气孔的固体材料，作为新型功能材料，它结合了多孔材料的高比表面积和陶瓷材料的理化稳定性，具有一定尺寸和数量的孔隙结构。多孔陶瓷材料的发展始于19世纪70年代，初期仅作为细菌过滤材料使用。随着科学技术的发展，人们控制其孔径、孔的形状、孔隙率、孔径分布、容重的能力不断提高，因而多孔陶瓷日益成为一种重要的环境材料，在许多领域都得到了应用。
多孔陶瓷一般可根据其孔穴排列方式、孔的大小、材质来分类。根据孔穴排列方式可分为蜂窝陶瓷材料和泡沫材料，而后者还可进一步分为开孔(或网状)及闭孔陶瓷材料：据孔的大小可分为微孔材料(孔隙直径小于2纳米)、介孔材料(孔隙直径介于2～50纳米)、宏孔材料(孔隙直径大于50纳米)；根据材质可分为高硅质硅酸盐材料、铝硅酸盐材料、精陶质材料、硅藻土质材料、刚玉和金刚砂材料、堇青石材料、采用工业废料的材料。
多孔陶瓷有何特点
多孔陶瓷滤料化学稳定好，选择适宜的材质和工艺，可制成耐酸、耐碱的多孔制品，并且不会与其他物质发生化学反应，从而造成二次污染；孔隙率高，可达20％～95％，且孔径分布均匀和大小可控，渗透率高；强度高，刚性大，在冲击压力作用下不引起外形变化和孔径变形；热稳定性好，不会产生热变形、软化、氧化现象等，工作温度可高达1000℃；自身洁净状态好，无毒无味、无异物脱落，不会产生二次污染；体积密度小，具有发达的比表面积及其独特的表面特性，能吸附滤除大量微小的悬浮物，对液体和气体介质有选择透过性；再生性强，通过用液体或气体反冲洗，可基本恢复原有过滤能力，从而具有较长的使用寿命，同时抗菌性能好，不易被细菌降解。
这些优良的性质确保了多孔陶瓷在众多领域中的应用优势。一般在保证机械强度、化学稳定性、热稳定性的基础上，尽可能要求较高的孔隙率、较大的比表面积、较窄且均匀的孔径。
多孔陶瓷在污染治理中的应用
由于多孔陶瓷具有许多优良特性，因而成为一种很有发展前途的生态环境材料，并在环境治理中得到了广泛应用。
多孔陶瓷具有特殊的结构，当滤液通过时，其中的悬浮物、胶体物和微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部，同时附着在污染物上的病毒等也一起被截留。这一过程是吸附、表面过滤和深层过滤相结合的过程，且以深层过滤为主。由于孔结构发达，因而多孔陶瓷的比表面积较大，能够吸附水中微小的悬浮物，主要以物理吸附为主。表面过滤主要发生在过滤介质的表面，多孔陶瓷起一种筛滤的作用，大于微孔孔径的颗粒被截留，被截留的颗粒在过滤介质表面产生架桥现象，形成了一层滤膜，这层滤膜也能起到重要的过滤作用，可防止杂质进入过滤层内部将微孔很快堵塞。深层过滤发生在多孔陶瓷内部，由于多孔陶瓷孔道的迂回，加上流体介质在颗粒表面形成的拱桥效应，惯性冲撞如布朗运动的影响，因此其过滤精度比本身孔径小得多，对液体介质约为多孔陶瓷孔径的1/5～1/10，对气体介质约为孔径的1/10～1/20。
目前，多孔陶瓷在废水、废气治理中得到了广泛应用。如处理锅炉湿法除尘废水、重金属废水，处理高温含尘气体除尘。
噪声是除水污染、大气污染、固体废物污染之外的第四大公害，给人们的日常生活带来了极大的影响。多孔陶瓷具有相互贯通的孔穴且与外界连通，又具有较高的机械强度，因此可作为一种优良的吸声材料。吸声机理是当声波进入孔穴时，可引起孔穴中的空气来回运动，由于空气的粘滞性会产生相应的粘滞阻力，从而将声能转化为热能。另外，由于孔穴内的空气与多孔陶瓷的骨架不断发生热交换也将声能转化为热能。作为隔音降噪材料，多孔陶瓷可用于高层建筑、地铁、隧道等防火要求极高的场合，以及电视发射中心、电影院等有较高隔音要求的地方。
现代工业生产和生活中排放的废热所造成的环境污染被称为热污染，目前人们还未充分认识到它的危害，常常对其熟视无睹。控制热污染的措施之一是防止热量的散失，而多孔陶瓷由于热稳定性好、热导率低、气体吸收小、比热容低等特性，使其成为传统的保温隔热材料。若将其内部抽成真空，那么多孔陶瓷将成为目前世界上最好的隔热材料——“超能隔热材料”。因而能很好地防止热量的损失而引发热污染。
未来应用领域
目前，水资源紧缺及污染严重是人类发展面临的严峻问题，我国的水资源人均占有量在全世界排在倒数几位，水环境恶化日甚一日，不少河流受到污染。水资源的严重现实使各国加快了对再生水处理技术的研发。多孔陶瓷在此领域的应用正逐渐为人们所关注。
饮用水的处理
过滤是自来水厂必不可少的一个操作单元，常用滤料是石英砂，但它具有孔隙率低、易板结等缺点，笔者参与了在湖北省孝感自来水公司进行的陶瓷滤料代替石英砂实验。两年的实验结果显示：新型陶瓷滤料是一种可调节粒径和比重的高强度滤料，实现了长达72小时过滤周期、出水浊度0.3NTU以下的正常运转(而石英砂过滤周期一般为24～48小时、出水浊度0.4～1.5NTu)：在滤层厚度相同时，陶瓷滤料的去污效率高达85％以上，远大于石英砂的去除效率：从水厂反冲时间看，陶瓷滤料反冲所需时间要比石英砂滤料反冲时间短，可节省冲洗水量和动力消耗，每年可以节省日常运行费用41％。
工业废水的处理
对山东鲁梅丝业公司生产废水进行的实验性处理结果显示：新型陶瓷滤料延长了过滤周期2.5倍，节省了反冲洗耗水、耗电约60％，同时回用水量增加了120千克／天；延长了后续活性炭的吸附周期，因而节省了活性炭费用。
油田采出水的处理
原油从地下采出经三相分离器分离后产生的废水称之为油田采出水，目前常用来回注。此种废水的主要污染物是油类与悬浮物(SS)，若不加处理回注可起钻井及管道堵塞，若外排则油膜浮于水面上阻碍水体的复氧过程而降低其自净能力。我们用此陶瓷滤料改性处理此类废水可使油的去除率达90％以上，SS的去除率达96％，出水能满足SY/T5329—94标准中的A1级标准，即含油量≤5.0毫克／升，悬浮物≤1.0毫克／升。
微污染水的处理
微污染水是针对有机污染提出的一个概念。微污染水中天然有机物(主要是腐殖酸)是三卤甲烷(THPs)的前驱物质，此前驱物质经加氯消毒后会生成具有“三畸”作用的各种THPs，严重危害人体健康。专家正在研究将二氧化钛固定于多孔陶瓷滤球上，利用紫外光照射使二氧化钛产生具有氧化还原作用的光生电子一空穴对，从而将有机物矿化成二氧化碳与水。
责任编辑 赵 菲
多孔陶瓷及改性滤料就是这样一种材料。
什么是多孔陶瓷
多孔陶瓷是一种含有气孔的固体材料，作为新型功能材料，它结合了多孔材料的高比表面积和陶瓷材料的理化稳定性，具有一定尺寸和数量的孔隙结构。多孔陶瓷材料的发展始于19世纪70年代，初期仅作为细菌过滤材料使用。随着科学技术的发展，人们控制其孔径、孔的形状、孔隙率、孔径分布、容重的能力不断提高，因而多孔陶瓷日益成为一种重要的环境材料，在许多领域都得到了应用。
多孔陶瓷一般可根据其孔穴排列方式、孔的大小、材质来分类。根据孔穴排列方式可分为蜂窝陶瓷材料和泡沫材料，而后者还可进一步分为开孔(或网状)及闭孔陶瓷材料：据孔的大小可分为微孔材料(孔隙直径小于2纳米)、介孔材料(孔隙直径介于2～50纳米)、宏孔材料(孔隙直径大于50纳米)；根据材质可分为高硅质硅酸盐材料、铝硅酸盐材料、精陶质材料、硅藻土质材料、刚玉和金刚砂材料、堇青石材料、采用工业废料的材料。
多孔陶瓷有何特点
多孔陶瓷滤料化学稳定好，选择适宜的材质和工艺，可制成耐酸、耐碱的多孔制品，并且不会与其他物质发生化学反应，从而造成二次污染；孔隙率高，可达20％～95％，且孔径分布均匀和大小可控，渗透率高；强度高，刚性大，在冲击压力作用下不引起外形变化和孔径变形；热稳定性好，不会产生热变形、软化、氧化现象等，工作温度可高达1000℃；自身洁净状态好，无毒无味、无异物脱落，不会产生二次污染；体积密度小，具有发达的比表面积及其独特的表面特性，能吸附滤除大量微小的悬浮物，对液体和气体介质有选择透过性；再生性强，通过用液体或气体反冲洗，可基本恢复原有过滤能力，从而具有较长的使用寿命，同时抗菌性能好，不易被细菌降解。
这些优良的性质确保了多孔陶瓷在众多领域中的应用优势。一般在保证机械强度、化学稳定性、热稳定性的基础上，尽可能要求较高的孔隙率、较大的比表面积、较窄且均匀的孔径。
多孔陶瓷在污染治理中的应用
由于多孔陶瓷具有许多优良特性，因而成为一种很有发展前途的生态环境材料，并在环境治理中得到了广泛应用。
多孔陶瓷具有特殊的结构，当滤液通过时，其中的悬浮物、胶体物和微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部，同时附着在污染物上的病毒等也一起被截留。这一过程是吸附、表面过滤和深层过滤相结合的过程，且以深层过滤为主。由于孔结构发达，因而多孔陶瓷的比表面积较大，能够吸附水中微小的悬浮物，主要以物理吸附为主。表面过滤主要发生在过滤介质的表面，多孔陶瓷起一种筛滤的作用，大于微孔孔径的颗粒被截留，被截留的颗粒在过滤介质表面产生架桥现象，形成了一层滤膜，这层滤膜也能起到重要的过滤作用，可防止杂质进入过滤层内部将微孔很快堵塞。深层过滤发生在多孔陶瓷内部，由于多孔陶瓷孔道的迂回，加上流体介质在颗粒表面形成的拱桥效应，惯性冲撞如布朗运动的影响，因此其过滤精度比本身孔径小得多，对液体介质约为多孔陶瓷孔径的1/5～1/10，对气体介质约为孔径的1/10～1/20。
目前，多孔陶瓷在废水、废气治理中得到了广泛应用。如处理锅炉湿法除尘废水、重金属废水，处理高温含尘气体除尘。
噪声是除水污染、大气污染、固体废物污染之外的第四大公害，给人们的日常生活带来了极大的影响。多孔陶瓷具有相互贯通的孔穴且与外界连通，又具有较高的机械强度，因此可作为一种优良的吸声材料。吸声机理是当声波进入孔穴时，可引起孔穴中的空气来回运动，由于空气的粘滞性会产生相应的粘滞阻力，从而将声能转化为热能。另外，由于孔穴内的空气与多孔陶瓷的骨架不断发生热交换也将声能转化为热能。作为隔音降噪材料，多孔陶瓷可用于高层建筑、地铁、隧道等防火要求极高的场合，以及电视发射中心、电影院等有较高隔音要求的地方。
现代工业生产和生活中排放的废热所造成的环境污染被称为热污染，目前人们还未充分认识到它的危害，常常对其熟视无睹。控制热污染的措施之一是防止热量的散失，而多孔陶瓷由于热稳定性好、热导率低、气体吸收小、比热容低等特性，使其成为传统的保温隔热材料。若将其内部抽成真空，那么多孔陶瓷将成为目前世界上最好的隔热材料——“超能隔热材料”。因而能很好地防止热量的损失而引发热污染。
未来应用领域
目前，水资源紧缺及污染严重是人类发展面临的严峻问题，我国的水资源人均占有量在全世界排在倒数几位，水环境恶化日甚一日，不少河流受到污染。水资源的严重现实使各国加快了对再生水处理技术的研发。多孔陶瓷在此领域的应用正逐渐为人们所关注。
饮用水的处理
过滤是自来水厂必不可少的一个操作单元，常用滤料是石英砂，但它具有孔隙率低、易板结等缺点，笔者参与了在湖北省孝感自来水公司进行的陶瓷滤料代替石英砂实验。两年的实验结果显示：新型陶瓷滤料是一种可调节粒径和比重的高强度滤料，实现了长达72小时过滤周期、出水浊度0.3NTU以下的正常运转(而石英砂过滤周期一般为24～48小时、出水浊度0.4～1.5NTu)：在滤层厚度相同时，陶瓷滤料的去污效率高达85％以上，远大于石英砂的去除效率：从水厂反冲时间看，陶瓷滤料反冲所需时间要比石英砂滤料反冲时间短，可节省冲洗水量和动力消耗，每年可以节省日常运行费用41％。
工业废水的处理
对山东鲁梅丝业公司生产废水进行的实验性处理结果显示：新型陶瓷滤料延长了过滤周期2.5倍，节省了反冲洗耗水、耗电约60％，同时回用水量增加了120千克／天；延长了后续活性炭的吸附周期，因而节省了活性炭费用。
油田采出水的处理
原油从地下采出经三相分离器分离后产生的废水称之为油田采出水，目前常用来回注。此种废水的主要污染物是油类与悬浮物(SS)，若不加处理回注可起钻井及管道堵塞，若外排则油膜浮于水面上阻碍水体的复氧过程而降低其自净能力。我们用此陶瓷滤料改性处理此类废水可使油的去除率达90％以上，SS的去除率达96％，出水能满足SY/T5329—94标准中的A1级标准，即含油量≤5.0毫克／升，悬浮物≤1.0毫克／升。
微污染水的处理
微污染水是针对有机污染提出的一个概念。微污染水中天然有机物(主要是腐殖酸)是三卤甲烷(THPs)的前驱物质，此前驱物质经加氯消毒后会生成具有“三畸”作用的各种THPs，严重危害人体健康。专家正在研究将二氧化钛固定于多孔陶瓷滤球上，利用紫外光照射使二氧化钛产生具有氧化还原作用的光生电子一空穴对，从而将有机物矿化成二氧化碳与水。
责任编辑 赵 菲