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，并對陶粒濾料的開發(fā)研究目前存在的問題進行了討論。
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，對水資源不合理利用和過度開發(fā)，人類面臨水污染和水量短缺的嚴重局面。資料表明全世界40%的人口面臨缺水；同時全球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,，特別適合我國的國情。
1 陶粒制備的機理研究
陶粒是由粘土質(zhì)礦物，頁巖類礦物和工業(yè)廢棄物等為主要原料，經(jīng)加工成粒或粉磨成球，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。通過試驗研究表明，二者各有優(yōu)缺點。
燒結(jié)（燒脹）工藝可以簡單的總結(jié)為：原料（+定量的外加劑）→混磨→制�！鸁Y(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度就會產(chǎn)生微孔。優(yōu)點是工藝簡單，技術(shù)成熟，材料獲得容易；缺點是需要消耗大量能源，產(chǎn)生廢氣污染環(huán)境。
化學(xué)養(yǎng)護法是通過添加多種化學(xué)藥劑，在較低溫度下與原料混合，養(yǎng)護結(jié)成料球。優(yōu)點是節(jié)約能源設(shè)備投資小；缺點是化學(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基本條件：一是料球在膨脹溫度下能夠產(chǎn)生適當?shù)恼扯群捅砻鎻埩Γ欢窃谠摐囟认�，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，說明CO是主要膨脹氣體。合理控制陶粒燒成過程中生成氣體的反應(yīng)對形成大量開孔有重要意義。
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，發(fā)現(xiàn)在某溫度范圍內(nèi)，當所用原料的化學(xué)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(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)選擇適宜的配比來控制陶粒在燒制時的液相粘度從而使其達到需要的孔隙率；在范圍2內(nèi)控制陶粒強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
(1)質(zhì)輕，松散容重小；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，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，有足夠的機械強度；形狀系數(shù)好，吸附能力強，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，產(chǎn)水量大，產(chǎn)水水質(zhì)好；反沖洗強度低，耗水量少的特點。
(5)價格低廉，生產(chǎn)簡易。
3 陶粒濾料研究中存在的問題和改進
3.1 擴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。可以起到減少需水量，提高耐久性，降低內(nèi)部溫升，提高抗拉強度，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。一些實例可以說明擴展陶粒原料的優(yōu)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(zhì)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)Y(jié)等工藝，成功地開發(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。這對新型濾料開發(fā)和廢棄資源利用無疑具有很大意義。
3.2 擴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展，例如使陶粒濾料具有對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)達孔道的材料，可以使濾料對不同粒徑的物質(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)生減水勢能，微集料效應(yīng)產(chǎn)生致密勢能，火山灰質(zhì)效應(yīng)產(chǎn)生活化勢能，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，作用機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 未來陶粒濾料的研究熱點
目前對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) 由于陶粒在燒制過程中表面結(jié)釉問題未得到完全解決，應(yīng)研究對其表面改性以增強其比表面積和吸附性。
(3) 研制超輕陶粒并加大其開孔數(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。
