摘要：陶粒作為一種已經廣近應用的材料，已經成為濾料研究的熱門方向。本文介紹了水處理應用中的陶粒濾料的(de)研究(jiu)(jiu)現狀和(he)與陶粒(li)(li)有關(guan)的(de)理論(lun)資料，并(bing)對陶粒(li)(li)濾料的(de)開發研究(jiu)(jiu)目前存在的(de)問題(ti)進行了討論(lun)。

水(shui)是人類(lei)賴(lai)以生存的(de)基礎(chu)。由于現代工農(nong)業(ye)的(de)迅速發展(zhan)，對(dui)水(shui)資源不(bu)(bu)合理利用和過度開(kai)發，人類(lei)面(mian)臨水(shui)污染和水(shui)量(liang)短缺(que)的(de)嚴重(zhong)局面(mian)。資料(liao)表明全(quan)(quan)世界(jie)40%的(de)人口面(mian)臨缺(que)水(shui)；同時全(quan)(quan)球50%的(de)水(shui)資源遭(zao)到不(bu)(bu)同程度的(de)污染；全(quan)(quan)世界(jie)有(you)10億人喝不(bu)(bu)到潔凈(jing)水(shui)。陶粒作為(wei)濾料(liao)的(de)一種，不(bu)(bu)僅原材料(liao)低廉易(yi)得，而(er)且具有(you)輕質、多孔、截流效果(guo)好(hao)，易(yi)掛膜(mo)及(ji)與生物(wu)的(de)相(xiang)容性(xing)好(hao)等特點,，特別(bie)適(shi)合我國(guo)的(de)國(guo)情(qing)。

1 陶(tao)粒制備的(de)機理研究

陶(tao)粒是(shi)由粘土質礦(kuang)物(wu)，頁巖類礦(kuang)物(wu)和工業廢棄物(wu)等(deng)為(wei)主要(yao)原料，經(jing)加工成(cheng)粒或粉磨成(cheng)球，再燒脹(zhang)（燒結）而(er)成(cheng)的人造輕骨料。它是(shi)內部具(ju)有封閉(bi)式微孔(kong)結構的多孔(kong)陶(tao)質粒狀物(wu)。

1.1 制備(bei)陶粒的基本工藝

陶粒制(zhi)備工藝有(you)兩種，燒結(jie)（燒脹）和(he)化學養護法。前者(zhe)目前是廣泛應用的，后(hou)者(zhe)屬于研究和(he)技術完(wan)善階段。通過試驗研究表明，二者(zhe)各(ge)有(you)優缺點。

燒結（燒脹(zhang)(zhang)）工藝可以簡單的(de)總(zong)結為：原(yuan)料（+定(ding)量的(de)外加劑）→混(hun)磨→制(zhi)粒→燒結（燒脹(zhang)(zhang)）→成品(pin)。外加劑包括(kuo)：粘結劑，膨(peng)(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)劑和礦化(hua)劑等。主(zhu)要作用是在(zai)燒成溫度(du)(du)下能(neng)產(chan)生(sheng)(sheng)一定(ding)數量且(qie)具有一定(ding)粘度(du)(du)的(de)液相以及一定(ding)數量的(de)氣體，使料球(qiu)膨(peng)(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)，在(zai)膨(peng)(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)溫度(du)(du)范圍內產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)氣體其壓力稍大于膨(peng)(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)孔(kong)隙孔(kong)壁的(de)破壞(huai)強度(du)(du)就會產(chan)生(sheng)(sheng)微孔(kong)。優點是工藝簡單，技(ji)術(shu)成熟，材料獲得(de)容易；缺點是需要消耗大量能(neng)源，產(chan)生(sheng)(sheng)廢氣污染環境。

化(hua)(hua)學(xue)養護(hu)法是(shi)(shi)通過添加多種化(hua)(hua)學(xue)藥(yao)劑，在較低溫度下與原料(liao)混(hun)合，養護(hu)結成(cheng)料(liao)球。優點是(shi)(shi)節約能源設備(bei)投(tou)資小；缺點是(shi)(shi)化(hua)(hua)學(xue)藥(yao)劑成(cheng)本較高，不(bu)適合大規模產業化(hua)(hua)生產陶(tao)粒(li)。

1.2 陶(tao)粒的燒制原理

燒(shao)制陶粒的(de)物料要膨(peng)脹須具備兩(liang)個基本(ben)條件(jian)：一是(shi)料球(qiu)在膨(peng)脹溫(wen)度下能夠(gou)產生適(shi)當的(de)粘度和(he)表面張力；二是(shi)在該溫(wen)度下，料球(qiu)能產生足夠(gou)的(de)適(shi)宜(yi)的(de)氣(qi)體。

1.2.1 氣體(ti)產生的反應 

原(yuan)料在加熱過(guo)程(cheng)中產生氣體(ti)(ti)，物料又有一(yi)定(ding)的(de)粘(zhan)度使部分(fen)氣體(ti)(ti)未逸(yi)出從而形成多(duo)孔結構，又有部分(fen)氣體(ti)(ti)逸(yi)出從而使表面形成許多(duo)開孔。因此陶粒(li)原(yuan)料加熱產生氣體(ti)(ti)的(de)主要(yao)反(fan)應可(ke)以(yi)歸(gui)納為：

(1) 在400-800℃，快速升溫或(huo)缺氧(yang)條件下產生(sheng)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(wu)的分解和(he)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(zai)陶粒(li)燒(shao)制溫度范圍(wei)內(nei)，逸(yi)出的氣體主要(yao)是(shi)CO，說(shuo)明CO是(shi)主要(yao)膨(peng)脹氣體。合理控制陶粒(li)燒(shao)成過程中生成氣體的反(fan)應對形(xing)成大量開(kai)孔有重要(yao)意義。

1.2.2 陶粒化學成分的(de)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，發現在某溫度范圍內，當所用原料的化學成分處于某一范圍時，所得陶粒具有良好的燒脹性。因此，他提出了陶粒化學成分的Riley三角形，并具體確定了形成適宜粘度液相的原料化學成分范圍如圖1所示：SiO₂53%~79%，Al₂O₃10%~25%，熔(rong)劑之和(he)為13%~26%。

由Riley相圖得到，在(zai)范(fan)圍1內選擇適宜(yi)的(de)配(pei)比來控制(zhi)陶粒在(zai)燒制(zhi)時的(de)液相粘度(du)(du)從而使其達(da)到需要的(de)孔隙率；在(zai)范(fan)圍2內控制(zhi)陶粒強度(du)(du)以使氣體逸出形(xing)成粗糙多孔的(de)表面。

2 陶粒用做濾料具有的優勢

(1)質輕，松(song)散容重(zhong)小；比表面積(ji)大(da)，具有粗(cu)糙表面，能獲得(de)較(jiao)高(gao)的(de)生物量，具有較(jiao)高(gao)的(de)生物氧化能力(li)；孔隙率高(gao)；適宜于微生物的(de)附著，固定(ding)和生長(chang)，是(shi)較(jiao)理想(xiang)的(de)生物載體。

(2)不含有(you)害(hai)于人(ren)體健康和(he)妨礙工業生產的有(you)害(hai)雜(za)質，化學穩(wen)定性良好。

(3)陶粒水頭(tou)損(sun)失小，有(you)足夠的機(ji)械強度(du)；形狀系數好，吸附能力強，有(you)適(shi)宜的水力粗度(du)值。

(4)用陶粒組裝的濾池，具有(you)濾速(su)高，工(gong)作周期長，產水量大，產水水質好；反沖洗(xi)強度低，耗(hao)水量少的特點。

(5)價格低廉，生(sheng)產簡(jian)易。

3 陶粒(li)濾料研究中存在的(de)問題和改進(jin)

3.1 擴(kuo)展陶粒原(yuan)料的選擇范圍

陶粒(li)濾料(liao)需(xu)要添(tian)加骨(gu)架(jia)材料(liao)。傳統材料(liao)為(wei)頁巖類礦石(shi)和(he)粘(zhan)土類礦石(shi)，需(xu)要消耗大量資源獲得(de)。本著以(yi)廢(fei)治廢(fei)的原(yuan)則，可以(yi)選擇熱電(dian)廠產生(sheng)的廢(fei)棄物粉煤灰(hui)和(he)工業(ye)廢(fei)棄物作為(wei)骨(gu)架(jia)材料(liao)。可以(yi)起到減少(shao)(shao)需(xu)水量，提(ti)高耐久性，降低內部溫升，提(ti)高抗拉強度，抗硫酸(suan)鹽侵(qin)蝕；減少(shao)(shao)泌(mi)水和(he)控制(zhi)堿骨(gu)料(liao)反應等多方面(mian)的作用。一些實(shi)例(li)可以(yi)說明擴展陶粒(li)原(yuan)料(liao)的優勢。

用陶土摻加化工原料造孔，在1180℃左右燒出的較理想的輕質球形陶粒濾料，強度較高，比表面積大，為2×104~1.5×105m²/g。采用添加有機造孔(kong)劑的方法，以粉煤(mei)灰為主(zhu)要原料，粘土為粘接劑，經造球和(he)高(gao)溫燒結等工藝，成功地開發出輕質多孔(kong)球形生(sheng)物(wu)(wu)濾(lv)料。與傳統的生(sheng)物(wu)(wu)濾(lv)料相比具有視(shi)密度(du)小(xiao)，比表(biao)面積大和(he)表(biao)面粗糙易掛膜等優點。這對(dui)新型濾(lv)料開發和(he)廢棄資源利用無疑具有很大意義(yi)。

3.2 擴展陶粒(li)濾料的多功能應用

現有(you)常用(yong)的(de)(de)(de)濾(lv)(lv)料(liao)(liao)用(yong)于給水(shui)處理在(zai)(zai)功(gong)能(neng)(neng)上(shang)(shang)(shang)主要表(biao)現為(wei)截流(liu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)；在(zai)(zai)污水(shui)處理上(shang)(shang)(shang)主要作(zuo)(zuo)(zuo)為(wei)微生物的(de)(de)(de)載體，功(gong)能(neng)(neng)有(you)局(ju)限(xian)。為(wei)了在(zai)(zai)功(gong)能(neng)(neng)上(shang)(shang)(shang)有(you)所進(jin)展，例(li)如使陶粒(li)(li)濾(lv)(lv)料(liao)(liao)具(ju)有(you)對(dui)金屬離(li)子的(de)(de)(de)去(qu)除(chu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)和作(zuo)(zuo)(zuo)為(wei)吸附(fu)劑使用(yong)等功(gong)能(neng)(neng)，就須(xu)在(zai)(zai)原(yuan)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)選擇上(shang)(shang)(shang)有(you)所進(jin)步。在(zai)(zai)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)選擇上(shang)(shang)(shang)如果(guo)(guo)加入(ru)具(ju)有(you)離(li)子交換能(neng)(neng)力(li)的(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)使濾(lv)(lv)料(liao)(liao)對(dui)金屬離(li)子的(de)(de)(de)去(qu)除(chu)效(xiao)果(guo)(guo)顯著提高；加入(ru)具(ju)有(you)大比表(biao)面積和發(fa)達孔道(dao)的(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)使濾(lv)(lv)料(liao)(liao)對(dui)不(bu)同粒(li)(li)徑的(de)(de)(de)物質具(ju)有(you)吸附(fu)能(neng)(neng)力(li)，使其(qi)吸附(fu)性能(neng)(neng)大幅度(du)提高。其(qi)它諸(zhu)如可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)作(zuo)(zuo)(zuo)為(wei)催化劑載體和抗菌劑載體的(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，多(duo)可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)作(zuo)(zuo)(zuo)為(wei)陶粒(li)(li)濾(lv)(lv)料(liao)(liao)原(yuan)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)選擇范圍，以(yi)(yi)(yi)(yi)利于濾(lv)(lv)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)多(duo)功(gong)能(neng)(neng)化。

3.3 降低陶粒濾料的(de)容重(zhong)

傳統的(de)(de)礦(kuang)物質濾(lv)料(liao)(liao)容重較(jiao)大，造成反沖洗消(xiao)耗很高(gao)，尤(you)其(qi)在(zai)給水處(chu)理中(zhong)(zhong)，反沖洗消(xiao)耗的(de)(de)水量(liang)占(zhan)處(chu)理后產(chan)(chan)水量(liang)的(de)(de)相當部分。陶(tao)(tao)粒(li)(li)濾(lv)料(liao)(liao)在(zai)制備中(zhong)(zhong)如(ru)果只加入礦(kuang)物質原(yuan)料(liao)(liao)，容重依(yi)舊很高(gao)。因此可以添(tian)加粉(fen)(fen)煤灰(hui)以降(jiang)低(di)(di)陶(tao)(tao)粒(li)(li)容重，降(jiang)低(di)(di)反沖洗的(de)(de)負(fu)擔。粉(fen)(fen)煤灰(hui)屬人工火山灰(hui)質材料(liao)(liao)，顆粒(li)(li)很小，多呈球(qiu)形(xing)（通稱微珠），密(mi)度較(jiao)輕。作(zuo)為陶(tao)(tao)粒(li)(li)的(de)(de)原(yuan)料(liao)(liao)，它的(de)(de)顆粒(li)(li)形(xing)態效應可以產(chan)(chan)生減(jian)水勢(shi)能(neng)，微集料(liao)(liao)效應產(chan)(chan)生致密(mi)勢(shi)能(neng)，火山灰(hui)質效應產(chan)(chan)生活化勢(shi)能(neng)，從而(er)(er)起到減(jian)少需(xu)水量(liang)，提高(gao)耐久性，降(jiang)低(di)(di)內部溫(wen)升(sheng)，提高(gao)抗拉強度抗硫酸鹽侵蝕等多方面的(de)(de)作(zuo)用(yong)。因此，在(zai)陶(tao)(tao)粒(li)(li)中(zhong)(zhong)添(tian)加粉(fen)(fen)煤灰(hui)，不(bu)僅(jin)可以節省其(qi)他(ta)原(yuan)料(liao)(liao)（粘土等），而(er)(er)且(qie)可以降(jiang)低(di)(di)陶(tao)(tao)粒(li)(li)密(mi)度，改(gai)善(shan)和提高(gao)陶(tao)(tao)粒(li)(li)的(de)(de)性能(neng)，并且(qie)可以處(chu)理火電廠產(chan)(chan)生的(de)(de)粉(fen)(fen)煤灰(hui)，符合以廢治(zhi)廢的(de)(de)原(yuan)則。

3.4 陶粒的表面改性

改性(xing)的目(mu)的就是增(zeng)加陶(tao)粒表面吸(xi)附作用(yong)。當前(qian)改性(xing)方法主(zhu)要有表面蓋金屬(shu)氧化(hua)物，金屬(shu)氫氧化(hua)物和正離子集團，作用(yong)機理是表面靜電作用(yong)和微孔的吸(xi)附作用(yong)。

3.5 選擇性(xing)能優良的成孔(kong)材料

成(cheng)孔(kong)劑(ji)可以(yi)(yi)在陶(tao)(tao)粒(li)內(nei)部產生(sheng)大量的孔(kong)徑分(fen)布，以(yi)(yi)使陶(tao)(tao)粒(li)具有(you)生(sheng)物(wu)(wu)掛膜，吸附雜質(zhi)等的作(zuo)用(yong)。煤(mei)粉在500~600℃就(jiu)完全可以(yi)(yi)燃(ran)盡，作(zuo)為陶(tao)(tao)粒(li)濾(lv)料(liao)的成(cheng)孔(kong)劑(ji)效果是比較好的。但是，煤(mei)屬于(yu)不(bu)能(neng)再生(sheng)的自然資源(yuan)。為了更(geng)好的節(jie)約資源(yuan)消(xiao)耗，支持(chi)全國范圍(wei)內(nei)的節(jie)能(neng)減排工作(zuo)，應該(gai)(gai)尋找一(yi)種替代品，使其具有(you)和(he)煤(mei)粉同樣的作(zuo)用(yong)。因此，可以(yi)(yi)在工業(ye)廢棄(qi)物(wu)(wu)中選(xuan)擇(ze)合(he)適的物(wu)(wu)質(zhi)作(zuo)為成(cheng)孔(kong)材(cai)料(liao)。該(gai)(gai)材(cai)料(liao)須有(you)較高的燒(shao)失量以(yi)(yi)產生(sheng)足(zu)夠的孔(kong)徑，而且應該(gai)(gai)在燃(ran)燒(shao)后(hou)不(bu)含對水體產生(sheng)二次(ci)污染的物(wu)(wu)質(zhi)。這(zhe)種工業(ye)廢棄(qi)物(wu)(wu)作(zuo)為成(cheng)孔(kong)劑(ji)，不(bu)但可以(yi)(yi)滿足(zu)陶(tao)(tao)粒(li)作(zuo)為濾(lv)料(liao)的要求，而且符合(he)以(yi)(yi)廢治(zhi)廢的環保原(yuan)則(ze)。

4 未(wei)來陶粒濾料的研究熱點

目前對(dui)陶粒用作濾料(liao)方面的(de)研(yan)究較少（主要研(yan)究用于(yu)建筑材料(liao)方面）。為了能(neng)夠更好的(de)發揮其潛在優勢和克服其本身存(cun)在的(de)不(bu)足，生(sheng)物陶粒的(de)研(yan)究還要著(zhu)重解決以(yi)下問題；

(1) 研制大量利(li)用粉煤灰(hui)等(deng)工業(ye)廢料的陶粒濾料。

(2) 由于陶粒在燒制過程(cheng)中表(biao)面(mian)(mian)結釉(you)問題未(wei)得(de)到(dao)完全解決，應研究對其(qi)(qi)表(biao)面(mian)(mian)改性以增強其(qi)(qi)比表(biao)面(mian)(mian)積和吸附性。

(3) 研(yan)制超輕陶(tao)粒并加大其開(kai)孔數量(liang)。

(4) 生物膜在陶(tao)粒濾料上的生存特征及(ji)適應性研(yan)究。

(5) 陶粒濾(lv)料的再生(sheng)利用。

(6) 陶(tao)粒濾料在處理微污染水和(he)凈水處理中(zhong)的利用。