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納濾膜技術處理高鹽化工廢水研究進展

發布時間:2019-8-15 8:27:27  中國污水處理工程網

  高鹽化工廢水通常具有較高的機污染物濃度和懸浮固體濃度,不僅處理成本高、處理難度大,且存在潛在的環境風險。相比其它傳統的水處理技術,納濾膜技術不僅對高鹽化工廢水的處理效果好,同時可以對污水中的有用物質進行資源回收,因此其在高鹽化工廢水處理的應用中具有獨特的優勢。本文綜述了納濾膜分離技術在印染、制藥、農藥等化工領域高鹽廢水處理中的研究現狀,旨在進一步推動納濾膜技術在高鹽化工廢水處理領域中的應用。

  印染、農藥、醫藥生產過程中會產生大量的含鹽量高于1%(質量分數)的高鹽廢水,這些廢水通常含有多種污染物質(有機物、鹽、油、重金屬和放射性物質等)。隨著工業化生產水平不斷提高,水資源也變得越來越寶貴,高鹽化工廢水產生的水資源污染現象日趨嚴重,同時也會給環境造成很大的壓力和破壞。

  高鹽化工廢水若不進行必要的處理,將會對后續廢水生化處理工藝造成很多不利影響,嚴重時甚至會使得整個生化系統的癱瘓,所以高鹽化工廢水的治理迫在眉睫。高鹽化工廢水常見的處理方法有石灰中和法、生物法和蒸發濃縮法。

  然而這些方法不僅無法將高鹽廢水處理達標排放,而且也存在能耗高且副產品銷售困難的問題。如蒸發濃縮法中,企業廢鹽多與蒸發形成有機物殘液一起作為固廢處理,處理成本高且資源循環利用率低。

  與其他處理技術相比,膜技術具有高效節能、無相變、設備緊湊、易與其他技術集成等優點,近年來在水處理和回用方面取得了廣泛的應用。目前主要的膜分離工藝包括反滲透、納濾、超濾和微濾。納濾膜技術作為一種介于反滲透和超濾之間的膜過濾技術,可以有效的截留水中的有機污染物和高價鹽。

  同時由于對水相中的單價鹽截留率相對較低,納濾膜技術可以較好的分離單價和多價離子,所以納濾膜技術在高鹽化工廢水的處理和對廢水中有用物質回收利用等方面具有其獨特的優勢,值得進一步應用和推廣。

  本文從納濾膜技術的機理、影響因素,再到納濾膜技術在印染、農藥、醫藥等化工工業領域高鹽廢水中的研究進展,探討其在高鹽廢水處理及資源回收利用等方面的應用價值,旨在進一步推動納濾膜技術處理化工高鹽廢水處理中的應用。

  1納濾分離機理

  納濾膜的傳質機理與超濾膜和反滲透膜不完全相同,其孔徑介于兩者之間,而且大部分納濾膜帶有電荷,所以傳質機理更為復雜。

  1.1荷正(負)電納濾膜

  荷正(負)電納濾膜對電中性分子的截留主要是通過膜微孔的篩分作用。其傳質模型包括擴散-細孔流模型、溶解-擴散模型、空間位阻-孔道模型和摩擦模型等。分子特性、濃度、操作壓力和被截留分子的粒徑都會影響截留率。

  荷正(負)電納濾膜對帶電有機物和無機離子的分離受到化學勢、電勢梯度和被分離物質粒徑影響等多方面因素的影響,傳質過程受Donnan效應影響。傳質模型有雜化模型、靜電位阻模型、空間電荷模型、固定電荷模型和Donnan平衡模型。

  1.2荷電鑲嵌納濾膜

  荷電鑲嵌納濾膜是指同時帶有陰、陽離子交換基團的納濾膜。水溶液中的陰、陽離子在壓力或者濃度梯度的驅使下,分別通過相應的交換單元通過膜。目前關于荷電鑲嵌納濾膜的傳質機理較少,傳質模型僅有一些非平衡態熱力學模型。

  1.3非荷電納濾膜

  非荷電納濾膜的分離作用主要依靠納米級微孔的篩分作用,傳質模型主要包括空間位阻-孔道模型和摩擦模型等。

  2影響納濾膜的關鍵因素

  2.1 pH

  納濾膜的外層通常附有電荷,當溶液pH產生改變時,電荷性質也會變化,溶液中其它需要分離的物質電荷也會隨之改變,從而進一步影響膜分離的效果。

  2.2操作壓力

  由于納濾膜分離的驅動力主要來自壓力,所以增強壓力有助于改善過濾效果。

  隨著壓力的增加水通量也得到提高,但水通量并不能無持續增加。當壓力達到一定數值時,膜表面會因為污染而出現凝膠固體層。此時,傳質過程主要受凝膠層的阻力限制,壓力的影響相比凝膠層的阻力可以忽略不計。

  2.3溫度

  溫度的改變會使得納濾膜外層的電荷總量發生變化,產生不一樣的分離現象。此外,溫度也可能會對待分離物質的構成產生影響,從而改變分離效果。

  2.4流速

  理論上,增大液體流速可以降低濃度差極化的效果。不過實驗中發現,當流速增大至,某個特定值時,也會造成液體沿程壓力提高,減少過濾阻力。具體聯系污水寶或參見http://www.pfdwn.tw更多相關技術文檔。

  3納濾在高鹽化工廢水中的應用進展

  3.1納濾技術在染料廢水中的應用進展

  染料工業的生產過程中會產生大量高鹽(大于5%)、高COD(大于10000mg/L)和高色度(數萬)的廢水。通常該類廢水不僅B/C小于0.3,廢水可生化性差,而且廢水中較高的鹽濃度也會抑制生物過程中微生物的活性。因此染料工業廢水必須經過適當的預處理才可以進入生化系統。染料物質分子量大多在700~1000之間,非常適合使用納濾膜技術對其進行預處理。

  楊剛等在使用CA卷式納濾膜對二苯乙烯雙三嗪型熒光增白染料(NT)的水溶液進行濃縮和脫鹽的過程中發現,NT染料經納濾膜處理后,水相中的NaCl濃度,NaCl的濃度從1.05mol/L降至0.05mol/L以內,而NT染料濃度濃縮至原來的2倍左右,NT的截留效率超過99.8%。

  GuohuaChen等利用ATF50型納濾膜處理香港的印染廢水,針對COD分別為5430mg/L和14000mg/L的兩股原水,納濾對COD的去除率分別達到80%和95%,出水滿足香港排放標準。

  劉宗義等通過卷式反滲透膜對腈綸絲洗滌廢液進行處理。結果表明,納濾可以使己內酰胺單體濃縮十倍以上,并截留80%左右。透過液可以作為中水回用,經濟效益顯著。郭明遠等實驗室自己制備了醋酸纖維素納濾膜,并實驗驗證了該納濾膜可用于印染廢水燃料回收。

  3.2納濾技術在農藥廢水中的應用進展

  我國農藥廢水排放量約3億t/年,COD排放量更是超過10萬t/年。農藥廢水毒性大、治理難度高、對環境危害嚴重等特點使其得到人們越來越多的關注。而納濾膜作為一種高效節能的膜技術,可以有效去除一半以上的COD和鹽分,非常適合農藥廢水的預處理。

  B.Van der Bruggen比較了NTR7450、UTC20、NF45和NF70納濾膜對農藥廢水的處理效果,結果表明NF70是處理農藥廢水效果最好的納濾膜。B.VanderBruggen還通過這4種納濾膜去除地下水中的農藥、硝酸鹽以及硬度[11]。研究發現這4中納濾膜對農藥和硬度的去除都較為理想,而只有NF70有著較好的硝酸鹽去除效果,這主要是由于納濾膜技術適合截留二價離子,卻對一價離子截留效果不高。

  楊廣平等試驗研究了NF90及NF270納濾膜對水楊醛、滅蠅胺、吡蟲啉三種典型的農藥廢水的處理效果。實驗結果表明,COD和鹽去除率都超過80%。若回收農藥中有用成分,經濟效益也相當可觀。

  楊青等針對某大型農藥(主要產品為吡蟲啉、烯酰嗎啉等)設計了DK膜與NF90組合的多級納濾膜預處理系統,出水生化性明顯提高,COD<1600mg/L、分<1000mg/L、同時在各級濃縮液中回收有用物料,從一級濃縮液中回收分子量200~500的吡蟲啉、烯酰嗎啉等農藥分子,回收率>50%;二級濃縮液中回收分子量90~250的乙酰嗎啉、苯酚等低分子化工原料,回收率>70%。Hugue等對含有大量NaCl/NH4Cl的草甘膦母液進行了分離,提出可使用納濾膜進行滲濾的方法脫鹽。

  他們使用Desal-5-DK膜對含有16%的無機鹽的草甘膦母液進行了分離,草甘膦的回收率大于99%,無機鹽的脫除率大于85%。趙經緯等采用納濾膜的集成膜分離系統處理草甘膦廢水可使草甘膦含量濃縮至4%以上,鹽分含量低于1%。

  3.3納濾技術在制藥廢水中的應用進展

  近些年隨著醫藥化工行業的迅速發展,其廢水復雜程度也成倍增加,加上醫藥化工廢水本身高鹽度和難降解等特點,使得廢水處理難度越來越大。納濾膜分離過程中不僅不發生化學反應,而且過程不需要加熱無相變,生物活性不會遭到破壞,同時一般藥物的分子量也在納濾膜分離技術的范圍內,所以納濾膜分離技術在醫藥廢水的處理中被越來越廣泛的應用。

  冉艷紅等通過納濾膜技術濃縮中草藥水提取液,結果表明納濾濃縮過的中草藥水提取液產品回收率和質量得到提高,而廢水排放量和處理陳本降低。提取液中的可溶性固體物提升10倍,此外也發現升溫升壓等方法可以提高膜通量。

  Capelle等通過納濾膜脫除鹽濃度11%~17%的雜環藥的衍生物廢水中的醋酸鈉和氯化鈉。研究發現Nanomax50納濾膜對醋酸鈉和氯化鈉的截留率超過99%,對雜環藥衍生物脫除率更是達4結語綜上所述,納濾膜技術分離效果好、可以對污水中有用物質進行回收利用特點使得在高鹽化工廢水處理領域有很大的發展潛力。

  但工業廢水往往成分復雜,含有多種酸、堿物質,處理難度大。

  因此,高鹽化工廢水的處理對膜的材料性能要求較高,以保證可納濾膜的分離效果和使用壽命,所以開發性能優良的納濾膜具有長遠意義。此外,工業廢水的復雜性也使得單一工藝較難處理達標,所以必須重視膜技術與其它水處理工藝的聯用,發揮每種技術各自的優勢,才能達到最理想的處理效果。(來源:廣東化工  作者:楊志剛等)

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