1.1 引言

膜分离技术^[1]是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离采用错流过滤或死端过滤方式。膜^[2]广泛应用于制药、医疗、食品和化工等需要对产品进行分离、提纯或浓缩的过程中。膜技术作为一种分离工艺，具有操作简单、工艺效率高、收率高、生产成本相对较低、能耗低、用途广泛等优点。分离膜的材料主要分为有机膜和无机膜，其中无机膜中最常见的就是陶瓷膜。

1.2 陶瓷膜

陶瓷膜^[3]又称无机陶瓷膜，是以无机陶瓷材料经特殊工艺制备而形成的非对称膜。陶瓷膜分为管式陶瓷膜和平板陶瓷膜两种。管式陶瓷膜管壁密布微孔，在压力作用下，原料液在膜管内或膜外侧流动，小分子物质（或液体）透过膜，大分子物质（或固体）被膜截留，从而达到分离、浓缩、纯化和环保等目的。平板陶瓷膜板面密布微孔，根据在一定的膜孔径范围内，渗透的物质分子直径不同则渗透率不同，以膜两侧的压力差为驱动力，膜为过滤介质，在一定压力作用下，当料液流过膜表面时，只允许水、无机盐、小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物、胶和微生物等大分子物质通过。陶瓷膜具有分离效率高、耐酸碱、化学稳定性好、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、使用寿命长等众多优势，已经成功应用于食品、饮料、植（药）物深加工、生物医药、发酵、精细化工等众多领域，可用于工艺过程中的分离、澄清、纯化、浓缩、除菌、除盐等。陶瓷膜的不足之处在于造价较高、无机材料脆性大、弹性小、给膜的成型加工及组件装备带来一定的困难等。

1.3 膜污染

陶瓷膜给人类社会带来如此的便利，长期的使用对膜的污染是不可避免的。膜污染^[4]是指在膜滤过程中，由于原水中的微粒物、胶体粒子或溶质分子，与膜之间存在物理化学作用或机械作用，而在膜表面及膜孔内部的吸附或沉积，致使出现膜孔堵塞或变小，膜过滤阻力增大，膜通量不可逆下降等膜水力性能降低的现象。膜污染^[5]是膜运行过程中普遍存在的问题，膜污染会影响膜的选择性，缩短膜的寿命，增加膜的应用成本，因此，抗污染性是衡量膜性能的一个重要指标。

1.4 乳化油

乳化油^[6-7]主要是原油脱水处理过程中排放的--种含油混合物。乳状液的形成需要乳化剂(表面活性剂)的存在，起到稳定油滴的作用。表面活性剂稳定乳化油的作用主要表现在两个方面:一方面表面活性剂分子聚集在油水两相间界面，其极性分子端伸入水中，而非极性端伸入油中，将油粒表面包裹起来，阻止和减缓了油滴絮凝和聚结作用，降低了油水两相之间的界面张力，界面膜的形成是表面活性剂稳定乳化油的主要原因之一。另一方面当油滴表面吸附了离子型表面活性剂或某些离子时，容易产生带电现象，使得油滴表面形成类似Stern模型的扩散双电层。由于双电层的相互排斥作用，阻止了油滴的碰撞，避免了油滴聚结。

乳化油中由于含有表面活性剂使得液体中的原油乳化，进而使得油的稳定性增强，吸附性也增强，所以用一般的物理、化学方法处理起来比较困难。油乳化后使得乳化液的有机物的种类以及含量都有所增加。目前，在废水处理中所使用的隔油、离心、破乳、浮选以及电解等方法对于乳化油废水的处理具有--定的限制，不能将乳化油废水满足净化要求的进行处理，但是将以上的方法联合起来使用,对于改善乳化油废水的处理有明显的效果,所以仍需要继续对乳化油废水处理的技术进行研究。

目前，陶瓷膜技术处理乳化油废水仍处于实验阶段，当前陶瓷膜技术的大规模推广应用尚存在以下三个主要问题: （1）处理乳化油时，陶瓷膜易发生堵塞和污染，通量衰减较快、处理能力降低，导致清洗频繁，膜寿命缩短; （2）陶瓷膜处理乳化油过程中的膜污染机理研究欠缺，缺乏有效的膜清洗方法; （3）陶瓷膜超滤工艺的总体经济成本需要进--步降低和创新。

1.5 超声技术在膜抗污染性能中的应用

目前，分离膜常见的抗污染方法有物理清洗、化学清洗、膜改性。超声技术是一种高效、经济可行的可替代传统方法的方式。高频率超声波^[8-9]在介质中的传播以及由此产生的空化气泡，导致了微流、微射流、微流注和声流等多种现象，在液体中产生了高湍流，使得污物从膜中去除。靠近膜表面的介质的原位超声对膜的清洗是有效的。相比于其他方法，超声清洗具有清洗效率高、效果好、可以清洗一般方式无法清洗的死角缝隙等优点。

1.6 PZT压电陶瓷

超声清洗^[10-12]是膜抗污染的有效方法，产生超声的关键设备是超声换热器，超声换热器可以将电能转化为机械能，实现这一功能的关键是压电陶瓷材料。本课题利用压电陶瓷的压电效应制备可以产生原位超声作用的压电陶瓷膜。压电陶瓷^[13]是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。其具有较高的居里温度、可靠的压电性、优良的介电性等优点。压电陶瓷可以将机械能转换成电能，制造出压电变压器、压电点火器等；压电陶瓷又可以将电能转为超声振动，制造出超声清洗、超声切割器、超声破仪器等。压电陶瓷具有高灵敏性，当期受到机械骚扰，陶瓷两端会得到电信号，所以还可用于声呐系统、气象探测、压电地震仪等。

1.7 压电陶瓷的极化

要使压电陶瓷^[4]具有压电效应，需要对压电陶瓷进行极化，极化的原理是在压电陶瓷两端施加高压直流电，在高压直流电场作用下，陶瓷内部原本随机排列的电畴会沿电场方向有序排列，并在电场撤销后仍然保持有序排列状态，呈宏观极性，极化后的压电陶瓷才具有压电效应。

极化后的压电陶瓷，在两端施加交流电场后陶瓷会不断的被拉升、压缩，即产生机械振动，通过调节交流电的频率和电压可以控制陶瓷的振动频率与振幅。同样，当陶瓷受到力的作用时也会在陶瓷两端面上产生电流。压电陶瓷因为这一特性已在能量转换、传感、驱动等方面得到了广泛的应用。

当前的对压电陶瓷极化方法^[14-15]有以下几种：