多孔陶瓷在环境治理中的应用

摘要多孔陶瓷是一种以气孔为主相的新型陶瓷材料，由于其具有优良的物理化学特性，现已被广泛应用于化工、石油、冶炼、纺织、制药、食品机械、水泥等各个行业，已引起材料工作者的高度重视。随着近几年环境问题的加剧，多孔陶瓷开始转向于环境治理方面，本文着重讲述多孔陶瓷在环境保护方面的应用。本文简要介绍了多孔陶瓷材料的概念、优良特性、制备工艺及表征参量。重点讲述了多孔陶瓷材料在废水处理、大气污染治理、噪声控制、节能隔热以及固体废弃物的治理等方面的应用研究现状，并对其目前研究过程中出现的问题进行了简单阐释，从而提出了多孔陶瓷材料未来的发展前景及趋势。关键词多孔陶瓷；环境治理；应用；性能；前景；AbstractPoresofporousceramicsisakindofnewceramicmaterialsbasedphase,duetoitsexcellentphysicalandchemicalproperties,havebeenwidelyusedinchemical,petroleum,metallurgy,textile,pharmaceutical,foodmachinery,cementandotherindustries,hascausematerialworkersarehighlyvalued.Withtheincreasingenvironmentalproblemsinrecentyears,porousceramicsareturningtoenvironmentalgovernance,thisarticlehighlightedtheplightofporousceramicsinenvironmentalprotectionapplications.Thispaperintroducestheconceptofporousceramicmaterials,excellentfeatures,Preparationandcharacterizationparameters.Focusesontheporousceramicmaterialinthewastewatertreatment,airpollutioncontrol,noisecontrol,energy-savinginsulationandsolidwastemanagementandotheraspectsofappliedresearchstatus,anditscurrentproblemsintheresearchprocessasimpleexplanation,whichmadeaporousceramicmaterialfutureprospectsandtrends.Keywordsporousceramics;environmentalgovernance;application;prospects;performance;1前言环境是人类赖以生存的物质基础，而随着社会的发展，地球变暖、臭氧空洞、水土大气污染、热带雨林破坏以及由工业、生活废弃物所带来的种种环境污染均在日益加剧。环境保护已成为制约社会进步和发展的瓶颈。提倡绿色环保理念，实现无污染的绿色化工业生产是人类文明、科技进步的体现和象征。环境保护与陶瓷材料之间存在着许多不解之缘。多孔陶瓷作为一种新型陶瓷材料，以特殊的多孔结构而表现出许多特殊性能，如：渗透性、高比表面积、低热导率等[1]，还具备普通陶瓷材料特有的耐高温、耐腐蚀、高化学稳定性和尺寸稳定性，使多孔陶瓷被用作过滤、分离、扩散、布气、隔热、吸声、化工填料、生物陶瓷、化学传感器、催化剂和催化剂载体等元件材料[2-4]，广泛地应用于环保、能源、化工、生物等各个科学领域，具有非常广阔的发展前景。早在20世纪70年代，多孔陶瓷就已作为细菌过滤元件使用。经过30多年的发展，该材料目前在环境工程领域已用于工业废气废水处理、汽车尾气处理等诸多方面，促进了环保事业的发展。2多孔陶瓷材料的概述多孔陶瓷材料是以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料，经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种内部具有大量彼此相通并与材料表面也相贯通的孔隙结构的陶瓷材料。2.1多孔陶瓷的优良特性多孔陶瓷材料除具有相对密度小、比表面积大、热导率低、比强度高及吸附性能好等多孔材料的共同属性外，还具有如下特性[8]：(1)化学稳定性好，选择合适的材质和工艺，可制成适应各种腐蚀环境的多孔制品。(2)强度大，刚度高，即在气压、液压或其他应力负载下，孔隙形状与尺寸不会发生变化。(3)耐热性佳，即由耐高温陶瓷制成的多孔体可对熔融钢水或高温燃气等进行过滤。(4)孔隙率高，可达20％-95％，且孔径分布均匀和大小可控，渗透率高。(5)体积密度小，具有发达的比表面积及独特的表面特性。(6)自身洁净状态好，无毒无味、无异物脱落，不会产生二次污染。(7)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。2.2多孔陶瓷的制备工艺及其表征指标多孔陶瓷的首要特征是其多孔特性，制备的关键和难点是形成多孔结构。选择适当的方法和工艺可以得到适宜的多孔陶瓷。多孔陶瓷常用的制备工艺如下：(1)有机（聚合物）泡沫浸渍工艺[9]。该工艺是用有机泡沫浸渍陶瓷浆料，干燥后烧掉有机泡沫，获得多孔陶瓷的一种方法。(2)添加造孔剂工艺[10]。该法是在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基本而形成气孔来制备多孔陶瓷。(3)发泡工艺[9]。该工艺是向陶瓷组分中添加有机物或无机物，在处理过程中形成挥发性气体，从而产生泡沫，经干燥和烧成制得多孔陶瓷。(4)溶胶---凝胶工艺[10]。该工艺主要利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理，热处理等过程中留下小气孔，形成可控多孔结构。多孔陶瓷材料的基本参量包括孔隙率、孔径与孔径分布、孔隙形貌、孔隙特性、比表面积等5个方面[11]。这五个物理量都可以作为表征多孔陶瓷孔结构的指标。这些指标与多孔陶瓷滤料在环境污染治理方面的应用密切相关[12]，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。3多孔陶瓷材料在环境治理中的应用多孔陶瓷材料除了具有多孔材料共有的特性之外，因优良的物理化学性能使其得到了很大的发展和工业应用，成为环境工程领域中关注的热点。同时，它也是一种很有发展前景的生态环境材料，在环境治理和除污防毒工程中得到了广泛应用和推广。3.1多孔陶瓷应用于废水处理3.1.1处理锅炉湿法除尘废水、火电厂冲渣废水（1）废水排外超标问题锅炉湿法除尘废水中含有大量悬浮状态的粉煤灰和未燃尽的微小炭粒并由于吸收了SO2、CO2、NO2等气体而呈酸性，它与热电厂水力冲渣废水一样都是弱酸性高浓度的废水，悬浮物浓度高、灰渣量大处理难度大。即使使用沉淀除渣或与机械脱水相结合的工艺，处理后的水质仍难以满足国家排放标准。（2）多孔陶瓷过滤原理徐奇焕[13]报道了武昌电厂采用多孔陶瓷板处理火电厂冲渣废水的工艺。多孔陶瓷过滤板[12-13]由石英、氧化铝、碳化硅等成分为骨料，掺杂一定比例的粘结剂、成孔剂、稀土抗蚀剂，经高温烧制而成。其板体内形成很多大小分布均匀、相互连通的桥拱状开口微孔通道，当流体从微孔通道经过时，其所含悬浮物如杂质胶体颗粒、细菌、大分子有机物等，被过滤、截留；同时，流体经微孔通道的外表面或内部，亦产生各种物理效应，从而达到机械筛滤、净化，或扩散、流态化、吸附截留等功效。（3）利用多孔陶瓷处理结果采用多孔陶瓷板处理火电厂冲渣废水的工艺，废水通过微孔陶瓷板过滤处理后，悬浮物(SS)净化率可达91%~97%，化学需氧量(COD)去除率89%~95%，出水悬浮物浓度10～15mg/L，达到国家一级排放标准。3.1.2处理重金属工业废水（1）重金属工业废水危害重金属通过一系列人为污染源，以及天然源形式进入水体，加之其具有毒性大、在环境中不易被代谢，不但污染水环境，也严重威胁人类和水生生物的生存。但是，目前在重金属离子废水处理的各种方法中，普遍存在着运行成本高昂、管理手段繁琐、效率低下、有可能造成二次污染等缺陷。（2）多孔陶瓷吸附原理由于多孔陶瓷特殊的结构，当滤液通过时，其中的重金属离子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。该过程是吸附、表面过滤和深层过滤相结合的过程[14]，并主要以吸附为主。（3）利用多孔陶瓷处理结果王世龙[15]等人通过实验发现，多孔陶瓷对铅具有较强的吸附能力，在废水pH=4~11、Pb2+浓度为0~100mg/L范围内，按铅与多孔陶粒质量比为1:200投加陶粒进行处理，铅的去除率达98%以上，处理后的废水可达排放标准。3.1.3处理生活污水或工业废水A.多孔陶瓷作为生物滤池填料（1）作为生物滤池填料的应用原理生物滤池是一类兼具过滤作用与生化处理作用、采用固定生物膜技术的好氧、缺氧生物反应器，适用于生活污水或工业废水处理。在生物滤池中填装了一种新型生物载体(滤料)，其表面附有活性生物膜，从滤池底部通过专用的曝气设备提供氧气；污水流经滤料时，通过其很强的生物吸附能力和降解能力对污水进行快速净化，同时，污水中的悬浮物及脱落的生物膜不会穿透滤料层而随水流出。因此，生物滤池内的滤料成为滤池能否成功运行的关键因素之一，要求其必须具有较大的比表面积和优良的表面特性，同时必须满足一定的力学性能要求。而多孔泡沫陶瓷因其优良的特性很好地满足了上述要求。（2）利用多孔陶瓷处理结果王宝沂[16]等经过大量的实验研究表明，采用内部填充多孔蜂窝陶瓷填料的生物滤池与其他处理工艺组成的组合系统相比，微生物种类丰富，耐冲击负荷能力强，具有快速的兼性和好氧反硝化效果，对反硝化脱氮工艺具有积极的参考和借鉴意义。B.多孔陶瓷作为曝气材料对于城市污水和工业废水，其另一种处理方法是活性污泥的生物学处理[17]。该方法是在废水中通人好氧微生物并作曝气处理，使废水中的有机物得以分解和净化。其中曝气装置所用材料即可为多孔陶瓷。提高曝气效果，重要的是使废水中的微小气泡能够均匀分布并发泡。一般而言，多孔体的孔径越小，气泡就越小，所有气泡的总表面积也就越大，这有利于提高对氧的吸收效率。但孔径太小又影响其渗透量，所以应将气孔孔径控制在一定范围[18]。3.2多孔陶瓷应用于废气处理3.2.1高温下烟气除尘为了克服湿法除尘易结垢堵塞、不利于回收利用等缺点，工业上对要回收的粉尘常采用干法收尘，能达到排放标准常只有袋式除尘器和电除尘器，但它们常因为高温或价格限制了使用[14]。如果采用耐高温而且有足够强度和抗热震性能的高渗透性多孔陶资材料，则可很好地满足上述的使用要求。谢锦秋[19]采用陶瓷质微过滤孔管式除尘器，解决了工业窑炉排烟净化的难题。此除尘器的壳体及结构件均由耐热钢制成，过滤元件为多孔陶瓷制品，性能关键件由不锈钢制成，密封部件为陶瓷纤维制品，故除尘器具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用寿命长及操作简易等优点，最终的除尘效率为99.5%，是工业窑炉高温烟尘治理的理想设备。3.2.2作为催化剂载体随着我国汽车行业的不断发展，汽车尾气排放已成为环境污染的主要来源。由于多孔陶瓷具有比表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、低密度，已被广泛作为汽车尾气催化净化器载体使用。将多孔陶瓷作为陶瓷催化器中的催化剂载体，主要有以下几方面的作用[20]：(1)提高表面积和合适的孔结构；(2)增加催化剂的强度和提高催化剂的热稳定性；(3)提供活性中心和减少活性组分用量。由此可推出，将多孔陶瓷汽车尾气催化净化器安装在汽油车排气管中，可以使汽油车排出的CO、NO有害气体转化成无毒的CO2、H2O和N2，大量实验证明其转化率在90%以上；将其用在柴油车上，碳粒净化率在50%以上[21-22]。3.2.3多孔材料应用于噪声治理噪声是除水污染、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。而多孔陶瓷具有相互贯通的孔穴且与外界连通，