综述：源自废物的陶瓷膜在可持续废水处理中的应用：从资源价值化到膜工程、性能优化以及未来发展趋势

《Desalination》：Waste-derived ceramic membranes for sustainable wastewater treatment: From resource valorization to membrane engineering, performance optimization, and future perspectives

　　• 固体废物（SW）可以替代陶瓷膜的传统原材料。
• 复杂的化学成分不仅影响烧结行为，还影响制备过程。
• 在制造过程中使用的烧结添加剂可以提高机械强度和渗透性。
• 膜的改性和功能化可以拓宽其应用范围。

引言
水污染是一个严重的环境问题，威胁着生态系统、人类健康和可持续发展[1]、[2]。与传统的水处理技术相比，膜分离技术因其高分离效率、相对较低的成本、环境相容性和连续操作性而被广泛认为是生产清洁淡水的有效方法[3]、[4]。鉴于这些优势，压力驱动膜技术在各种水处理领域做出了重要贡献，包括染料去除[5]、海水淡化[6]、油水分离[7]和重金属去除[8]。根据组成材料，压力驱动膜可以分为有机聚合物膜和无机膜。此外，根据分离特性，这些膜还可以被分类为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）膜。目前，由于成本低和商业可行性好，聚合物膜在实际应用中仍占主导地位。然而，由于聚合物膜的疏水性，它们容易发生污染，这缩短了其使用寿命并增加了运营成本[9]、[10]。相比之下，无机膜，尤其是陶瓷膜，因其出色的机械强度、耐高温性、化学稳定性和操作耐久性而受到越来越多的关注[11]、[12]。

传统的陶瓷膜由高纯度氧化物材料（如二氧化钛、氧化铝、二氧化硅和氧化锆）制成，通常具有由支撑层、中间层和分离层组成的不对称结构[13]、[14]。各种成熟的陶瓷膜[15]、[16]、[17]、[18]以及陶瓷膜生物反应器（CMBR）[19]在废水处理和高温气体分离应用中表现优异。然而，其高昂的成本仍然是实际应用的主要障碍。最近，Dong等人[20]指出，降低陶瓷膜的生产成本是当前研究的关键挑战。较高的成本主要是由于原材料、复杂的烧结工艺和高烧结温度[14]、[21]。减少与高温烧结相关的能耗以及用低成本替代品替换高成本工业原材料可能是降低成本的有效解决方案。例如，商用氧化铝和氧化锆基陶瓷膜的价格在每平方米500至3000美元之间[22]，而基于废物或矿物的陶瓷膜价格则在每平方米2至130美元之间[23]，仅为商用陶瓷膜成本的约0.2％至25％。这些成本优势源于使用廉价且丰富的原材料，以及潜在的简化工艺、降低能耗和避免废物管理成本。

固体废物通常被视为低价值废物，主要通过填埋或焚烧处理。全球固体废物的产生量已达到每年约20.1亿吨[24]，预计到2050年将增加到34亿吨[25]。然而，不适当的处理和处置固体废物可能导致有害物质释放，从而污染地下水、土壤和大气，对人类健康构成风险。相反，通过适当的技术和改进工艺，固体废物中含有大量有价值的成分[26]、[27]、[28]。在各种类型的工业固体废物中，粉煤灰因其富含铝硅酸盐成分而特别适用于陶瓷制造。粉煤灰主要来自燃煤电厂，包含玻璃相和多种晶体相，如莫来石、硅灰石、白云母、石英、方解石（MgO）、金红石（TiO2）、赤铁矿（α-Fe2O3）、 magnetite（γ-Fe2O3）、无水石膏（CaSO4）和胶岭石（Ca2Al(Al,Si)2O7）[29]、[30]、[31]、[32]。这些相的相对丰度和存在程度可能因煤源和燃烧条件而异。因此，粉煤灰被广泛用于制造陶瓷产品，如瓷砖[33]。粉煤灰与其他添加剂之间的烧结反应通常在约1100°C发生，低于氧化铝陶瓷膜的典型烧结温度（约1600°C）[34]、[35]。这种相对较低的烧结温度主要归因于粉煤灰中丰富的非晶态二氧化硅和助熔成分，这些成分有助于烧结过程中的莫来石形成和致密化[36]、[37]。类似地，各种工业废物、矿业废物和农业废物（包括煤矸石[38]、[39]、蛋壳[40]、喷砂残留物[41]、矿物尾矿[42]以及米糠衍生材料[43]、[44]、[45]也被用于制造具有理想机械性能和多孔结构的陶瓷产品、陶瓷微球和陶瓷过滤器。这些研究表明，用固体废物资源替代传统的昂贵陶瓷原材料是实现可持续陶瓷制造的可行性途径[46]。基于这些废物增值的研究进展，将固体废物作为陶瓷膜前体的应用越来越受到关注。除了降低成本和替代原材料外，这种方法还可以将废物从填埋和焚烧中转移出来，同时促进资源回收和循环经济发展，从而减轻相关的环境负担，包括土地占用、温室气体排放和废物管理压力。因此，由固体废物制成的陶瓷膜不仅是一种更具成本效益的替代品，也是更可持续的膜制造和废水处理方式。

近年来，关于废物衍生陶瓷膜的研究兴趣不断增加，这一趋势通过越来越多的出版物得到了进一步证明。如图1a所示，在2006年至2026年期间，使用关键词“solid waste ceramic membrane”从Web of Science Core Collection中检索到341篇相关出版物，未应用额外的搜索或筛选标准。每年的出版物数量呈现出明显的上升趋势，反映了人们对可持续膜材料、固体废物资源利用和成本效益陶瓷膜制造策略的日益需求。此外，许多废物衍生前体含有反应性矿物相和助熔成分，能够在相对于传统陶瓷材料更低的或可比较的烧结温度下形成多孔陶瓷结构（图1c）[35]、[47]、[48]。

与由高纯度原材料（如Al?O?、高岭土和粘土）制成的传统陶瓷膜相比，废物衍生陶瓷膜在降低原材料成本和提高可持续性方面具有潜在优势。如图1b所示，包括粉煤灰、铁矿泥和LD矿渣在内的废物衍生前体的原材料成本通常低于传统陶瓷粉末。此外，烧结温度是影响陶瓷膜制造能耗的重要因素。由于许多固体废物中含有助熔成分（如含钙和碱的相），因此废物衍生陶瓷膜往往可以在比传统陶瓷膜更低的烧结温度下制造（图1b）。尽管具有这些优势，但与传统陶瓷膜相比，废物衍生陶瓷膜的研究仍处于早期阶段，主要是针对废水处理应用在实验室规模上进行的研究（图1d）。尽管有一些研究探索了工业废物和天然矿物在陶瓷膜制造中的应用[22]、[23]、[49]，但关于废物衍生陶瓷膜多样性的综合评论仍然有限。因此，本综述旨在系统地总结和比较废物衍生陶瓷膜的原材料、制造策略、烧结添加剂、关键膜性能和实际应用。首先讨论不同类型固体废物的化学组成和特性，然后详细阐述烧结添加剂和各种制造方法的作用，接着根据其关键性能特征回顾这些膜的实际应用，最后提出废物衍生陶瓷膜的发展和实际应用的未来前景和研究方向。

**固体废物的类别和组成**
陶瓷膜已由各种低成本原材料制成，其形成机制和结构特性已有充分记录（图2a）。这些膜可以制成不同的几何形状，包括平板（图2b）、管状（图2c）和中空纤维（图2d）配置。中空纤维陶瓷膜也可以使用含有重金属的废水污泥制备，包括含镍、铜和锌的污泥。

**固体废物陶瓷膜的制备**
固体废物通常作为陶瓷膜制造的主要前体或部分原材料。用于陶瓷膜制备的不同固体废物的比例总结在表3中。增加固体废物的比例可以通过替代昂贵的传统陶瓷原材料有效降低制造成本。此外，某些固体废物中含有的挥发性成分或有机物在烧结过程中可作为成孔剂。

**机械强度**
陶瓷膜相比聚合物膜具有较高的机械强度和优异的化学耐受性。通常，陶瓷膜的机械强度应超过30 MPa，以确保其适合连续操作。与传统氧化物基陶瓷膜相比，工业废物衍生陶瓷膜表现出相似的机械强度，同时具有更低的原材料成本和烧结温度[124]、[158]。

**废水处理**
来自多种固体废物的陶瓷膜在废水处理中的应用日益受到关注。本节回顾了这些膜的代表性应用和新兴应用，特别强调了它们的分离性能和实际潜力。

**结论与展望**
固体废物的丰富可用性、低成本和富含矿物质的成分使其成为制造陶瓷膜的吸引人的替代材料。例如，全球燃煤电厂产生的粉煤灰每年约为5.8亿吨，而其在中国的大概成本仅为1.5美元/平方米，而氧化铝的成本约为3.6美元/平方米。废物衍生陶瓷膜在水处理方面表现出了良好的性能。

**作者贡献声明**
Xin Xiao：撰写——原始稿件；Zhenzhou Zhu：研究、数据整理；Shushan Yuan：撰写——审阅与编辑、资金获取；Bart Van der Bruggen：撰写——审阅与编辑、资源提供。

**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财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢中国教育部国家留学基金委员会（CSC编号202106570006）的支持。

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