膜法水處理技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)
行業(yè)動(dòng)態(tài)
傳統(tǒng)水處理技術(shù)不同程度存在分離效率低、能耗大、對(duì)水溫要求嚴(yán)格等缺點(diǎn)，膜分離技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展很好地解決了這些問(wèn)題。在膜分離過(guò)程中，物質(zhì)不發(fā)生相的變化，分離系數(shù)較大，操作溫度在室溫左右，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為解決當(dāng)代人類(lèi)面臨的能源、資源、環(huán)境等重大問(wèn)題的重要新技術(shù)，現(xiàn)在已有許多膜分離技術(shù)獲得大規(guī)模應(yīng)用，如微濾、反滲透、超濾、納濾、電滲析、滲透蒸發(fā)、液膜等。因此，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)展前景的技術(shù)之一。
1 膜分離技術(shù)的定義及其特點(diǎn)
1.1 膜分離技術(shù)的定義
膜分離技術(shù)，顧名思義，是利用一張?zhí)厥庵圃斓模羞x擇透過(guò)性能的薄膜，在外力推動(dòng)下對(duì)混合物進(jìn)行分離、提純、濃縮的一種新型分離技術(shù)。
1.2 膜分離技術(shù)的特點(diǎn)
（1）膜分離技術(shù)能耗低。因?yàn)槟し蛛x過(guò)程不發(fā)生相變化，其中以反滲透耗能較低，這對(duì)于克服 的能源危機(jī)有相當(dāng)?shù)囊饬x。
（2）膜分離過(guò)程是在常溫下進(jìn)行的，因而特別適于對(duì)熱敏感的物質(zhì)，如對(duì)廢水中有價(jià)值的重金屬、化學(xué)藥品、生產(chǎn)原料等的分離、分級(jí)、濃縮與富集過(guò)程。而用膜法處理飲用水，其出水水質(zhì)只取決于膜自身的性質(zhì)，如膜孔徑、膜的選擇性等，與原水水質(zhì)無(wú)關(guān)。
（3）膜分離技術(shù)適用的范圍廣，反應(yīng)過(guò)程不會(huì)改變物質(zhì)的屬性，不需要添加劑參加反應(yīng)，不會(huì)帶來(lái)新的污染物和浪費(fèi)其它物質(zhì)，可用于多種類(lèi)型的廢水處理過(guò)程。
（4）膜分離法分離裝置簡(jiǎn)單，操作容易且易控制，便于維修且分離效率高。與常規(guī)水處理方法相比，具有占地面積小，處理效率高等特點(diǎn)。
（5）膜分離技術(shù)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)定型化，自控性強(qiáng)，便于管理和運(yùn)行，也有利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
2 幾種常見(jiàn)膜分離技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1 微濾
微濾在20世紀(jì)30年代有硝酸纖維素微濾膜商品化，60年代主要開(kāi)發(fā)新品種。近年來(lái)以四氟乙烯和聚偏氟乙烯制成的微濾膜已商品化，具有耐高溫、耐溶劑、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，使用溫度在100～260℃。
工業(yè)廢水的處理中，微濾用于電子、半導(dǎo)體工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中高純水的制備，油田采出水處理、城市污水的深度處理。微濾、超濾和納濾技術(shù)用于地面水和地下水的飲用水處理在國(guó)外近10年才逐漸得到較明顯的發(fā)展，開(kāi)始用于小型水廠(chǎng)和水處理凈化站，如法國(guó)、荷蘭、美國(guó)、澳大利亞、以色列等 。我國(guó)廣東東莞太平港自來(lái)水公司等8家水廠(chǎng)也采用了全自動(dòng)微濾設(shè)備，產(chǎn)水量為24210m3/d，水廠(chǎng)規(guī)模從10～10000m3/d不等。此外，微濾在飲用水的處理，如大同市成功地用有機(jī)微濾膜設(shè)備處理水庫(kù)水中大顆粒物及部分細(xì)菌微生物。
2.2 反滲透
反滲透技術(shù)在20世紀(jì)50年代才開(kāi)始研究，到60年代末制成具有工業(yè)價(jià)值的反滲透膜，1971年開(kāi)始有工業(yè)性反滲透裝置在電廠(chǎng)投入運(yùn)行，現(xiàn)在反滲透法進(jìn)行水處理工藝遍及美國(guó)、日本、法國(guó)、意大利等 ，我國(guó)于70年代末開(kāi)始引進(jìn)反滲透裝置于發(fā)電廠(chǎng)的水處理。90年代反滲透膜的開(kāi)發(fā)研制成為熱點(diǎn)，現(xiàn)在反滲透技術(shù)已有大范圍的應(yīng)用。
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(chǎng)、寶鋼自備電廠(chǎng)、滄州電廠(chǎng)等9個(gè)發(fā)電廠(chǎng)應(yīng)用反滲透技術(shù)來(lái)進(jìn)行預(yù)脫鹽處理。目前，海水淡化的主要方法有蒸餾法、電滲析法、冷凍結(jié)晶法及反滲透法。其中反滲透法的耗能較低，只有6～7kW·h/m3，為蒸發(fā)法的1/4。 上較大的反滲透海水淡化廠(chǎng)設(shè)在沙特阿拉伯，其生產(chǎn)規(guī)模為56800m3/d。
2.3 超濾
超濾是一種壓力驅(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。超濾從70年代進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用后發(fā)展迅速，已成為應(yīng)用領(lǐng)域較廣的技術(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)。城市污水處理及其它工業(yè)廢水處理領(lǐng)域，都是超濾未來(lái)的發(fā)展方向。
在處理工業(yè)廢水方面的應(yīng)用：1986年，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心用超濾法處理含油污水，在0.1MPa的壓力，水通量保持在60～120L/m3·h的情況下，可把含原油200～1000mg/L的水處理達(dá)到環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。1994年，在北京印鈔廠(chǎng)安裝了超濾設(shè)備用于處理印鈔擦版廢水，處理能力為2t/h，迄今運(yùn)轉(zhuǎn)良好。電泳涂漆是對(duì)汽車(chē)、冰箱、摩托車(chē)等的殼體鍍上底漆的工藝，完成后需用水漂洗去掉浮漆，為防止洗出漆的損失及工藝要求，必須將漆水分離以回收漆，超濾是一種十分理想的回收漆的方法，經(jīng)超濾分離后，漆返回漆槽回收，清水則返回清洗水箱繼續(xù)使用，這樣既提高了漆的利用率又減少污水處理費(fèi)用。60年代超濾被引入汽車(chē)涂裝工藝，歐美 幾乎所有的涂漆生產(chǎn)線(xiàn)均裝配了超濾裝置。目前，電泳涂漆市場(chǎng)已成為超濾技術(shù)較大的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.4 納濾
納濾是20世紀(jì)70年代中后期開(kāi)發(fā)的一種新型膜分離過(guò)程。由于在滲透過(guò)程中截留率＞95%的較小分子約為1nm，故被命名為納濾膜，納濾膜的操作壓力應(yīng)≤1.50MPa，截留分子量200～1000。納濾在水的軟化、不同價(jià)陰離子的分離和高、低分子量有機(jī)物分級(jí)以及中、低分子量有機(jī)物除鹽等方面得到了廣泛應(yīng)用。目前，納濾技術(shù)已廣泛用于制造生化產(chǎn)品、處理污水、制備飲用水和回收物料等多個(gè)領(lǐng)域。
與傳統(tǒng)的處理方式相比較，城市污水經(jīng)過(guò)納濾或反滲透處理回用到城市綠地噴灑，可以降低由于水中的無(wú)機(jī)鹽特別是重金屬鹽類(lèi)含量過(guò)高造成的土壤鹽堿化，有效地避免水中可能存在的致病微生物對(duì)人的身體健康造成的潛在危害。工業(yè)用水量比較大的主要是循環(huán)冷卻水和鍋爐補(bǔ)給水，城市污水經(jīng)過(guò)污水廠(chǎng)二級(jí)處理后回用到工業(yè)循環(huán)補(bǔ)給系統(tǒng)還須進(jìn)一步降低水中的有機(jī)物、氮和磷、懸浮物、硬度及氯離子含量，否則就會(huì)加劇循環(huán)系統(tǒng)管道和換熱器的腐蝕，增加循環(huán)系統(tǒng)的外排污水量。二級(jí)出水回用作工業(yè)冷卻水通過(guò)納濾或者反滲透處理可以實(shí)現(xiàn)。
2.5 電滲析
電滲析的核心是離子交換膜，在直流電場(chǎng)的作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)溶液的淡化、濃縮及純化。目前電滲析已經(jīng)成為膜分離技術(shù)的重要組成部分，主要用于淡化苦咸水、制備工業(yè)用水和飲用水。
自 臺(tái)電滲析裝置問(wèn)世后，其在苦咸水淡化，飲用水及工業(yè)用水方面的巨大優(yōu)勢(shì)大大加速了電滲析的進(jìn)一步研發(fā)。美國(guó)內(nèi)務(wù)部鹽水局（OSW）在上個(gè)世紀(jì)的70年代建立了大型電滲析海水淡化試驗(yàn)廠(chǎng)，海水含鹽量約35g/L，可用電滲析淡化到300～500mg/L。在中東和非洲缺淡水的地區(qū)，利用電滲析方法淡化苦咸水的工廠(chǎng)總產(chǎn)水量已經(jīng)超過(guò)了30×104t/d，出水的含鹽量也只有3～6g/L。
2.6 液膜
液膜技術(shù)是20世紀(jì)60年代中期由美國(guó)?？松芯抗こ坦镜睦枘钪┦刻岢龅囊环N新型膜分離技術(shù)，直到80年代中期奧地利的J.Draxler等科學(xué)家采用液膜法，從粘膠廢液中回收鋅獲得成功，液膜分離技術(shù)才進(jìn)入了實(shí)用階段。液膜法可處理有機(jī)廢水、含氨或含氰廢水、含陰離子廢水等。
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)，然后安全地排出體外。我國(guó)液膜技術(shù)近年來(lái)也發(fā)展很快，朱亦仁提出了一種從發(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?？疾炝吮砻婊钚詣?、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 膜技術(shù)的應(yīng)用前景展望
膜分離技術(shù)在水處理中的主要方向?yàn)轱嬘盟闹迫?、工業(yè)用水中物質(zhì)的回收與水資源再利用、工業(yè)廢水的治理等。同時(shí)，對(duì)膜及相關(guān)過(guò)程的規(guī)?；⒛の廴镜谋O(jiān)測(cè)與控制、操作條件的優(yōu)化也是研究的主要方向。膜技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用將成為國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的前沿課題。因此對(duì)膜材料提出了更高的要求，尤其是要制造出適應(yīng)于環(huán)保行業(yè)高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命、抗污染、高通量的膜材料。
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，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，如高純水制備中將膜技術(shù)與離子交換及常規(guī)過(guò)濾技術(shù)相結(jié)合，則可發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)，使處理效果大大提高，而處理成本則大大下降。
膜分離技術(shù)發(fā)展迅速，同其他工程科學(xué)的結(jié)合也越來(lái)越緊密，諸如同傳感器相結(jié)合構(gòu)成膜傳感器等。膜分離技術(shù)得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，不但用于常規(guī)的水處理，還用于殺菌等多個(gè)領(lǐng)域。膜分離技術(shù)的研究也可謂與日俱進(jìn)，可以預(yù)料在新世紀(jì)，隨著法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的日益提高和膜技術(shù)的不斷成熟、成本不斷降低，水價(jià)的日趨上漲等，膜法水處理技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)技術(shù)上進(jìn)一步提高，應(yīng)用上更加普及的高潮。
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