综述：关于使用陶瓷膜分离技术处理乳化含油废水的综述：分离机理、防污措施及表面改性策略

《Chemical Engineering Journal》：A critical review on the treatment of emulsified oily wastewater using ceramic membrane separation: Mechanism, anti-fouling, and surface modification strategy

　　

Jiale Cui|Chunhui Zhang|Jiankun Chen|Yang Yin|Lindong Zhou|Peidong Su

中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京，100083，中国

摘要

乳化油废水的处理仍然是一个全球性的挑战，而陶瓷膜技术由于其优异的化学、热和机械稳定性，已成为一种有前景的解决方案。然而，由于油吸附和孔堵塞导致的膜污染严重限制了分离效率和操作的可持续性。这篇重要的综述全面分析了基于陶瓷膜油水分离的最新进展，重点讨论了分离机制、抗污染性能和表面改性策略。本文深入探讨了控制油水分离的机制，包括尺寸排阻、润湿性驱动的破乳作用以及膜表面能的作用。此外，还讨论了抗污染机制，特别是亲水性和水下疏油性表面的设计，以减少不可逆的膜污染。最后，系统评估了表面改性策略，如功能聚合物的接枝、纳米粒子涂层和无机表面工程，强调了它们的有效性和局限性。该综述还指出了当前的挑战，包括渗透性和选择性之间的权衡、改性表面的长期稳定性以及改性方法的可扩展性。提出了未来的研究方向，以促进下一代具有增强抗污染性能和实际应用能力的陶瓷膜的发展。

引言

乳化油废水在石油化工、机械加工、食品加工等行业中广泛存在[1]，并与城市生活污水一起排放到环境中，对水环境和人类健康构成严重威胁[2]，因此其高效处理对工业的可持续发展和生态环境保护具有重要意义。油滴的粒径通常小于20微米，并且由于表面活性剂的存在而非常稳定，这使得使用传统的物理化学方法（如混凝、重力沉降、空气浮选和聚合物膜分离）难以有效去除它们[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。此外，这些传统技术在处理乳化油废水时存在问题，如处理时间长、化学消耗高、分离效率低以及膜污染严重[8]，尤其是聚合物膜容易受到有机溶剂侵蚀且机械强度不足，这限制了它们的长期稳定运行。

与传统处理方法相比，陶瓷膜在处理乳化油废水方面显示出显著的优势[2]、[9]。陶瓷膜具有优异的化学稳定性，能抵抗高温、强酸、强碱和有机溶剂，并且具有抗污染能力，从而延长了使用寿命[10]。此外，陶瓷膜在运行过程中不需要添加化学物质[11]，避免了二次污泥的产生，并保持了低运行成本。与普通有机膜相比，陶瓷膜更耐污染，可以有效减少膜污染并保持稳定的通量[12]。尽管初始成本较高，但陶瓷膜在生命周期成本方面优于传统有机膜，使其成为处理乳化油废水的理想选择。为了提高过滤效率和机械强度，已经应用了表面改性技术，开发出了具有选择性和自清洁性能的新陶瓷膜，从而减少了污染并延长了使用寿命[13]、[14]。根据乳化油的类型，可以选择不同类型的改性陶瓷膜。具体来说，具有超疏水/超亲油润湿性的陶瓷膜能有效处理水包油（W/O）乳液，而具有超亲水/超疏油润湿性的陶瓷膜则适用于处理油包水（O/W）乳液[15]、[16]。

章节摘录

陶瓷膜的结构和性能

根据微观结构，陶瓷膜可以分为对称陶瓷膜和非对称陶瓷膜。对称膜的膜孔径通常有两种形式：圆锥形和柱形孔径。然而，由于对称膜的孔隙率低且强度差，它们通常用于实验中的基础研究。非陶瓷膜由多孔支撑层、过渡层和分离层组成

乳化油分离中的污垢类型

在乳化油从陶瓷膜中分离的过程中，膜表面会受到多种污染类型的影响。乳化油中的油滴和悬浮固体（如沉积物和金属碎片）会在膜表面积累或堵塞膜孔，形成滤饼层，增加过滤阻力并降低膜通量[12]、[17]、[35]、[36]。同时，乳化油中的有机成分（如表面活性剂、油类、有机酸）

亲水改性的陶瓷膜

陶瓷膜的不可逆油污染是一个亟待解决的问题，亲水改性为膜表面提供了亲水性和水下超疏油性[62]、[63]、[64]。在分离O/W乳液时，超亲水基团可以捕获许多水分子并在膜表面形成水化层。水化层防止油滴附着在膜表面[33]、[57]、[65]、[66]。

挑战与前景

尽管在乳化油废水处理的陶瓷膜技术方面取得了显著进展，但在实现广泛工业应用之前，仍需解决几个关键挑战。这些挑战涉及材料成本、膜污染机制、机械可靠性、改性耐久性和系统集成等方面。因此，未来的研究方向应集中在低成本材料开发、智能抗污染策略和强大的

结论

总之，这篇综述系统总结了乳化油废水陶瓷膜分离的最新进展，重点讨论了分离机制、膜污染行为和表面改性策略。陶瓷膜表现出优异的化学、热和机械稳定性，使其在恶劣条件下比聚合物膜更适合长期运行。乳化油的分离受到多种协同机制的调控

CRediT作者贡献声明

Jiale Cui：撰写——原始草稿、可视化、研究、概念化。Chunhui Zhang：撰写——审稿与编辑、资金获取。Jiankun Chen：可视化、研究。Yang Yin：可视化、研究。Lindong Zhou：可视化、研究。Peidong Su：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52170096、52300184）的支持。