多孔陶瓷在环境保护中的应用

摘要：多孔陶瓷材料具有各种优良的性能，在水污染、大气污染的治理及固体废弃物的利用方面有着广泛的应用。本文重点介绍了堇青石蜂窝陶瓷、多孔碳化硅、陶瓷分离膜的特性，以及它们在环境保护中的应用。

关键词：环保 多孔陶瓷 蜂窝陶瓷 陶瓷分离膜

1 前言

环境问题已经成为国际社会日益关心的重大问题，工业废水、废气的排放严重影响着人们的生产和生活。陶瓷材料具有各种优良的性能，在水污染、大气污染的治理及固体废弃物的利用方面有着广泛的应用。陶瓷材料与环境保护之间存在着许多共同领域，在环境保护中起到了极为重要的作用。

2多孔陶瓷与环境问题

多孔陶瓷具有优异的热特性(热膨胀、热传导、热扩散等)、机械特性(弹性模量、强度等)、抗化学腐蚀性以及质轻等特性，近年在环境保护中广泛应用，例如各种过滤器(气体分离、固体分离、除菌、除尘等)、催化载体、吸音材料、轻质建材、绝热材料等[2-5]。

2.1排气净化用多孔性堇青石蜂窝陶瓷

美国于上世纪70年代，针对大气污染严重的汽车排气制定了划时代的马斯基法。该法至今仍是汽车排气规定的重要基础。目前，排气中的HC、CO、NOx的量比未规定时减少约1/10，今后的目标是减少到现状的1/3水平。中国的一些大城市，如北京、广州、上海都相继出台了汽车尾气排放标准。

汽车尾气净化器采用薄壁堇青石质蜂窝陶瓷载体，载体表面涂覆贵金属、稀土元素、过渡金属等复合制成的催化剂，将汽车尾气中的CO、HC、NOx等有害成分，通过催化分解变成无害的CO2、H2O和N2等气体，达到国家规定的排放标准。产品具有尺寸规整、比表面积大、导热快、抗压强度高、热膨胀系数低、热稳定性好等性能。

蜂窝陶瓷以及催化剂的开发对汽车排气净化作出了很大的贡献。汽车尾气净化器用蜂窝陶瓷要求材质膨胀系数低、耐温性好，因此堇青石是首选材质。催化剂多以贵金属Pt、Rn、Pd等组成，我国还开发了稀土氧化物催化剂。堇青石蜂窝陶瓷的气孔率一般在20%～60%，标准气孔率为35%。一般堇青石蜂窝体网眼密度有400孔和600孔两类，壁厚分别为6密耳 (150μm)和4密耳(100μm)。目前正在开发900孔及壁厚为2密耳(50μm)的堇青石蜂窝体。堇青石蜂窝陶瓷的孔壁向薄型化发展的同时，其蜂窝体的直径向大型化发展，即最大直径从100mm向150mm、300mm发展，以提高效率并适应大排气量的净化需要。这种大型堇青石蜂窝陶瓷净化器已在大型载重汽车、柴油发动机排气上得到应用，也适用于压缩天然气(CNG)发动机或乙醇发动机排气净化。

2.2多孔质碳化硅

柴油清洁排放系统（Diesel Particulate Filter简称DPF）的关键材料是纯SiC蜂窝陶瓷材料。这是目前唯一能满足欧Ⅳ、欧Ⅴ排放标准的蜂窝陶瓷。它可以清除汽车尾气排放中96.5％以上的颗粒，包括极细的微粒。使汽车尾气排放颗粒率指标达到欧Ⅳ以上的标准，同时也广泛应用于其它领域，如废气、废烟环保处理。捕集器采用蜂窝式结构，它的工作原理为：在两端设有独立的敞开与堵塞的通道，废气从敞开的一端进入，穿越多孔的蜂窝壁，然后从相邻通道排出，烟灰颗粒由于过大，而无法穿越壁孔，因而被收集在通道壁上，而不会被排放到空气中。该捕集器将会定期再生和加热，以消除烟灰，从而保持清洁。

（1） 多孔SiC的特点

多孔SiC具有均匀的立体网状结构；气孔率高，可达85%，有大的连续孔；导电性好，压力损失小；通电可发热(比电阻小，室温1～2Ω・cm)；耐温高，可达200℃；导热率高，6～8W/m・K；优良的抗化学腐蚀性；切割、钻孔等冷加工容易；与流体的接触面积大。

（2） 多孔SiC的用途

1） 用于柴油机油烟捕集过滤器：柴油机的排气中含有浮游颗粒物质和NOx，他们是造成大气污染的原因之一。多孔SiC捕集过滤效率比堇青石蜂窝陶瓷要好。

2） 用于废气处理：家庭和饮食店厨房从排气口排出的烟和油雾等废气也是大气污染源之一。对于这类废气的处理，可在排气口装多孔SiC分解器，通电加热(＜400℃)废气就可分解。

3） 作为催化剂载体：因为多孔SiC导热率高、化学稳定性好，所以可用作催化剂载体。

2.3陶瓷分离膜

陶瓷膜是以无机陶瓷材料经特殊工艺制成的非对称膜，呈管状及多通道状，管壁密布微孔。它主要是依据“筛分”理论，根据在一定的膜孔径范围内渗透的物质分子直径不同则渗透率不同，在压力作用下，原料液在膜管内或膜外侧流动，小分子物质(或液体)透过膜，大分子物质(或固体)被膜截留而达到分离、浓缩、纯化和环保的目的。

陶瓷分离膜技术与先前的分离技术相比具有小型化、节能、维护管理方便等特征。陶瓷膜的耐久性、抗化学腐蚀性、耐热性及强度比一般有机膜优异。陶瓷膜的材质主要有A12O3、ZrO2、TiO2和SiO2等，气孔率达40%～50%，抗弯强度＞35MPa。根据制备工艺不同，膜孔的孔径可以做到40nm~15μm，适用于不同的应用领域。

将一些单个分离膜用收集水的顶盖把膜的端部组合起来的整体称为分离膜组件。随无机膜制膜技术的快速发展，分离膜的适用范围从超纯水制造、药品、食品领域发展到各种排水处理领域。在水处理时，可以反冲洗及化学试剂强力洗净，所以过滤器的恢复性好，能够长期安全运转。

浸渍型陶瓷分离膜装置适用于水处理，也可以在反应槽内进行活性污泥处理。把活性污泥法与浸渍型膜处理组合工艺称为BIOREM；把凝聚法与浸渍型膜处理组合工艺称为FILCERA，其分离过程是：把陶瓷分离膜组件浸渍在反应槽内，从其下部鼓气，将搅拌气泡上升流提供给膜表面，然后除去在陶瓷膜外侧形成的粘结层(滤饼)等附着物。FILCERA工艺可用于净水处理，BIOREM工艺可用于下水处理、小规模下水及合并净水槽、农村积水排水处理以及有机系工业废水处理等方面。

3结语

本文介绍了堇青石蜂窝陶瓷、多孔碳化硅、陶瓷分离膜在环境保护中的作用，堇青石蜂窝陶瓷多用于汽车尾气处理，多孔碳化硅用于柴油清洁排放系统，陶瓷分离膜用于净化水系统，它们在环境保护中起了重要作用，是大有可为的。随着科学技术的不断发展，陶瓷材料在环境保护领域将取得更多更有价值的研究成果，陶瓷在环境保护中将发挥更大的作用。

参考文献

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