摘要：陶粒作為一種已經(jīng)廣近應(yīng)用的材料，已經(jīng)成為濾料研究的熱門方向。本文介紹了水處理應(yīng)用中的陶粒濾料的研究現(xiàn)狀和與陶粒有關(guān)的理論資料，并對(duì)陶粒濾料的開(kāi)發(fā)研究目前存在的問(wèn)題進(jìn)行了討論。

水是人類賴以生存的基礎(chǔ)。由于現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)水資源不合理利用和過(guò)度開(kāi)發(fā)，人類面臨水污染和水量短缺的嚴(yán)重局面。資料表明全世界40%的人口面臨缺水；同時(shí)全球50%的水資源遭到不同程度的污染；全世界有10億人喝不到潔凈水。陶粒作為濾料的一種，不僅原材料低廉易得，而且具有輕質(zhì)、多孔、截流效果好，易掛膜及與生物的相容性好等特點(diǎn),，特別適合我國(guó)的國(guó)情。

1 陶粒制備的機(jī)理研究

陶粒是由粘土質(zhì)礦物，頁(yè)巖類礦物和工業(yè)廢棄物等為主要原料，經(jīng)加工成�；蚍勰コ汕�，再燒脹（燒結(jié)）而成的人造輕骨料。它是內(nèi)部具有封閉式微孔結(jié)構(gòu)的多孔陶質(zhì)粒狀物。

1.1 制備陶粒的基本工藝

陶粒制備工藝有兩種，燒結(jié)（燒脹）和化學(xué)養(yǎng)護(hù)法。前者目前是廣泛應(yīng)用的，后者屬于研究和技術(shù)完善階段。通過(guò)試驗(yàn)研究表明，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

燒結(jié)（燒脹）工藝可以簡(jiǎn)單的總結(jié)為：原料（+定量的外加劑）→混磨→制粒→燒結(jié)（燒脹）→成品。外加劑包括：粘結(jié)劑，膨脹劑和礦化劑等。主要作用是在燒成溫度下能產(chǎn)生一定數(shù)量且具有一定粘度的液相以及一定數(shù)量的氣體，使料球膨脹，在膨脹溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生的氣體其壓力稍大于膨脹孔隙孔壁的破壞強(qiáng)度就會(huì)產(chǎn)生微孔。優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，材料獲得容易；缺點(diǎn)是需要消耗大量能源，產(chǎn)生廢氣污染環(huán)境。

化學(xué)養(yǎng)護(hù)法是通過(guò)添加多種化學(xué)藥劑，在較低溫度下與原料混合，養(yǎng)護(hù)結(jié)成料球。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約能源設(shè)備投資�。蝗秉c(diǎn)是化學(xué)藥劑成本較高，不適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)陶粒。

1.2 陶粒的燒制原理

燒制陶粒的物料要膨脹須具備兩個(gè)基本條件：一是料球在膨脹溫度下能夠產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼扯群捅砻鎻埩�；二是在該溫度下，料球能產(chǎn)生足夠的適宜的氣體。

1.2.1 氣體產(chǎn)生的反應(yīng) 

原料在加熱過(guò)程中產(chǎn)生氣體，物料又有一定的粘度使部分氣體未逸出從而形成多孔結(jié)構(gòu)，又有部分氣體逸出從而使表面形成許多開(kāi)孔。因此陶粒原料加熱產(chǎn)生氣體的主要反應(yīng)可以歸納為：

(1) 在400-800℃，快速升溫或缺氧條件下產(chǎn)生氣體：

C+O₂=CO₂↑

2C+O₂=2CO↑(缺氧條件下)

C+CO₂=2CO↑(缺氧條件下)

(2) 碳酸鹽分解：

CaCO₃=CaO+CO₂↑(850-900℃)

MgCO₃=MgO+CO₂↑(400-500℃)

(3) 硫化物的分解和氧化：

FeS₂=FeS+S↑(近900℃)

S+O₂=SO₂↑

4FeS₂+11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂↑(氧化氣氛1000±50℃)

2FeS+3O₂=2FeO+2SO₂↑

(4)氧化鐵的分解與還原(1000-1300℃)：

2Fe₂O₃+C=4FeO+CO₂↑

2Fe₂O₃+3C=4Fe+3CO₂↑

Fe₂O₃+C=2FeO+CO↑

Fe₂O₃+3C=2Fe+3CO↑

如方程式表明，在陶粒燒制溫度范圍內(nèi)，逸出的氣體主要是CO，說(shuō)明CO是主要膨脹氣體。合理控制陶粒燒成過(guò)程中生成氣體的反應(yīng)對(duì)形成大量開(kāi)孔有重要意義。

1.2.2 陶�；瘜W(xué)成分的研究

陶粒原料成分主要有SiO₂，Al₂O₃和熔劑。熔劑包括CaO、MgO、MnO、Fe₂O₃、FeO、TiO₂、K₂O等。Riley在研究粘土陶粒燒脹性時(shí)，發(fā)現(xiàn)在某溫度范圍內(nèi)，當(dāng)所用原料的化學(xué)成分處于某一范圍時(shí)，所得陶粒具有良好的燒脹性。因此，他提出了陶�；瘜W(xué)成分的Riley三角形，并具體確定了形成適宜粘度液相的原料化學(xué)成分范圍如圖1所示：SiO₂53%~79%，Al₂O₃10%~25%，熔劑之和為13%~26%。

由Riley相圖得到，在范圍1內(nèi)選擇適宜的配比來(lái)控制陶粒在燒制時(shí)的液相粘度從而使其達(dá)到需要的孔隙率；在范圍2內(nèi)控制陶粒強(qiáng)度以使氣體逸出形成粗糙多孔的表面。

2 陶粒用做濾料具有的優(yōu)勢(shì)

(1)質(zhì)輕，松散容重��；比表面積大，具有粗糙表面，能獲得較高的生物量，具有較高的生物氧化能力；孔隙率高；適宜于微生物的附著，固定和生長(zhǎng)，是較理想的生物載體。

(2)不含有害于人體健康和妨礙工業(yè)生產(chǎn)的有害雜質(zhì)，化學(xué)穩(wěn)定性良好。

(3)陶粒水頭損失小，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；形狀系數(shù)好，吸附能力強(qiáng)，有適宜的水力粗度值。

(4)用陶粒組裝的濾池，具有濾速高，工作周期長(zhǎng)，產(chǎn)水量大，產(chǎn)水水質(zhì)好；反沖洗強(qiáng)度低，耗水量少的特點(diǎn)。

(5)價(jià)格低廉，生產(chǎn)簡(jiǎn)易。

3 陶粒濾料研究中存在的問(wèn)題和改進(jìn)

3.1 擴(kuò)展陶粒原料的選擇范圍

陶粒濾料需要添加骨架材料。傳統(tǒng)材料為頁(yè)巖類礦石和粘土類礦石，需要消耗大量資源獲得。本著以廢治廢的原則，可以選擇熱電廠產(chǎn)生的廢棄物粉煤灰和工業(yè)廢棄物作為骨架材料�？梢云鸬綔p少需水量，提高耐久性，降低內(nèi)部溫升，提高抗拉強(qiáng)度，抗硫酸鹽侵蝕；減少泌水和控制堿骨料反應(yīng)等多方面的作用。一些實(shí)例可以說(shuō)明擴(kuò)展陶粒原料的優(yōu)勢(shì)。

用陶土摻加化工原料造孔，在1180℃左右燒出的較理想的輕質(zhì)球形陶粒濾料，強(qiáng)度較高，比表面積大，為2×104~1.5×105m²/g。采用添加有機(jī)造孔劑的方法，以粉煤灰為主要原料，粘土為粘接劑，經(jīng)造球和高溫?zé)�結(jié)等工藝，成功地開(kāi)發(fā)出輕質(zhì)多孔球形生物濾料。與傳統(tǒng)的生物濾料相比具有視密度小，比表面積大和表面粗糙易掛膜等優(yōu)點(diǎn)。這對(duì)新型濾料開(kāi)發(fā)和廢棄資源利用無(wú)疑具有很大意義。

3.2 擴(kuò)展陶粒濾料的多功能應(yīng)用

現(xiàn)有常用的濾料用于給水處理在功能上主要表現(xiàn)為截流作用；在污水處理上主要作為微生物的載體，功能有局限。為了在功能上有所進(jìn)展，例如使陶粒濾料具有對(duì)金屬離子的去除作用和作為吸附劑使用等功能，就須在原材料選擇上有所進(jìn)步。在材料選擇上如果加入具有離子交換能力的材料，可以使濾料對(duì)金屬離子的去除效果顯著提高；加入具有大比表面積和發(fā)達(dá)孔道的材料，可以使濾料對(duì)不同粒徑的物質(zhì)具有吸附能力，使其吸附性能大幅度提高。其它諸如可以作為催化劑載體和抗菌劑載體的材料，多可以作為陶粒濾料原材料的選擇范圍，以利于濾料的多功能化。

3.3 降低陶粒濾料的容重

傳統(tǒng)的礦物質(zhì)濾料容重較大，造成反沖洗消耗很高，尤其在給水處理中，反沖洗消耗的水量占處理后產(chǎn)水量的相當(dāng)部分。陶粒濾料在制備中如果只加入礦物質(zhì)原料，容重依舊很高。因此可以添加粉煤灰以降低陶粒容重，降低反沖洗的負(fù)擔(dān)。粉煤灰屬人工火山灰質(zhì)材料，顆粒很小，多呈球形（通稱微珠），密度較輕。作為陶粒的原料，它的顆粒形態(tài)效應(yīng)可以產(chǎn)生減水勢(shì)能，微集料效應(yīng)產(chǎn)生致密勢(shì)能，火山灰質(zhì)效應(yīng)產(chǎn)生活化勢(shì)能，從而起到減少需水量，提高耐久性，降低內(nèi)部溫升，提高抗拉強(qiáng)度抗硫酸鹽侵蝕等多方面的作用。因此，在陶粒中添加粉煤灰，不僅可以節(jié)省其他原料（粘土等），而且可以降低陶粒密度，改善和提高陶粒的性能，并且可以處理火電廠產(chǎn)生的粉煤灰，符合以廢治廢的原則。

3.4 陶粒的表面改性

改性的目的就是增加陶粒表面吸附作用。當(dāng)前改性方法主要有表面蓋金屬氧化物，金屬氫氧化物和正離子集團(tuán)，作用機(jī)理是表面靜電作用和微孔的吸附作用。

3.5 選擇性能優(yōu)良的成孔材料

成孔劑可以在陶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量的孔徑分布，以使陶粒具有生物掛膜，吸附雜質(zhì)等的作用。煤粉在500~600℃就完全可以燃盡，作為陶粒濾料的成孔劑效果是比較好的。但是，煤屬于不能再生的自然資源。為了更好的節(jié)約資源消耗，支持全國(guó)范圍內(nèi)的節(jié)能減排工作，應(yīng)該尋找一種替代品，使其具有和煤粉同樣的作用。因此，可以在工業(yè)廢棄物中選擇合適的物質(zhì)作為成孔材料。該材料須有較高的燒失量以產(chǎn)生足夠的孔徑，而且應(yīng)該在燃燒后不含對(duì)水體產(chǎn)生二次污染的物質(zhì)。這種工業(yè)廢棄物作為成孔劑，不但可以滿足陶粒作為濾料的要求，而且符合以廢治廢的環(huán)保原則。

4 未來(lái)陶粒濾料的研究熱點(diǎn)

目前對(duì)陶粒用作濾料方面的研究較少（主要研究用于建筑材料方面）。為了能夠更好的發(fā)揮其潛在優(yōu)勢(shì)和克服其本身存在的不足，生物陶粒的研究還要著重解決以下問(wèn)題；

(1) 研制大量利用粉煤灰等工業(yè)廢料的陶粒濾料。

(2) 由于陶粒在燒制過(guò)程中表面結(jié)釉問(wèn)題未得到完全解決，應(yīng)研究對(duì)其表面改性以增強(qiáng)其比表面積和吸附性。

(3) 研制超輕陶粒并加大其開(kāi)孔數(shù)量。

(4) 生物膜在陶粒濾料上的生存特征及適應(yīng)性研究。

(5) 陶粒濾料的再生利用。

(6) 陶粒濾料在處理微污染水和凈水處理中的利用。