在我國(guó)城市,由于輸水管道的銹蝕,特別是大多數(shù)高層住宅的居民飲用的都是蓄水池水,自來(lái)水的二次污染相當(dāng)嚴(yán)重,自來(lái)水中的細(xì)菌指標(biāo)、固體含量指標(biāo)都超出了國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn),更不用說(shuō)用作直接飲用生水.而廣大農(nóng)村,很多人飲用的仍然是未經(jīng)過(guò)處理的水.膜分離技術(shù)是飲用水凈化和工業(yè)用純水制備工藝中一種先進(jìn)、方便的分離技術(shù),尤其是無(wú)機(jī)陶瓷膜更具有良好的耐腐蝕性、耐高溫性、無(wú)污染、易清洗、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),因此近年來(lái),無(wú)機(jī)陶瓷膜在飲用水中應(yīng)用的研究愈來(lái)愈受到重視。
國(guó)際上使用陶瓷濾芯用于飲用水凈化的有英國(guó)Fairey工業(yè)陶瓷有限公司、瑞士Katadyn和韓國(guó)的高麗(Ko2ea)陶瓷株式會(huì)社,其中Fairey(Doulton牌)是國(guó)際上最富盛名的家用凈水器生產(chǎn)商,已經(jīng)有150多年的生產(chǎn)歷史.目前,在國(guó)際上有部分學(xué)者致力于梯度陶瓷膜的研究.Darcovich等通過(guò)對(duì)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(zhǎng)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(guī)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(duì)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(duì)民用自來(lái)水進(jìn)行了凈化處理.
1實(shí)驗(yàn)部分
以廣州市自來(lái)水為凈化用原水,用順德市泉之源實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的硅藻土梯度陶瓷膜濾芯組裝成凈水裝置,濾芯為標(biāo)準(zhǔn)10英寸濾芯,有效長(zhǎng)度為225mm,外徑54mm,壁厚7mm,內(nèi)徑40mm,平均孔徑為0.15μm,控制層在內(nèi)表層,有效過(guò)濾面積為010283m2,孔隙率為68%.采用死端過(guò)濾.測(cè)定方法是,堵塞后,將濾芯拔出取下,在自來(lái)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(fù).測(cè)定凈化前后水的細(xì)菌含量、雜質(zhì)含量的變化以及無(wú)機(jī)膜的分離性能、使用壽命、膜污染及清洗性能.通量以單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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(yùn)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?yōu)?8mm,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(guò)程示意圖.
2結(jié)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(zhì)沉積巖,其內(nèi)部有無(wú)數(shù)間隙的小孔、孔隙率極高達(dá)80%～90%,是一種良好的工業(yè)濾劑.由于其特殊的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,廣泛應(yīng)用于輕工、化工、建材、石油、醫(yī)藥衛(wèi)生等部門.食品工業(yè)上用作過(guò)濾材料.本文所用的梯度陶瓷膜就是由硅藻土經(jīng)過(guò)1200℃以上高溫?zé)Y(jié)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(nèi)部的微孔也會(huì)與硅藻土顆粒之間的孔道匯合,形成龐大的孔道網(wǎng)絡(luò).因此濾芯有很高的孔隙率,保證了凈化時(shí)有很大的水流通量.圖2是陶瓷膜濾芯內(nèi)表層的SEM照片.由圖2可見(jiàn),陶瓷膜濾芯控制層膜孔均勻.
2.2凈化后的水質(zhì)
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(xì)菌、微生物都不可能進(jìn)入孔隙,與凈水接觸的膜管內(nèi)壁也就是無(wú)菌的,不存在細(xì)菌等在分離介質(zhì)上繁殖的問(wèn)題,可有效地防止凈水的再次污染.表1是經(jīng)梯度陶瓷膜凈化后的凈水與原水的水質(zhì)比較.經(jīng)這種梯度陶瓷膜凈化后的凈水,細(xì)菌濾除率100%,凈水中不含鐵銹、微生物等雜質(zhì),大于50nm的微粒子未檢出.
表2是中國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)所對(duì)梯度陶瓷膜濾芯的對(duì)總大腸菌群去除率的檢測(cè)結(jié)果.結(jié)果表明,由硅藻土梯度陶瓷膜在5次的加標(biāo)測(cè)試中對(duì)總大腸菌群去除率均為100%.從表2到表4測(cè)試的都是兩個(gè)梯度陶瓷膜濾芯,即表中的樣品1和樣品2.
表3是中國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)所對(duì)梯度陶瓷膜濾芯的對(duì)渾濁度去除率的檢測(cè)結(jié)果.結(jié)果表明,由硅藻土梯度陶瓷膜在產(chǎn)水量在30m3的凈化過(guò)程中對(duì)加標(biāo)原水渾濁度去除率均大于96%.而國(guó)家對(duì)一般水質(zhì)處理器要求的渾濁度去除率是80%.
表4是中國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)所對(duì)梯度陶瓷膜濾芯的對(duì)砷、鉛等有害物質(zhì)和對(duì)余氯的去除效果的檢測(cè)結(jié)果.結(jié)果表明梯度陶瓷膜對(duì)水中的砷、鉛等有害物質(zhì)有明顯的去除效果,對(duì)余氯也有顯著的去除效果.
2.3水壓對(duì)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(dá)到6.59m3/(m2·h).由圖3可以看出,水壓與通量基本上呈線性關(guān)系,水壓越大通量就越大.
2.4機(jī)械清刷對(duì)膜通量的影響
由于原水中含有細(xì)菌、微生物及鐵銹、塵埃等微粒子,對(duì)其進(jìn)行膜分離凈化處理過(guò)程中,這些被截留的大小各異的微粒子就會(huì)沉積在膜的表面或膜孔內(nèi)堵塞膜孔,使水流阻力增加,過(guò)濾速度減小,通量降低.凈化時(shí)首先要透過(guò)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(shù)細(xì)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(guò)程中通量隨使用時(shí)間的增加而降低.梯度陶瓷膜的一個(gè)特點(diǎn)就是通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)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(fù).圖4是陶瓷膜濾芯通量隨時(shí)間的變化曲線,為了清楚地得到通量隨時(shí)間變化規(guī)律,在開(kāi)始、凈化25m3后,及凈化50m3后,進(jìn)行清刷,測(cè)試24h,分別測(cè)出其變化曲線,測(cè)試時(shí)的水壓為0.1MPa.由圖4可以看出,隨著凈化時(shí)間的增加,通量降低,特別在開(kāi)始的6h內(nèi)下降比較明顯.隨著凈化自來(lái)水量的增加,其清刷后的開(kāi)始通量也在降低.但隨著時(shí)間的增加,下降趨勢(shì)減緩,到凈化24h時(shí),通量相當(dāng)接近.
梯度陶瓷膜在凈化過(guò)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(jiàn),陶瓷膜在前幾次的剛刷洗后測(cè)定的通量變化較大,刷洗一定次數(shù)之后,梯度陶瓷膜剛刷洗后的通量變化平緩,最后其值穩(wěn)定在1.7m3/(m2·h)左右,和開(kāi)始時(shí)的通量相比有所下降.
在前幾次的刷洗后,測(cè)得的通量變化較大,是因?yàn)樽詠?lái)水中所含的細(xì)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(jìn)入了膜管內(nèi)部,堵塞了硅藻土顆粒間比較大的孔隙,而機(jī)械刷洗只能除去沉積在膜外表面的微生物與懸浮微粒,對(duì)于膜管內(nèi)部的孔堵塞則清刷不到,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的過(guò)濾后,梯度陶瓷膜管內(nèi)的大孔基本上已經(jīng)被堵塞,由于梯度陶瓷膜的膜孔是由外到內(nèi)逐漸梯度變化的,最小的膜孔在內(nèi)表層,即內(nèi)表層是控制層,進(jìn)入梯度陶瓷膜外部的微生物與懸浮微粒這時(shí)就變成了堵塞大孔的粒子,使自來(lái)水中后續(xù)同樣的微生物與懸浮微粒基本上進(jìn)不到陶瓷膜內(nèi)部.這時(shí),原水中所含的細(xì)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(jìn)入膜的孔隙內(nèi),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(jìn)行,采用市售百潔布,通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)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(jīng)過(guò)100次的清刷后,梯度陶瓷膜管的厚度就減薄了3mm,這時(shí)已經(jīng)過(guò)濾了50m3自來(lái)水.
3結(jié)束語(yǔ)
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