摘要：多孔陶瓷材料具有各種優(yōu)良的性能，在水污染、大氣污染的治理及固體廢棄物的利用方面有著廣泛的應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹了堇青石蜂窩陶瓷、多孔碳化硅、陶瓷分離膜的特性，以及它們?cè)诃h(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：環(huán)保 多孔陶瓷 蜂窩陶瓷 陶瓷分離膜

1 前言

環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)日益關(guān)心的重大問(wèn)題，工業(yè)廢水、廢氣的排放嚴(yán)重影響著人們的生產(chǎn)和生活。陶瓷材料具有各種優(yōu)良的性能，在水污染、大氣污染的治理及固體廢棄物的利用方面有著廣泛的應(yīng)用。陶瓷材料與環(huán)境保護(hù)之間存在著許多共同領(lǐng)域，在環(huán)境保護(hù)中起到了極為重要的作用。

2多孔陶瓷與環(huán)境問(wèn)題

多孔陶瓷具有優(yōu)異的熱特性(熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱擴(kuò)散等)、機(jī)械特性(彈性模量、強(qiáng)度等)、抗化學(xué)腐蝕性以及質(zhì)輕等特性，近年在環(huán)境保護(hù)中廣泛應(yīng)用，例如各種過(guò)濾器(氣體分離、固體分離、除菌、除塵等)、催化載體、吸音材料、輕質(zhì)建材、絕熱材料等[2-5]。

2.1排氣凈化用多孔性堇青石蜂窩陶瓷

美國(guó)于上世紀(jì)70年代，針對(duì)大氣污染嚴(yán)重的汽車排氣制定了劃時(shí)代的馬斯基法。該法至今仍是汽車排氣規(guī)定的重要基礎(chǔ)。目前，排氣中的HC、CO、NOx的量比未規(guī)定時(shí)減少約1/10，今后的目標(biāo)是減少到現(xiàn)狀的1/3水平。中國(guó)的一些大城市，如北京、廣州、上海都相繼出臺(tái)了汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

汽車尾氣凈化器采用薄壁堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷載體，載體表面涂覆貴金屬、稀土元素、過(guò)渡金屬等復(fù)合制成的催化劑，將汽車尾氣中的CO、HC、NOx等有害成分，通過(guò)催化分解變成無(wú)害的CO2、H2O和N2等氣體，達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品具有尺寸規(guī)整、比表面積大、導(dǎo)熱快、抗壓強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好等性能。

蜂窩陶瓷以及催化劑的開(kāi)發(fā)對(duì)汽車排氣凈化作出了很大的貢獻(xiàn)。汽車尾氣凈化器用蜂窩陶瓷要求材質(zhì)膨脹系數(shù)低、耐溫性好，因此堇青石是首選材質(zhì)。催化劑多以貴金屬Pt、Rn、Pd等組成，我國(guó)還開(kāi)發(fā)了稀土氧化物催化劑。堇青石蜂窩陶瓷的氣孔率一般在20%～60%，標(biāo)準(zhǔn)氣孔率為35%。一般堇青石蜂窩體網(wǎng)眼密度有400孔和600孔兩類，壁厚分別為6密耳 (150μm)和4密耳(100μm)。目前正在開(kāi)發(fā)900孔及壁厚為2密耳(50μm)的堇青石蜂窩體。堇青石蜂窩陶瓷的孔壁向薄型化發(fā)展的同時(shí)，其蜂窩體的直徑向大型化發(fā)展，即最大直徑從100mm向150mm、300mm發(fā)展，以提高效率并適應(yīng)大排氣量的凈化需要。這種大型堇青石蜂窩陶瓷凈化器已在大型載重汽車、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣上得到應(yīng)用，也適用于壓縮天然氣(CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)或乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣凈化。

2.2多孔質(zhì)碳化硅

柴油清潔排放系統(tǒng)（Diesel Particulate Filter簡(jiǎn)稱DPF）的關(guān)鍵材料是純SiC蜂窩陶瓷材料。這是目前唯一能滿足歐Ⅳ、歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩陶瓷。它可以清除汽車尾氣排放中96.5％以上的顆粒，包括極細(xì)的微粒。使汽車尾氣排放顆粒率指標(biāo)達(dá)到歐Ⅳ以上的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域，如廢氣、廢煙環(huán)保處理。捕集器采用蜂窩式結(jié)構(gòu)，它的工作原理為：在兩端設(shè)有獨(dú)立的敞開(kāi)與堵塞的通道，廢氣從敞開(kāi)的一端進(jìn)入，穿越多孔的蜂窩壁，然后從相鄰?fù)ǖ琅懦?，煙灰顆粒由于過(guò)大，而無(wú)法穿越壁孔，因而被收集在通道壁上，而不會(huì)被排放到空氣中。該捕集器將會(huì)定期再生和加熱，以消除煙灰，從而保持清潔。

（1） 多孔SiC的特點(diǎn)

多孔SiC具有均勻的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；氣孔率高，可達(dá)85%，有大的連續(xù)孔；導(dǎo)電性好，壓力損失?。煌娍砂l(fā)熱(比電阻小，室溫1～2Ω·cm)；耐溫高，可達(dá)200℃；導(dǎo)熱率高，6～8W/m·K；優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕性；切割、鉆孔等冷加工容易；與流體的接觸面積大。

（2） 多孔SiC的用途

1） 用于柴油機(jī)油煙捕集過(guò)濾器：柴油機(jī)的排氣中含有浮游顆粒物質(zhì)和NOx，他們是造成大氣污染的原因之一。多孔SiC捕集過(guò)濾效率比堇青石蜂窩陶瓷要好。

2） 用于廢氣處理：家庭和飲食店廚房從排氣口排出的煙和油霧等廢氣也是大氣污染源之一。對(duì)于這類廢氣的處理，可在排氣口裝多孔SiC分解器，通電加熱(＜400℃)廢氣就可分解。

3） 作為催化劑載體：因?yàn)槎嗫譙iC導(dǎo)熱率高、化學(xué)穩(wěn)定性好，所以可用作催化劑載體。

2.3陶瓷分離膜

陶瓷膜是以無(wú)機(jī)陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制成的非對(duì)稱膜，呈管狀及多通道狀，管壁密布微孔。它主要是依據(jù)“篩分”理論，根據(jù)在一定的膜孔徑范圍內(nèi)滲透的物質(zhì)分子直徑不同則滲透率不同，在壓力作用下，原料液在膜管內(nèi)或膜外側(cè)流動(dòng)，小分子物質(zhì)(或液體)透過(guò)膜，大分子物質(zhì)(或固體)被膜截留而達(dá)到分離、濃縮、純化和環(huán)保的目的。

陶瓷分離膜技術(shù)與先前的分離技術(shù)相比具有小型化、節(jié)能、維護(hù)管理方便等特征。陶瓷膜的耐久性、抗化學(xué)腐蝕性、耐熱性及強(qiáng)度比一般有機(jī)膜優(yōu)異。陶瓷膜的材質(zhì)主要有A12O3、ZrO2、TiO2和SiO2等，氣孔率達(dá)40%～50%，抗彎強(qiáng)度＞35MPa。根據(jù)制備工藝不同，膜孔的孔徑可以做到40nm~15μm，適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

將一些單個(gè)分離膜用收集水的頂蓋把膜的端部組合起來(lái)的整體稱為分離膜組件。隨無(wú)機(jī)膜制膜技術(shù)的快速發(fā)展，分離膜的適用范圍從超純水制造、藥品、食品領(lǐng)域發(fā)展到各種排水處理領(lǐng)域。在水處理時(shí)，可以反沖洗及化學(xué)試劑強(qiáng)力洗凈，所以過(guò)濾器的恢復(fù)性好，能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

浸漬型陶瓷分離膜裝置適用于水處理，也可以在反應(yīng)槽內(nèi)進(jìn)行活性污泥處理。把活性污泥法與浸漬型膜處理組合工藝稱為BIOREM；把凝聚法與浸漬型膜處理組合工藝稱為FILCERA，其分離過(guò)程是：把陶瓷分離膜組件浸漬在反應(yīng)槽內(nèi)，從其下部鼓氣，將攪拌氣泡上升流提供給膜表面，然后除去在陶瓷膜外側(cè)形成的粘結(jié)層(濾餅)等附著物。FILCERA工藝可用于凈水處理，BIOREM工藝可用于下水處理、小規(guī)模下水及合并凈水槽、農(nóng)村積水排水處理以及有機(jī)系工業(yè)廢水處理等方面。

3結(jié)語(yǔ)

本文介紹了堇青石蜂窩陶瓷、多孔碳化硅、陶瓷分離膜在環(huán)境保護(hù)中的作用，堇青石蜂窩陶瓷多用于汽車尾氣處理，多孔碳化硅用于柴油清潔排放系統(tǒng)，陶瓷分離膜用于凈化水系統(tǒng)，它們?cè)诃h(huán)境保護(hù)中起了重要作用，是大有可為的。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，陶瓷材料在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域?qū)⑷〉酶喔袃r(jià)值的研究成果，陶瓷在環(huán)境保護(hù)中將發(fā)揮更大的作用。

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