膜分離技術(shù)及其在污水處理中的應(yīng)用
行業(yè)動(dòng)態(tài)
近年來(lái)，伴隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的進(jìn)程，大量的生活和工業(yè)廢水排入水體，這些廢水中多含有不同濃度的化學(xué)成分，給水體帶來(lái)越來(lái)越嚴(yán)重的污染，惡化的水質(zhì)危及工業(yè)生產(chǎn)和人們的健康。一方面不注重環(huán)保，水資源被嚴(yán)重污染；另一方面，我國(guó)許多大中城市及北部地區(qū)的城市缺水問(wèn)題日益嚴(yán)重，部分城市水源開(kāi)發(fā)已達(dá)極限。目前水資源短缺已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。為此在各個(gè)領(lǐng)域，特別是高耗水的冶金、石化、電力等行業(yè)廣泛開(kāi)展了節(jié)水工作。除了通過(guò)提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)、選擇低耗水工藝等方式節(jié)約用水外，還努力開(kāi)辟新水源，利用污水資源回用。污水資源化是控制水污染、緩解水資源短缺、實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的主要對(duì)策。
為解決污水回用問(wèn)題，出現(xiàn)了各種預(yù)處理和深度處理技術(shù)和方法，但到目前為止，國(guó)際水處理界對(duì)微污染原水的處理動(dòng)向基本是兩種途徑：傳統(tǒng)處理工藝（如蒸發(fā)、萃取、沉淀、混凝、過(guò)濾和離子交換等）的改進(jìn)和膜分離技術(shù)的使用。
1 膜分離技術(shù)原理、分類(lèi)及優(yōu)點(diǎn)
膜分離過(guò)程的推動(dòng)力主要是濃度梯度、電勢(shì)梯度及壓力梯度。膜分離是通過(guò)膜對(duì)混合物中各組分的選擇滲透作用的差異，以外界能量或化學(xué)位差為推動(dòng)力對(duì)雙組分或多組分混合的氣體或液體進(jìn)行分離、分機(jī)、提純和富集的方法。
近幾十年來(lái)，將膜分離技術(shù)應(yīng)用到污水處理領(lǐng)域，形成了新的污水處理方法，它包含微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、電滲析（ED）等。
膜分離技術(shù)，作為一種新型的分離技術(shù)，既能對(duì)廢水進(jìn)行有效的凈化，高效地去除污染物，又能回收一些有用物質(zhì)，同時(shí)具有節(jié)能、無(wú)相變、安全性高、生物穩(wěn)定性好、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)，因此在工業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用并顯示了廣闊的發(fā)展前景。
2 常用膜分離技術(shù)的應(yīng)用
2.1 微濾（MF）
微濾是一種精密過(guò)濾技術(shù)，一般能夠去除水中的細(xì)菌、固體微粒，所分離的組分直徑為0.03～15微米；具有很好的除濁效果，廣泛用于半導(dǎo)體工業(yè)超純水的終端處理。飲用水生產(chǎn)和城市污水處理是MF應(yīng)用潛在的兩大市場(chǎng)。在工業(yè)污水處理中可用于涂料行業(yè)污水、含油廢水、硝化棉廢水和含重金屬?gòu)U水等的處理，這些都正在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。張艷等采用氫氧化鎂吸附與無(wú)機(jī)陶瓷微粒膜相結(jié)合的方法對(duì)印染廢水進(jìn)行了脫色處理，脫色率可達(dá)98%以上，并對(duì)膜污染和清洗進(jìn)行了研究，取得了較好效果。
我國(guó)微粒膜的研究與國(guó)外水平相比，常規(guī)微濾膜的性能和國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的性能基本一致，折疊式濾芯在許多場(chǎng)合代替了進(jìn)口產(chǎn)品，但在錯(cuò)流式微濾膜和組器技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用等方面，仍落后于國(guó)外，這就抑制了微濾技術(shù)在較高濁度水質(zhì)深度處理中的應(yīng)用。
2.2 超濾（UF）
同MF類(lèi)似，超濾主要用于除去固體微粒，分離的組分直徑為0.005～10微米。還可以去除病毒、大分子物質(zhì)、膠體等，廣泛用于食品、醫(yī)藥、工業(yè)污水處理、超純水制備及生物技術(shù)工業(yè)。超濾在水處理方面應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)污水處理方面應(yīng)用得較普遍的是電泳涂料污水處理。它可以與反滲透聯(lián)合制備高純水；可以處理生活污水；處理工業(yè)廢水，包括電泳涂漆廢水、含重金屬?gòu)U水、含油廢水、含聚乙烯醇（PVA）廢水、含淀粉及酶的廢水、紡織工業(yè)脫漿水和紙漿工業(yè)污水等；從羊毛精制廢水中回收羊毛脂；纖維加工油劑廢水處理等等。方忠海等采用超濾技術(shù)，對(duì)石化廠煉油廢水回用至鍋爐補(bǔ)給水的技術(shù)進(jìn)行了研究，廢水經(jīng)直流絮凝和超濾去除懸浮物、降低濁度后，完全能夠滿足下游反滲透的進(jìn)水要求，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)回用水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
目前，我國(guó)超濾技術(shù)在水處理中以PSH和聚丙烯中空纖維式組件應(yīng)用較多。與國(guó)際產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)超濾膜組件品種單一，通量和截留率綜合性能較低，抑制了超濾膜技術(shù)在水處理以外領(lǐng)域的應(yīng)用。但現(xiàn)在，已有許多共混超濾膜的研究。由于共混超濾膜具有單一組分膜所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此這是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
2.3 納濾（NF）
納濾技術(shù)是目前 膜分離領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，NF膜對(duì)分子量介于200～1000之間的有機(jī)物和高價(jià)、低價(jià)、陰離子無(wú)機(jī)物有較高的截留性能，可以用于脫除三鹵甲烷、農(nóng)藥、洗滌劑等可溶性有機(jī)物及異味、色度和硬度等。因NF膜結(jié)構(gòu)及性能上的特點(diǎn)，當(dāng)前已廣泛地應(yīng)用于生化產(chǎn)品、污水處理、飲用水制備和物料回收等領(lǐng)域。在工業(yè)污水處理中，NF膜主要用于含溶劑廢水的處理，以其特殊的分離性能成功地應(yīng)用于制糖、制漿造紙、電鍍、機(jī)械加工以及化工反應(yīng)催化劑的回收等行業(yè)的污水處理上，已有人開(kāi)始研究用NF膜處理日化工業(yè)、石油工業(yè)、印刷工業(yè)廢水和含殺蟲(chóng)劑污水等的處理。石油工業(yè)中的含酚廢水主要含有苯酚、甲基酚、硝基酚以及各類(lèi)取代酚，此類(lèi)物質(zhì)的毒性很大，必須脫除后才能排放。熊蓉春等研究了納濾技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用，不僅酚的脫除率可達(dá)95%以上，而且在較低壓力下就能高效地將廢水產(chǎn)生的鎳、汞燈重金屬高價(jià)離子脫除，其費(fèi)用比反滲透燈方法低得多。
我國(guó)納濾技術(shù)的研究雖在80年代末就開(kāi)始了，但NF膜易污染，目前仍在實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)階段，其價(jià)格一直比傳統(tǒng)的污水處理方法高，尚無(wú)產(chǎn)品投放市場(chǎng)。目前國(guó)際上有關(guān)NF膜的制備、性能表征、傳質(zhì)機(jī)理等的研究還不夠系統(tǒng)、全面、深入。
2.4 反滲透（RO）
RO主要用來(lái)去除水中溶解的無(wú)機(jī)鹽，RO膜對(duì)幾乎所有的溶質(zhì)都有很高的脫除率。RO技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用主要是苦咸水、海水淡化和難以用其他方法處理的混合物。在污水處理方面，RO已廣泛應(yīng)用于城市污水處理和利用、電鍍污水處理、紙漿和造紙工業(yè)污水處理、化工污水處理、冶金焦化污水處理、食品工業(yè)污水處理、制藥污水處理及放射性污水處理等。RO法處理出水質(zhì)量很高，在水處理中通常用于精制。
反滲透技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用于海水淡化、純水和超純水制備、城市給水處理、城市污水處理及應(yīng)用、工業(yè)電鍍廢水及紙漿和造紙工業(yè)廢水處理、化工廢水處理、冶金焦化廢水處理、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等廢水處理，我國(guó)有大港電廠、寶鋼自備電廠等發(fā)電廠應(yīng)用反滲透技術(shù)來(lái)進(jìn)行預(yù)脫鹽處理。與國(guó)外相比，我國(guó)反滲透工藝和工廠技術(shù)已接近國(guó)外 水平，但膜和組器技術(shù)同國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品仍有較大的差距，復(fù)合膜雖已完成中試放大，但離工業(yè)生產(chǎn)仍有差距。當(dāng)前反滲透膜市場(chǎng)，中空纖維型仍以國(guó)產(chǎn)CTA膜組件為主，而卷式型基本上由進(jìn)口PA復(fù)合膜元件所占據(jù)。在工業(yè)上，引進(jìn)PA復(fù)合膜和其他所有關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)制造反滲透裝置，取代了以往整機(jī)進(jìn)口的局面，實(shí)踐證明是成功的。
2.5 電滲析（ED）
當(dāng)前離子交換膜的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用均已達(dá)到很高的水平，ED技術(shù) 的 是美國(guó)和日本。該技術(shù)首先用于苦咸水淡化，而后逐漸擴(kuò)展到海水淡化及制取飲用水和工業(yè)純水中，在重金屬污水處理、放射性污水處理等工業(yè)污水處理中也已得到應(yīng)用，目前已成為一種重要的膜法水處理技術(shù)，越來(lái)越受到重視。但是，ED也有它自身的問(wèn)題，如ED只能除去水中的鹽分，而對(duì)水中的有機(jī)物不能去除，某些高價(jià)離子和有機(jī)物還會(huì)污染膜。另外，ED運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生濃差極化而產(chǎn)生結(jié)垢。
3 新型膜技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 液膜（LM）
液膜就是懸浮在液體中的很薄一層乳液微粒。至今已經(jīng)歷了帶支撐體液膜、乳化液膜和含流動(dòng)載體乳化液膜三個(gè)階段。液膜可以代替固膜分離氣體，用液膜法去除載人宇宙飛船密封艙中CO4的技術(shù)已成功地用于宇宙空間技術(shù)中。在石油化工中，液膜可以用于分離那些物理、化學(xué)性質(zhì)相似而不能用常規(guī)的蒸餾、萃取方法分離的烴類(lèi)混合物。液膜在醫(yī)學(xué)上可以用來(lái)捕獲許多有毒物質(zhì)，然后安全的排出體外。我國(guó)液膜技術(shù)近來(lái)也發(fā)展很快。朱亦仁等提出了一種從發(fā)酵液中提取檸檬酸的新方法——乳狀液膜分離法，討論了該方法的基本原理及傳遞過(guò)程和機(jī)理。考察了表面活性劑、載體和內(nèi)相試劑濃度對(duì)提取率的影響，確定了合適的膜配方。
3.2 氣態(tài)膜（GM）
GM分離技術(shù)是近年才發(fā)展起來(lái)的膜分離技術(shù)，氣態(tài)膜是由厚度為0.03mm的微孔、疏水性聚合物膜支撐的氣態(tài)薄層，它用于分隔兩種水溶液，只有揮發(fā)性溶質(zhì)可以以氣態(tài)形式擴(kuò)散并通過(guò)膜，非揮發(fā)性的溶質(zhì)不能通過(guò)膜。
李芳等對(duì)氣態(tài)膜回收氰化物的遷移機(jī)理及各種影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：傳質(zhì)速率與料液濃度呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系；吸收液濃度、流速和料液濃度、流速在一定范圍內(nèi)影響傳質(zhì)速率；溫度升高，傳質(zhì)加快；膜孔徑及孔隙率增大，傳質(zhì)速率也隨之增大。
3.3 滲透蒸發(fā)（PV）
滲透蒸發(fā)是利用液體中兩種組分在膜中溶解度與擴(kuò)散系數(shù)的差別，通過(guò)滲透與蒸發(fā)，將二種組分進(jìn)行分離。滲透蒸發(fā)過(guò)程的研究和應(yīng)用，已從有機(jī)物中脫水發(fā)展的水中脫除有機(jī)雜質(zhì)以及有機(jī)物/有機(jī)物的分離。滲透蒸發(fā)近年研究雖然進(jìn)展很快，但它單獨(dú)使用的經(jīng)濟(jì)性并不好，工業(yè)上多用于集成過(guò)程或組合過(guò)程，即與其它分離過(guò)程結(jié)合起來(lái)使用，可以發(fā)揮有關(guān)分離過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，達(dá)到優(yōu)化的目的。
3.4 雙極膜（BM）
雙極膜是一種具有專(zhuān)門(mén)用途的離子膜。它是一種新型復(fù)合膜，由三部分組成：陽(yáng)離子交換層（N型膜）、界面親水層（催化層）和陰離子交換層（O型膜），同樣荷有不同固定電荷密度、厚度和性能的膜材料，在不同復(fù)合條件下可制成不同性能的膜。如水解離膜、1價(jià)和2價(jià)離子分離膜、防結(jié)垢膜、抗污染膜、低壓反滲透脫硬膜，其中水解離膜應(yīng)用較廣，由它可派生出許多用途，如酸堿的生產(chǎn)、煙道氣脫硫、食鹽的電解等。
總之，任何水處理技術(shù)都有它的適用范圍，往往使用某一種膜技術(shù)并不一定能夠解決各種水處理問(wèn)題，因此在實(shí)際應(yīng)用中通常將不同的膜技術(shù)進(jìn)行組合使用，如ED與RO的結(jié)合，RO與UF的結(jié)合，及RO與MF的結(jié)合使用等，這樣往往可以發(fā)揮各自的特點(diǎn)，取得更大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。同時(shí)膜技術(shù)與常規(guī)的水處理技術(shù)聯(lián)合使用也是不可忽視的。因此，膜技術(shù)與常規(guī)水處理技術(shù)的聯(lián)合使用是十分重要的，是今后開(kāi)發(fā)新型水處理工藝的一個(gè)重要方向。相信膜技術(shù)在水處理技術(shù)中的作用和地位會(huì)日益突出，其應(yīng)用范圍也日益廣闊。
熱門(mén)產(chǎn)品
