物理法处理染料废水的研究进展

介绍了近年来国内外对含染料废水处理工艺研究的最新进展，重点介绍了物理法处理染料废水的最新研究成果，同时对每种处理方法的优缺点进行了探讨，并展望了物理法处理染料废水新技术的发展前景。
目前我国染料生产能力居世界首位，每年各种染料的产量已达90万t，同时，染料制备及印染行业属于高能耗、高污染的行业。据估算，在使用过程中约10%～20%的染料会被排入水体，按此计算全世界每年随废水排放到环境的染料约6万t，而因染料生产及使用而产生的废水约为7.5～15万t。
这类废水具有颜色深、毒性大、COD 及BOD 值较高、组成复杂多变、排放量大、分布面广、难降解等特点，若不经处理直接排放，将会给生态环境带来严重危害。近年来，国内外对于染料废水的处理研究十分活跃，根据处理方法不同可大致分为3类(表1)。
在实际的废水处理过程中常用多种方法组合，以取得最佳效果。其中物理法是将污染物进行转移以实现净化水体的作用，由于其不能将污染物消除，因此常常被作为染料废水的预处理方法，以便从废水中回收染料分子、降低盐度及金属离子含量，提高其可生化性。用于染料废水处理领域的物理法包括：吸附法、膜分离技术及磁分离技术等。本文重点对物理法在染料废水处理中应用现状及发展趋势做一介绍。
1 吸附法
吸附法是指用多孔固体(吸附剂)将气体或液体混合物中一种或多种组分积聚或凝缩在表面进而达到分离目的的方法。工业上使用较多的吸附剂是活性炭、离子交换树脂等，吸附特点和效果各有不同。近年来，各种吸附剂不断被引入染料废水处理的研究。
1.1 活性炭吸附法
活性炭吸附法是一种应用较早的方法。该法对去除水中溶解性有机物非常有效，但它再生比较困难、处理成本较高，因此应用面窄，一般可用于浓度较低的染料废水处理或深度处理。近年来，很多科学家通过对活性炭吸附过程的进一步了解，在吸附机理和活性炭预处理技术方面都取得了很大的进展。Arami等对活性炭吸附模拟染料废水进行了研究，以直接蓝78和直接红3为处理对象，考察了活性炭投加量、初始染料浓度及盐浓度对污染物吸附性能的影响。结果表明：活性炭对于染料的脱色效果良好，并通过线性拟合推导出其吸收速率符合准二级动力学模型，且吸附服从Langmuir模型。G.M.Walker等研究了3种酸性染料在活性炭上的吸附行为，并研究了活性炭孔径对吸收作用的影响，发现中孔较多的活性炭易吸附染料分子，这是由于中孔一方面对吸附有积极作用，另一方面也为吸附质的扩散提供了通道，同时Tamai Hisashi等也证实了这一结论。
活性炭吸附对于染料废水的脱色、COD、BOD值的降低有很好的应用前景，但也面临着活性炭的再生困难、处理费用偏高等问题。目前国内外关于活性炭的再生也有诸多报道，主要包括高温热解、溶剂溶解、生物降解、电化学再生及超临界流体萃取等方法。这些方法目前都不完善，还存在炭流失量大、溶解效率低、生物降解难、处理费用高及反应条件苛刻等问题，因此限制了活性炭吸附在染料废水处理中的应用。
1.2 树脂吸附法
20世纪后期，随着离子交换树脂和吸附树脂等功能材料的工业应用，树脂吸附法也被引入废水处理领域，但是在染料废水处理领域的研究和应用相对较少。余颖用树脂NKY对活性艳蓝KN-R染料的吸附行为进行了研究，并取得了较好的处理效果，陆朝阳等也对此开展了研究工作，但目前对于树脂吸附染料的机理研究尚不完善。Yu g等研究了活性染料在改性后树脂上的吸附行为，实验表明，吸附过程符合一级动力学方程，其吸附包括物理吸附和化学吸附，但以物理吸附为主，王中华也取得了相似的研究结果。
1.3 矿物及废弃物吸附法
该法是利用天然矿物如黏土、矿石(蒙脱石、海泡石、海绵铁等)及工业废弃物(矿渣、煤渣)等物质来吸附染料废水中的有机物。这些物质因其储量丰富、价格低廉，而引起了研究的热潮。
Vimonses等研究了膨润土、高岭土及沸石对刚果红的吸附效果。考察了吸附剂投放量、染料浓度、溶液酸度及反应温度对吸附过程的影响。结果表明，其矿石结构不同，吸附行为也不同，但3种吸附剂对染料的吸附均遵循准二级吸附方程。Konduru R.Ramakrishna将泥煤、钢渣、粉煤灰等无机吸附剂对染料的吸附性能进行了研究，结果表明钢渣和粉煤灰对染料的吸附性能堪比活性炭。李虎杰等研究了酸化后的坡缕石黏土对阳离子染料的吸附性能，发现吸附率可达到92%。谢治民等采用改性的海泡石吸附活性艳蓝染料废水，发现吸附60min后其脱色率达99%，吸附容量比活性炭高3～4倍。
2 膜分离法
膜分离法处理染料废水，主要是利用膜的选择性分离功能，对染料废水进行处理，实现染料废水中染料分子与水分子的分离，达到染料分子和盐的回收及提高废水可生化性能。
2.1 超滤与纳滤
由于印染废水中除了含有染料分子，还含有印染助剂、盐、脂类等物质，使得膜在处理印染废水处理过程中容易造成堵塞、污染，故研究者多采用纳滤-超滤结合的方法，以处理染料废水。
Fersi C等将超滤作为纳滤的前处理工序，进行了印染废水的处理研究，结果表明，二次处理增加了膜的通量，有利于废水的脱色，其脱色率达95%，盐截留率为80%，2种过滤方式的叠加保持了摩通量的稳定，避免了膜污染的发生，大大增加了膜运行的时间，提高了印染废水的处理效率。丛玮等也采用超滤-纳滤双膜工艺研究了对印染废水的处理效果，通过研究压力、运行时间对膜分离性能的影响，得出如下结论，超滤膜作为纳滤预处理的前期工序，能够很好地去除溶液的浊度和部分COD，纳滤能够有效地去除各种盐类，提高染料的回收率。
2.2 反渗透
反渗透技术用于处理分子量较大的电解质及非电解质污染物。实验结果表明，对于相对分子量>300的污染物都可以去除，而相对分子量在100～300之间的污染物的去除率可达90%以上。而染料分子多为复杂的有机大分子，其相对分子量一般在1 000以上。因此理论上，反渗透技术对染料废水的处理应该是高效的。范莉莉等采用反渗透技术对染料废水进行了实验研究，处理效果明显，COD去除率99.5%，色度由原来的4 500倍降至7倍。
该技术由于浓差极大和膜污染等问题的存在，导致运行渗透通量随运行时间的延长而下降，同时膜的价格较贵，更换频率较快，因此处理成本较高，阻碍了大规模的工业应用。
3.磁分离法
磁分离法是将物质进行磁场处理的一种新方法，可以实现对不同磁性物质的分离。自20世纪70年代以来，国外就研究了磁分离方法，目前该方法的应用已经渗透到很多领域，并应用于工业废水及生活污水的处理。
印染废水中的污染物多为弱磁性或反磁性物质，不能通过磁力直接分离，应投加磁种，并与污染物发生絮凝，进而实现分离。但染料很多是水溶性的，因此很难与磁种发生絮凝，需要对废水中的染料进行改性，改变其水溶性，从而实现与磁种的混凝而分离。
胡春光等以锰盐、铁盐为原料，按照不同配比制备了磁性吸附剂，并用于对酸性红B废水的吸附。实验研究了Fe含量、pH 值对吸附效果的影响，发现Fe含量的增加有利于吸附的发生，同时酸性条件下的吸附效果优于中性或碱性条件。同时通过磁分离技术可以有效地回收吸附剂。孙巍等也研究了磁分离技术在废水处理中的应用，并取得了良好的处理效果。此外，Chen等以Fe3O4为主体制备了镁铝双氢氧化物的胶体微粒，并研究了对刚果红染料废水的处理。实验表明，此胶体微粒对染料有很好的吸附能力，同时吸附速率也很快，5min内就可达到96%的吸附量。
4.发展趋势
随着科技的不断进步，一些新的废水处理技术也在不断涌现，例如交联吸附技术、超导高梯度磁分离技术、高效膜分离技术等。相信这些新技术的投入使用，会推动染料废水处理技术的新发展。