纳滤膜分离技术处理工业废水

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工业的快速发展使水环境受到的污染日益严重,由此造成的水资源短缺已是人类面临的严重问题。污水中有80%是工业废水,工业废水中夹带许多废料、中间产品或成品,如:重金属(冶金、电镀行业等),有毒化学品、酸碱(化工行业等),有机物(食品工业等),油类(采炼油行业等),悬浮物(火电、冶金行业等),放射性物质(核工业等)。其对国民经济和人体健康的影响,已是人类面临的严重问题。

膜分离技术是目前为止人们掌握的最节能的分离技术,已在海水淡化、溶胶及混合液的分离和浓缩、工业废水中重金属离子的去除、饮用水的净化、蛋白质和酶的分离等方面应用,并表现出其较传统分离技术的优势。

纳滤f NF ) 是介于反渗透( R O) 与超滤( U F ) 之间的种压力驱动型膜分离技术。它具有两个特性:一是由于膜孔径为纳米级,对水中的分子量为数百的有机小分子成分具有分离性能;二是大多数膜带电荷, 所以对于不同价态的离子存在Do n n a效应。其操作压差为 0 . 5 ~2 . 0 MP a   f 或 0 . 3 4 5  1 . 0 3 5 MP a ) , 截留分子量界限为 2 0 0  1 0 0 0 ( 或 2 0 0 ~5 0 0 ) ,用于分子大小约为 l n m的溶解组分的分离。 纳滤分离技术主要基于筛分效应和电荷效应人们往往将它和其它分离及生产过程相结合, 起到降低处理费用、 提高分离效果的作用。NF膜在某些方面可替代传统的费用高、 工艺烦琐的分离方法 。目前, 已有许多品牌纳滤膜在水处理中广泛应用。下列举例纳滤膜在水处理当中的应用:

1、自来水深度处理

崔崇威等人依据大庆水源水质特点确定优质桶装水的生产工艺为:自来水—多介质过滤—臭氧化—生物活性碳过滤—精密过滤—纳滤—臭氧紫外双重消毒—自动化灌装。纳滤浓水水质分析表明优于原水,提出将其回用于工艺中,结果表明:纳滤浓水的回用可以使桶装饮用水保留一部分人体所需的矿物质,同时提高水的硬度,达到优质桶装水的要求。组合工艺对有机污染物去除效率较高,出水高锰酸盐指数小于110mg/L,效果稳定。纳滤膜操作压力低,可使原水部分脱盐,阴离子截留率按NO3-、Cl-、F-、SO42-
顺序递增;尤其对该地区水中含量较高的F-有良好的去除效果;阳离子截留率按Na+、K+、Mg2+、Ca2+顺序递增,对高价离子的去除率大于其对一价离子的去除率,对水中无机和有机污染物都具有独特的分离特性。

针对磁场应用于自来水纳滤软化过程的初步研究表明:与同样条件下的对照实验相比,磁场的存在可以减缓纳滤膜通量衰减的速度。对膜面结垢的电镜分析发现,磁场引入纳滤膜过程可导致膜面结晶形态的改变。不加磁场的纳滤过程中,膜面上主要生成颗粒状的方解石;加磁场的纳滤过程中,膜面上针形文石的含量增高,且大多形成团簇结构。纳滤膜面上针形导磁极后在膜面上以S-N的结合次序形成链状结晶。

2、地表水处理

地表水的成分与其中的化学物质往往随着季节的变化或是雨后地表冲积物而变化,虽然在处理地表水的过程中我们主要去除的是有机物而不是硬度,纳滤膜仍然是很可靠的选择之一。分别以太湖水和淮河水为水源的两地水厂出厂水为研究对象,研究纳滤膜组合工艺对饮用水中可同化有机碳和致突变物的去除效果。研究表明,纳滤膜对可同化有机碳的去除率为80%,能确保饮用水的生物稳定性,对致突变物的去除率大于90%,使Ames实验结果由阳性转为阴性,对两地不同原水均能生产出安全优质的饮用水。

3、废水处理

纳滤技术作为一种高效经济的处理手段,已经被应用于很多废水处理工艺当中。王昕彤和孙余凭采用TFC-S型纳滤膜对含镍废水进行回收处理。在试验中研究了试验温度、操作压力、进料流率和溶液中Ni2+的质量浓度对Ni2+的质量截留率和透过流率的影响。料液中Ni2+的质量浓度由30mg/L,经过处理浓缩至17.7g/L,浓液达到直接回用于镀槽的要求,99%的透过液可以达到回用标准,并且回收了约99%的镍。采用NF膜处理含镍废水具有流程简单、投资小、操作费用低、物料分配合理等特点,适用于工业应用。

对应用聚合物辅助无机膜处理模拟放射性废水进行了研究,比较了相对分子质量分别为8000、50000、和100000的三种聚丙烯酸和截流分子量为1000、3000、8000的无机膜对模拟放射性废水的处理效果。研究表明聚合物辅助超滤/纳滤技术可以有效地去除沸水中的Sr2+和Co2+,且当采用相对分子量为100000的聚丙烯酸辅助截留相对分子量为8000的无机膜超滤时,去除效果最好。

4、海水淡化

目前传统工艺中反渗透海水淡化的回收率小于40%。陈益棠等人研究开发了死端超滤预处理技术和反渗透-纳滤联合脱盐相结合的膜集成海水淡化新工艺,与传统工艺比较,具有装置体积小,产水回收率高等优点。以沿岸海水为料液,操作压力1为5.1MP条件下,操作压力2为2.0MPa条件下,装置脱盐率99.21%,产水量397.3L/h产水回收率55%。海水淡化装置对海水中Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3-、Cl-、SO42-、TDS、总碱度、总硬度的去除率分别为99%,99.6%,99.21%,95%,99.35%,98.48,,99.21%,95%,99.4%。与传统工艺产水成本进行了比较,结果表明:新工艺的总设备直接投资费分别毕回收率为20%和40%时的传统工艺下降20.06%和6.27%。其中,预处理设备投资费用分别下降43.41%和19%;操作费用中的能源费分别下降13.33%和7.14%。王玉红等人选择了ESNA1型纳滤膜对NaCl、MgCl2、Na2SO4、MgSO4等4种无机单盐水溶液体系进行分离实验;考察操作压力和料液浓度等的变化对纳滤膜分离性能的影响及纳滤膜脱盐的稳定性,得到一些纳滤膜脱盐的规律;并对ESNA1膜在人工海水和海水软化脱盐中的应用作了初步探索。无机盐体系脱盐实验结果显示:随操作压力升高和料液浓度增大,ESNA1膜对4种盐溶液中的离子的截留率分别增大和减小,操作压力和料液浓度的变化对一价盐溶液的截留率影响较大,对二价盐溶液的截留率影响较小。人工海水和海水软化脱盐试验结果显示:ESNA1纳滤膜在实验过程中稳定性好,在较低的操作压力下膜通量也较高,且ESNA1纳滤膜对Ca2+、Mg2+、SO42-离子的截留率均>90%,初步判断此种纳滤膜可用于海水软化预处理。

5、其他应用

5.1、药物浓缩

为探索膜分离技术在螺旋霉素(SPM)生产提取中的适用情况,韩少卿等人采用超滤、纳滤对工业生产的螺旋霉素板框过滤液进行处理,实验结果表明,操作压力、操作时间及料液流速对超滤过程有很大影响,本实验所用膜件较好的去除了蛋白等大分子杂质,起到纳滤预处理作用;然后采用纳滤膜对超滤液进行浓缩纯化,操作条件如进料压力、料液pH、浓缩倍数及操作方式对纳滤过程均有很大影响。应用超滤、纳滤技术提取SPM,其收率可达76.3%,大大高于传统溶媒提取收率,产品质量也符合要求。

冉艳红和陈万群对凉茶中草药水提取液进行了纳滤浓缩有效成分的研究,证明纳滤浓缩凉茶中草药提取液是可行的。纳滤技术提高了产品的收率和质量,大大降低了成本,减少了废水排放。纳滤浓缩前后风味没有变化。中草药提取液可溶性固形物从1.5%~2.0%增加到了15%,降低料液浓度、提高温度、提高压力可以提高膜通量。两种膜性能的比较结果表明,在操作条件为温度28℃,压力3.3MPa,浓度2.0%的条件下,474膜的浓缩效率较高。。

5.2、食品工业

胡立新等人利用膜分离技术对牛初乳的加工工艺进行改进,使用微滤膜进行除菌、纳滤膜进行浓缩,克服了传统工艺中杀菌时造成脂肪被氧化,产生异味的缺陷,产品的微生物指标符合国家标准;浓缩过程除去50%的水分,大大降低了冷冻干燥工序中的能耗,符合建设节约型社会的理念。由于采用膜技术进行“冷杀菌”,低温浓缩,降低了热敏性成分的分解,提高了产品的品质。

韩少卿等人根据纳滤过程和渗透原理数学模型,采用一元线性方程推导出料液和渗滤液中葡萄糖、海藻糖浓度与累积渗透体积的指数曲线,并对糖浓度的实测值和预测值进行比较。经过渗滤处理,葡萄糖和海藻糖回收率分别达86.96%和83.64%,而其他低聚糖损失率小于3%,指数方程能较好预测渗滤过程浓度变化。


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