分離技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用
行業(yè)動(dòng)態(tài)
膜分離技術(shù)是一種新型高效的分離技術(shù)，是對(duì)非均相體系中不同組分進(jìn)行分離、純化與濃縮的一門新興的邊緣交叉學(xué)科。它具有過(guò)程不發(fā)生相變及副反應(yīng)、無(wú)二次污染、分離效率高、操作條件溫和、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，是緩解資源短缺、能源危機(jī)和治理環(huán)境污染的重要措施，因而得到 各國(guó)普遍重視，并在海水淡化、化工、印染、環(huán)保、食品、生化過(guò)程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
目前膜分離技術(shù)被公認(rèn)為20世紀(jì)末至21世紀(jì)中期較有發(fā)展前途的高科技之一。在短短的幾十年里膜技術(shù)迅速發(fā)展，受到 的矚目。擴(kuò)散定理、膜的滲析現(xiàn)象、滲透壓原理、膜電勢(shì)等一系列研究為膜的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。相關(guān)科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)也使得膜的實(shí)際應(yīng)用成為可能。
1 膜分離過(guò)程與膜分離技術(shù)
1.1 膜分離過(guò)程
膜分離過(guò)程是以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì)，當(dāng)膜兩側(cè)存在某種推動(dòng)力（如壓力差、濃度差、電位差、溫度差等）時(shí)，原料側(cè)組分選擇性地透過(guò)膜，以達(dá)到分離、提純的目的。不同的膜過(guò)程使用不同的膜，推動(dòng)力也不同。
目前已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的膜分離過(guò)程有微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、滲析（D）、電滲析（ED）、氣體分離（GS）、滲透汽化（PV）、乳化液膜（ELM）、膜生物反應(yīng)器（MBR）等。
1.2 膜分離技術(shù)
超濾（UF）、納濾（NF）、乳化液膜（ELM）、膜生物反應(yīng)器（MBR）這四大過(guò)程在技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，已有大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，形成了相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，有許多商品化的產(chǎn)品可供不同用途使用。氣體分離和滲透汽化是正在發(fā)展中的技術(shù)。其中氣體分離相對(duì)較為成熟一些。目前已有工業(yè)規(guī)模的氣體分離體系是：空氣中氧和氮的分離。滲透汽化是這些膜過(guò)程中 有相變的過(guò)程，在組件和過(guò)程設(shè)計(jì)中均有特殊的地方。它主要用于有機(jī)物/水，水/有機(jī)物，有機(jī)物/有機(jī)物分離，是較有希望取代某些高能耗的精餾技術(shù)的膜過(guò)程。20世紀(jì)80年代中期進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。
2 膜分離技術(shù)的水處理應(yīng)用
2.1 超濾膜分離技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用
2.1.1 超濾膜簡(jiǎn)介
超濾（UF）是一種壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離過(guò)程，是根據(jù)分子的大小和形態(tài)而分離的篩選機(jī)理進(jìn)行分離的。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，超濾很快從實(shí)驗(yàn)規(guī)模發(fā)展成為重要的工業(yè)單元操作技術(shù)，它已廣泛用于食品、醫(yī)藥、工業(yè)廢水處理，高純水制備及生物技術(shù)工業(yè)。在工業(yè)廢水處理方面應(yīng)用的較普遍的是電泳涂漆過(guò)程，城市污水處理及其他工業(yè)廢水處理領(lǐng)域都是超濾未來(lái)的發(fā)展方向。
2.1.2 超濾膜在廢水處理中的應(yīng)用
機(jī)械行業(yè)工件的潤(rùn)滑，清洗和石化行業(yè)的煉制及加工等會(huì)產(chǎn)生含油廢水，其油一般為漂浮油、分散油和乳化油三種形式存在。其中乳化油的分離難度較大，用電解或化學(xué)法破乳使油粒凝聚的費(fèi)用較高，而超濾就不需要破乳直接可將油水分離，特別適用于高濃度乳化油的處理和回收。超濾處理乳化油廢水時(shí)，界面活性劑大部分可透過(guò)，而超濾膜對(duì)油粒子完全阻止，隨濃度增加油粒子粗?；蔀槠∮透∮谝好嫔?，再用撇油裝置即可撤除。陸曉千等用超濾膜技術(shù)處理清洗車床、設(shè)備等含油污水，顏色為乳白色，含油（1000～5000）mg/L，COD濃度高達(dá)（10000～50000）mg/L，經(jīng)超濾膜處理后，顏色透明。含油低于10mg/L，COD（1700～5000）mg/L，除油率99%。
2.2 納濾膜技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用
2.2.1 納濾膜的簡(jiǎn)介
納濾膜（NF）又稱疏松型反滲透膜，它是介于反滲透與超濾之間的一種膜分離技術(shù)。但納濾膜多數(shù)為荷電膜，其對(duì)無(wú)機(jī)鹽的分離行為不僅受到化學(xué)勢(shì)梯度控制，同時(shí)也受到電勢(shì)梯度的影響，其表面由一層非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的高分子與微孔支撐體結(jié)合而成，以壓力差為推動(dòng)力，對(duì)水溶液中低分子量的有機(jī)溶質(zhì)截留，而鹽類組分則部分或全部透過(guò)，從而使有機(jī)溶質(zhì)得到同步濃縮和脫鹽的目的。
2.2.2 納濾膜在廢水處理中的應(yīng)用
2.2.2.1 含重金屬?gòu)U水的處理
在金屬加工和合金生產(chǎn)廢水中，含有濃度相當(dāng)高重金屬離子。將這些重金屬離子生成氧化物沉淀除去是處理含重金屬的廢水一般的措施。采用納濾膜技術(shù)，不僅可以回收90%以上的廢水，使之純化，而且同時(shí)使重金屬離子含量濃縮10倍左右，濃縮后的重金屬具有回收利用的價(jià)值。如果條件控制適當(dāng)，納濾膜還可以分離溶液中的不同金屬。
2.2.2.2 化學(xué)工業(yè)廢水的處理
處理化學(xué)工業(yè)廢水的常用方法是濃縮后焚燒或曝氣。而且濃縮時(shí)需要除去廢水中的鹽分，因?yàn)橐菨饪s成高鹽度的廢水，這種廢水會(huì)對(duì)焚燒爐或暖氣裝置產(chǎn)生更大腐蝕。另外，廢水中含有許多生物不能降解的大分子有機(jī)物。這些問(wèn)題只有用納濾膜才能有效解決。納濾膜在濃縮水中有機(jī)成分的同時(shí)，讓鹽分透過(guò)，從而達(dá)到分級(jí)分別處理。經(jīng)濃縮后的已脫鹽廢水可以去曝氣，而透過(guò)液則可經(jīng)生化處理成無(wú)害的物質(zhì)排放。
2.3 乳化液膜技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用
2.3.1 液膜及乳化液膜簡(jiǎn)介
液膜技術(shù)是60年代中期由美國(guó)埃克森研究與工程公司的黎念之博士提出的一種膜分離方法，直到1986年奧地利的Marr等科學(xué)家采用液膜法，從粘膠廢液中回收鋅獲得了成功，液膜分離技術(shù)才進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。液膜主要由膜溶劑（水或有機(jī)溶劑），表面活性劑（乳化劑）和添加劑組成，按其構(gòu)型和操作方式的不同，可分為乳狀液膜和支撐液膜，其中乳狀液膜更為常用。乳狀液膜可看成為一種?！八?油/水”型（W/O/W）或“油/水/油”型（O/W/O）的雙重乳狀液高分散體系，將兩種互不相溶的液相通過(guò)高速攪拌或其它方法（如超聲波法、噴管法等）制成乳狀液，然后將其分散到第三種液相（連續(xù)相）中，就形成了乳狀液膜體系。乳狀液膜表面積大，傳質(zhì)速度快，可以有目的地控制其選擇性。
乳狀液膜處理廢水的過(guò)程分3步進(jìn)行：
（1）制乳。對(duì)不同廢水，需選擇不同的膜溶劑、表面活性劑和內(nèi)保相攪拌后制成的W/O乳液；乳化型液膜的制備較為簡(jiǎn)單，直接將優(yōu)選的膜配方材料加入制乳設(shè)備中即可。制乳設(shè)備的工作原理有機(jī)械攪拌、膠體磨、超聲波等。
（2）傳質(zhì)。將W/O乳液分散到待處理廢水中，形成W/O/W乳液。廢水中的待分離組分，通過(guò)選擇性滲透、化學(xué)反應(yīng)、萃取和吸附等作用進(jìn)入內(nèi)包相，與內(nèi)包相中的特定組分發(fā)生反應(yīng)，從而富集于內(nèi)包相。
（3）破乳。W/O/W乳液經(jīng)一段時(shí)間傳質(zhì)后，靜置，分層，水層為出水，油層為油相與內(nèi)包相的乳狀液，利用電場(chǎng)或機(jī)械力破壞油層乳狀液，使油相與內(nèi)包相分開(kāi)，油相循環(huán)使用，富集了被分離物的內(nèi)包相進(jìn)行回收或處理后廢棄。
破乳的目的是為了回收使用過(guò)的乳液內(nèi)相和有機(jī)相。破乳效果的優(yōu)良與否，直接關(guān)系到液膜技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性，因此此環(huán)節(jié)十分重要。破乳方法分為化學(xué)破乳法和物理破乳法。通過(guò)調(diào)節(jié)pH值或投加化學(xué)破乳劑使液膜體系失穩(wěn)的方法叫化學(xué)破乳法。通過(guò)加熱、離心分離以及高壓電場(chǎng)的靜電引力來(lái)使液膜體系失穩(wěn)的方法叫物理破乳法。
2.3.2 乳化液膜在廢水處理中的應(yīng)用
2.3.2.1 分離廢水中的有機(jī)物、無(wú)機(jī)酸
美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的wang研究了用液膜法去除水溶液中的多種有機(jī)酸成分。如兩種有機(jī)酸溶質(zhì)體系（間甲酚、安息香酚、酚/苯基乙酸）和3種有機(jī)溶質(zhì)體系（酚/安息香酚/苯基乙酸）。以總濃度為0.012mg/L的間甲酚/安息香酚溶液的分離實(shí)驗(yàn)為例，隨膜相與外水相接觸時(shí)間延長(zhǎng)，外水相中間甲酚/安息香酚不斷減少直至平衡，安息香酚可去除95%左右，間甲酚剩余較多。
2.3.2.2 去除重金屬離子
奧地利Graz工業(yè)大學(xué)的Marr等人用乳狀液液膜分離技術(shù)，對(duì)去除骨膠廢水中的Zn2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、Cr3+、Ni2+等重金屬離子做了大量的實(shí)驗(yàn)。表明除Ni2+外，其它金屬離子的去除率均高于99%。
3 結(jié)語(yǔ)
總之，膜技術(shù)在水處理方面有著廣泛的用途，城市污水回用對(duì)緩解城市供水不足，節(jié)省珍貴的水資源，減輕水污染和改善水環(huán)境的作用是非常顯著的，大量的實(shí)踐證明了污水回用的可行性和經(jīng)濟(jì)性，隨著人們環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)和生活水平的提高，對(duì)污水回用要求也會(huì)越來(lái)越。由于膜技術(shù)的特點(diǎn)，技術(shù)的不斷進(jìn)步以及處理成本的不斷下降，膜技術(shù)在污水回用領(lǐng)域?qū)⒂懈笥梦渲兀捎诠I(yè)廢水往往含有酸、堿、油等物質(zhì)，處理?xiàng)l件較苛刻。因此，處理廢水使用的膜必須具有較好的材料性能，從而保持其良好的分離性能和較長(zhǎng)的使用壽命。從這方面來(lái)看，開(kāi)發(fā)抗污染等性能優(yōu)良的過(guò)濾膜具有重要的戰(zhàn)略意義。同時(shí)，對(duì)膜污染機(jī)理、膜污染模型、膜污染控制技術(shù)和與工程化配套的預(yù)處理技術(shù)研究也是目前重要的研究方向。
水資源日益短缺和對(duì)水重復(fù)利用的迫切要求，為膜分離技術(shù)在廢水處理及回用領(lǐng)域的應(yīng)用提供了機(jī)遇?？梢灶A(yù)見(jiàn)，由于膜分離技術(shù)的自身優(yōu)勢(shì)，在上述領(lǐng)域中將有更廣闊的發(fā)展前景。
