浅谈净水多孔陶瓷膜的现状及发展方向

发表时间:2017-05-11 13:14:08

     近期发生的水污染事件,例如兰州的自来水苯污染事件,让消费者望水生畏,同时也让净水产品越来越受到广大消费者的关注。

 据相关数据显示,我国有1.1亿居民与重点排污企业做邻居2.8亿居民尚缺乏安全用水保障。然而我国城市家庭中净水器的拥有率尚不足5%,反观自来水质量上乘的欧美国家的净水器保有量则为70%,相比差距悬殊。由此可以看到,我国净水行业发展潜力巨大,市场规模预计将达3000亿元,有媒体称这是21世纪家电行业的最后一块蛋糕。

 在净水产品中,主流净化过滤技术主要涵括:反渗透及纳滤、超滤、陶瓷等。陶瓷膜作为起源较早的过滤膜材料已在净水领域广泛应用,笔者借此机会对净水多孔陶瓷膜的特点与发展方向进行探索。

 

1:净水多孔陶瓷膜的发展历史与现状

 国际上,多孔陶瓷材料研究始20世纪40年代已有近80年历史,陶瓷膜产品研制、开发、应用也有近30年历史,其产品的产业化、商业化程度达到较高的水平。二十世纪50年代法国、美国等便先后开发各种SiC、莫来石、ZrO2、陶瓷纤维等气、液过滤、微生物处理用微孔陶瓷过滤元件;70年代日本等国家在高温气体净化、烟气除尘方面应用多孔陶瓷过滤材料研究方面取得了较大进展。目前国外已有专业的多孔陶瓷材料及陶瓷膜材料生产厂家300余家,如日本NGKTDK、法国的CERVER、美国的Corning、乌克兰的Fairey工业陶瓷公司、芬兰奥托昆明克公司等。相比之下,我国在国家自然科学基金的支持下于上世纪80年代开始陶瓷膜的研究。近年来,在国家科技攻关政策的扶持下,尤其是在在国家环保、节能政策的引导下,国内多孔陶瓷材料及膜材料技术有了较快的发展,产业化及市场化规模在逐渐扩大,据测算,2012年全年,我国的无机陶瓷膜及成套装备的市场总量约为5~6亿元人民币规模。然而相较于其他过滤技术而已,多孔陶瓷材料由于受产品制造水平及应用技术的限制,目前在国内过滤分离领域的所占的市场份额较小,产品的产业化水平依然较低。

 在净水领域,采用硅藻土质陶瓷滤芯进行家庭生活饮用水净化,目前已在中国、韩国、美国、英国、日本和台湾等地得到大量开发和应用。在我国,以道尔顿为代表的洋品牌及杜康、思水宝等为代表的本土品牌从90年代起便开始市场化陶瓷净水过滤技术,有力的推动了行业科技的发展。

 

2:多孔陶瓷膜的技术特点

 净水用多孔陶瓷膜通常采用天然硅藻土(diatomite)烧制而成,硅藻土是一种生物成因的天然硅质沉积岩,它主要由古代硅藻的遗骸所组成。其化学成分以SiO2为主,可用SiO2·nH2O表示,矿物成分为蛋白石及其变种我国硅藻土储量3.2亿吨,主要集中在吉林、浙江、云南、山东、四川等省份,优质硅藻土又集中于吉林长白、云南两地区。硅藻土陶瓷膜的特点是其含有千千万万的微细小孔,是净水过滤材料的优良选择,相较于PP棉及超滤膜等,其具有以下优缺点:

图一:中空陶瓷膜示意图

 

优点

Ø  无机材料,相对有机材料长菌发霉的速率较低

Ø  可重复清洗,长期使用

Ø  中空结构,可在滤芯内部进行各种填料的添加,进行多种组合

Ø  耐腐蚀性

Ø  易势别破碎及是否堵塞,可提醒是否及时更换

缺点

Ø  易碎,消费者若在使用或者清洗过程中不注意便有摔碎的风险

Ø  单位体积的流速较低

Ø  对微生物的过滤效率没有超滤的材料好,由于陶瓷烧制技术的限制,陶瓷膜的过滤孔径通常只能做到0.2--0.5微米,我们知道水中细菌的直径通常在0.1-5微米之间,我们的实验显示,普通陶瓷膜对杂菌的过滤效率往往只能达到80%--99%(依照各个厂家的烧结技术不同会有差异)。

Ø  与端盖粘接的挑战比较高,使用普通的胶水在高温、低温条件下容易造成端盖的脱落;

Ø  经过一段时间使用后,膜表面容易长青苔、发绿,一方面不利于消费者的感官,另一方面生长出的藻类物可能会释放出藻毒素,造成二次污染,危害消费者的健康。

 

3:多孔陶瓷膜应用方式

鉴于上述多孔陶瓷膜的技术优缺点,当前多孔陶瓷膜的主要有以下两种应用形态:

a) 代替PP棉做为首支滤芯置于多级过滤结构的净水产品中,比较典型的代表为完美“金伟连”净水器。在该种使用方法中,陶瓷滤芯的外壳通常采用透明材料,便于消费者观察自来水水质状况(对产品的销售具有促进作用),以及滤芯堵塞情况,利于对滤芯的及时清洗。该类使用方法以台湾、马来西亚厂商为主流代表。

b) 与活性炭等材料制成复合滤芯用于简易式净水器中,例如道尔顿净水器。该种使用方法的优势不言而喻,整机的整体售价较低、清洗方便、安装方便,比较适合普通家庭市场的推广。

 

4:多孔陶瓷膜技术的发展方向

    针对上述多孔陶瓷膜的一系列缺点,我们认为多孔陶瓷膜技术发展方向应该会集中在以下几个方面:

v  制备超薄、超细陶瓷膜(如片状、管装),以此提高单位体积中陶瓷膜的净水量。我们注意到新加坡Ceraflo公司于2013年底推出了一种片状超薄陶瓷膜,做成了净水组件,大大提高单位体积的净水效率。我们银嘉公司也开发了一种超细管状陶瓷滤芯,可用于野外净水壶、净水吸管等产品中。

v  对陶瓷材料采用复合或者嫁接技术制备抗菌型陶瓷膜,一方面提高陶瓷膜对致病微生物的过滤效率,另一方面防止微生物滋生、长藻发霉的情况发生,提高产品质量。银嘉公司经过多年的开发,发展了一种专利纳米银复合抗菌陶瓷膜(银嘉陶瓷),融合陶瓷膜的物理过滤作用及纳米银的杀菌功效,银嘉陶瓷对水体致病微生物的去除效果得以大大提高,可超过99.999%。利用纳米银材料的抑菌功能,如图二所示,银嘉陶瓷展现了良好的抗菌效果,有效的阻止了膜表面长藻发霉的情况发生。同时,纳米银材料是通过化学方法与陶瓷基质材料结合,经过试验论证,未有发现在净化过程中银材料脱落的情况发生,保障了产品的安全性。银嘉陶瓷已获得了广东省高新技术产品认定,是一种国际领先的新技术,代表了陶瓷膜材料发展的方向。

 

    图二:a)将普通陶瓷膜(左)及银嘉陶瓷(右)一起置入一碗河水中约30天,可以清楚的显示微生物在普通陶瓷膜的表面快速生长而银嘉陶瓷并没发现微生物的生长情况;b)普通陶瓷膜的电镜图及c)银嘉陶瓷电镜图,其可显示纳米银颗粒在银嘉陶瓷的多孔膜上生长。

 

v  解决当前所面临的应用技术问题,例如端盖在高低温下容易脱落的问题。端盖容易脱落的问题主要是当前未有合适的胶水可兼容塑料端盖与陶瓷滤芯,为此,银嘉公司组织人力物力财力开发了一款高性能胶水,有效的解决该问题。经银嘉胶水粘接的陶瓷滤芯经测试可耐90度高温与零下40度低温。

v  调整技术指标,拓展陶瓷膜的应用范围。我们注意到,净水产品的出水菌落超标的问题依然十分严重,究其原因,很大程度上是归结于后置活性炭长菌、出水细菌超标。我们认为可将陶瓷膜,特别是银嘉抗菌陶瓷膜置于后端、调节孔径、保持出水流速,由此即可阻断空气中微生物反向对活性炭的污染,有可拦截超标的微生物,保障出水安全。


 

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