膜分离技术在环保中的应用
Ation of Membrane Separatoin Technology in Enviromental Protection
随着社会经济和工业化的迅速发展，世界各国都面临着日益恶化的环境问题。近年来，新的法律法规对污染程度的限定更为严格，因此众多的环境工作者正在竭力寻找更为有效的处理方法。
膜分离技术是近年来在全球迅速崛起的一项新技术，近半个世纪以来，膜分离技术得到了迅速的发展。膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法，与传统的分离操作相比，具有能耗低、分离效果高、无二次污染、工艺简单的特点，因此在石油化工、食品工业、造纸工业等领域得到广泛应用。
1、膜分离法的基本原理
1.1、微滤
微滤又称精过滤，其基本原理属于筛网状过滤，所分离的料液组分直径为0. 03一15um，在压差作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于滤孔的粒子被截留到膜上，从而实现不同组分的分离。微滤膜具有较高的渗透率，能应用于超滤难以满足的大处理量的情况。
1.2、超滤
超滤主要为筛分机理，溶液凭借外界压力的作用，以一定流速在具有一定孔径的超滤膜面上流动，溶液中的无机离子、低分子物质透过膜表面，溶液中的高分子物质、胶体微粒、热原质及细菌等被截留下来，从而达到分离和浓缩的目的。
1.3、纳滤
纳滤与超滤类似，也属于压力驱动型膜过程，但传质机理却与之不同。一般认为，超滤膜由于孔径较大，传质过程主要是孔径筛分形式。而大部分纳滤膜为荷电膜，即纳滤膜的行为与其荷电性能以及溶液的荷电状态和相互作用都有关。纳滤膜本身带有电荷，通过静电相互作用，阻碍多价离子的渗透，所以能在很低压力下具有较高脱盐率。
1. 4、反渗透
反渗透膜的透过机理，一般认为是选择性吸附一毛细管机理，即认为反渗透膜是一种多孔性膜，具有良好的化学性质，当溶液与这种膜接触时，由于界面现象和吸附作用，对于优先吸附在界面上的水以水流的形式通过膜的毛细管并被连续地排除。所以反渗透过程是界面现象和压力下流体通过毛细管的综合结果。
2、膜分离的发展历史
18世纪末，法国的AbbleNelkt发现水能很自然地扩散到装有酒精溶液的猪腰膀胧内，首次揭示了膜分离现象。但直到19世纪中叶才发现了透析(Dialysis)现象。最初，生理学家使用的膜主要是动物膜，1864年，"Traube成功制成人类历史上第一张人造膜一亚铁氰化铜膜。后来，用这种膜以蔗糖和其它溶液进行试验，把渗透压和温度及溶液浓度联系起来。其后，Van' tHoff以此结论为出发点，建立了完整的稀溶液理论。自1950年W"Juda等试制成功第一张具有使用价值的离子交换膜以来，到1960年，Lobe-sourirajan才发明制造出具有高脱盐率和高透水量的非对称醋酸纤维素反渗透膜。它与以前的均质醋酸纤维素反渗透膜具有同样高的脱盐率，但水的透量增加了10倍。这种膜的研制成功，大大推进了膜分离的发展，掀起了膜研究的高潮。
3、膜分离法在环境保护中的应用
3. 1、含油废水的处理
机械行业工件的润湿、清洗和石化行业的炼制及加工等会产生含油废水，其油一般以漂浮油、分散油和乳化油3种形式存在，其中乳化油的分离难度大，用电解或化学法费用较高，而采用膜分离法处理则不需要破乳，直接可将油水分离。膜处理法是一种新的高效油田处理工艺，具有能耗低、不产生二次污染、简单易行的优点。胜利油田利用PP中空纤维微滤膜处理含油废水，原水悬浮固体质量浓度小于3mgL-1，经该微滤元件过滤后悬浮固体质量浓度小于1 mg " L-`，粒径小于lum，含油质量浓度小于1 mg"L-'，符合低渗透、特低渗透油田的注水标准。唐燕辉等〔7j利用自行设计、组装的膜处理装置，考察了多种制膜方式，实验表明用加压制膜法制备的超滤膜，分离机械加工排放的含油污水时，可以使CODcr从728. 64mg " L-'降至87.8 mg"L-`，含油质量浓度从5000mg " L-'降至2.5 mg"L-'，脱除率分别达到87. 95%和99. 95%，分离后排水已达到国家规定的排放标准。船舶机舱废水的水量虽然不大，但含油量高达10%一20%，对这种废水首先采用重力分离法，去除绝大部分浮油，使废水含油量降为100 mg"L-'，然后进入超滤器除油，使最终出水含油量在10 mg"L‘以下，超滤器的操作压力毛0. 245 MPa，水通量为60 L" (m2"h)一，，设备处理能力为0. 2一1. 0m3" (h"台)一‘。张裕媛等用相转化法制备聚矾-A1203微粒填充到聚矾中，并用该复合膜对华北油田北大站外排水沙滤后水样进行了超滤处理，原水的油质量浓度为640mg " L-'，处理后的油田浓度小于0. 5mg"L-',完全符合回注水的要求。
3. 2、含重金属废水的处理
在金属加工和合金生产中，需用大量水冲洗，在这些清洗水中，含有浓度相当高的镍、铁和锌等重金属离子，将这些重金属离子生成氢氧化物沉淀除去是处理含重金属离子废水的一般措施。而利用膜技术不仅可以使得废水达标排放，而且可以回收有用物质。许振良等利用3种单皮层聚醚酞亚胺(PEI)中空纤维超滤膜，对水溶液中重金属离子(锅和铅，质量浓度均为100mg " L-')的脱除进行了胶束强化超滤研究‘，在胶束强化超滤过程中，测定了流速、操作压力、表面活性剂与浓度对超滤膜分离重金属离子性能的影响，结果表明，福和铅的截留率可达99. 0%以上，渗透通量可达1. 83 X 10 -lOm3 " 采用反渗透膜对含铜废水进行研究，当进水铜质量浓度为340mg"L‘时，透过液中铜质量浓度小于4 mg"L-I，去除率接近99%。奥地利Graz工业大学的Marr等人采用乳状液膜分离技术，对去除粘胶废水中的Zn'`, Cu2+, Cdz',Pbzy, Cr3, Ni“等重金属离子做了大量试验，表明除Nit十外，其它金属离子的去除率均高于99%。以Zn的去除与回收为例，与溶液萃取、化学沉淀、离子交换等方法相比较，膜分离法最经济。
3. 3、造纸废水的处理
造纸厂冲洗废水中含有大量污染物，膜分离法可以替代传统的吸收和电化学方法高效地去除深色木质素和来自木浆漂白过程产生的氯化木质素。刘淑英等〔‘2〕采用膜分离技术处理碱法草浆黑液，先通过混凝沉淀，再通过聚偏氟乙烯和聚丙烯材料的微滤膜对黑液进行处理，滤膜孔径在0. 45一0.80um时，经微滤后的滤液浊度大大减少，出水透明。最后经聚矾超滤膜，超滤膜孔径在0. 04一0.07nm之间，可有效地拦截相当量的可溶性有机物。通过以上处理，黑液中CODcr和色度去除率可达96. 8%一99. 3%，碱回收率可达78. 2% o F.zhang进行了草浆CEH漂白废水的超滤处理研究，选用透过相对分子质量分别为3000,10000、30000, 60000的4种平板PS膜进行对比研究，结果表明，3000和30000的PS膜具有较显著的分离效果和膜通量。分别以3000,30000的PS膜为一、二级联合处理CEH漂白废水，膜通量为16. 6L" (mZ "h)-1, BOD:去除率为66. 0%, CODcr去除率为85. 1% , TOC去除率71 .6%。
当工件从电泳槽取出后，必须对附着在工件表面残余的电泳漆和溶剂用水泞洗，因而产生了电泳漆废水。废水中的漆料是使用漆料总量的10%一50%，如果不处理而直接排放，不仅浪费资源，同时也造成了环境污染.超滤法不仅能够回收废水中的漆料，使之返回电泳槽，还可使有害无机盐透过超滤膜，从而提高了电泳漆的比电阻，改善了电泳槽电泳涂料的质量。北京某汽车厂电泳槽的容积为75m3，使用的电泳漆品种为7703型，电泳漆的固体含量10%一12%，工件的表面积为17m3·件‘，工件传送的线速度为0. 5m"d-'，工件带出漆液量19. 13L"h-`，原排放废水量为00m3 " d-'。经用超滤法处理，保证了电泳槽漆液的电阻率大于500 } "cm'，维持了电泳漆的固体含量稳定，对电泳漆的截留率为97%一98%，排水量由200m3 " d_，减到5m3"d-'，节省了大量补充去离子水，可在1一2a内收回全部投资。上海汽车制造厂2t货车驾驶室在生产线上引入了超滤设备，从电泳槽抽出一部分槽液，经超滤处理后分为两部分，浓水含有树脂、颜料粒子及较高分子量的无机盐离子、有机溶剂和水，可用于冲洗电拯涂料后的工件表面的浮漆，同时起到稀释循环冲洗水的作用，结果既节省了原料，又大大减少了环境污染，使该厂由排放含漆废水约20m3"d-'，到现在的排放清洁的超滤渗透水0L"d-1，基本消除了污水的排放问题，并使漆料全部回收，节省了槽液管理费用和废水处理费用。
3. 5、食品工业废水的处理
袁其明等采用超滤一纳滤组合工艺对大豆乳清废水进行了处理试验，经超滤处理后的乳清废液，再经纳滤浓缩10倍后，浓缩液中总糖约有77%被截留，其中功能性低聚糖水水苏糖和棉子糖的截留率高达90%以上。浓缩液中总糖质量分数达8. 720l0，再经活性炭脱色和离子交换脱盐及真空浓缩，即可得到透明状大豆低聚糖浆。该法的优点在于既解决了废水的排放问题，又通过回收利用，增加了经济效益。
4、结语
膜分离技术用于废水处理具有能耗低、效率高和工艺简单等特点，膜组件简洁、紧凑，易于自动化操作，维修方便，与其它废水处理方法相比具有明显的优势，所以在废水处理中己受到特别的青睐。但由于工业废水往往含有酸、碱、油等物质，处理条件比较苛刻，因此，处理废水使用的膜必须具有较好的材料性能，从而能在苛刻的条件下保持良好的分离性能和较长的使用寿命，为此开发新材料与制膜新工艺，开发性能完备的集成膜分离技术以及开发膜分离与传统的分离技术相结合的新型膜分离过程，将是未来一段时期内的主要研究方向。
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