膜分离技术在水处理中的应用

膜分离技术在水处理中的应用黄雨欣1303050106【摘要】膜分离技术是一种先进的选择性分离技术，这门技术出现在在20世纪初，并在20世纪60年代后迅速崛起。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征具有自身独特的优势，随着工业的不断发展，膜分离技术已经广泛应用在工业水处理当中。1748年法国学者A.诺勒开创了膜渗透现象的研究。20世纪40年代中期出现人工离子交换膜，开始了电渗析的工业应用。1960年，S.洛布和S.索里拉金首先用醋酸纤维素制成非对称性反渗透膜，开拓了反渗透的实际应用。1968年，美籍华裔学者黎念之最先研究乳化液膜的形成方法和渗透机理，开拓了液膜分离技术。中国自1958年开始研究电渗析,1966年开始研究反渗透,现已对膜分离技术的各个领域开展了研究工作，并推广于工业应用。本文介绍了膜分离技术的特点，对以及水处理膜分离技术的发展历史、应用现状和发展前景。【关键词】膜分离技术水处理工业废水水工业膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征。目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。1.膜分离法简介1.1膜分离法简介膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层、在膜的两侧存在一定量的能量差作为动力,允许某些组分透过而保留混合物中其他组分,各组分透过膜的迁移率不同,从而达到分离目的的技术。是一种属于传质分离过程的单元操作。膜可以是固态或液态，所处理的流体可以是液体或气体，过程的推动力可以是压力差、浓度差或电位差。对双组份或多组分溶质和溶剂进行分离、粉剂、提纯和富集的方法，统称为膜分离法。目前常见的膜分离法主要有：微滤(MF)、超滤(uF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、电渗析(ED)、渗析(D)、渗透蒸发(PV)、液膜(I朋)等。其中前四种方法为四大膜分离技术，其膜过程的装置、流程设计都相对较成熟，已有大规模的工业应用和市场。此外，以膜为基础的其他分离过程，如膜蒸馏、气体分离膜技术、膜萃取、膜分相、膜反应器、控制释放膜、膜传感器，以及将不同膜分离技术或膜分离过程与其它分离过程相结合的集成膜过程(IMP)，也正日益得到重视和发展。1.2膜分离法的优点1）在常温下进行膜分离过程是在常温下进行的，有效成分损失极少，因而特别适于对热敏感的物质，如对废水中有价值的重金属、化学药品、生产原料等的分离、分级、浓缩与富集过程。而用膜法处理饮用水，其出水水质只取决于膜自身的性质，如膜孔径、膜的选择性等，与原水水质无关。2）无相态变化膜分离过程不发生相的变化，保持原有的风味，与其它方法相比能耗较低，因此又称节能技术。其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/83）无化学变化典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染。4）选择性好可在分子级内进行物质分离。不仅适用于有机物和无机物、病毒、细菌的广泛分离，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如溶液中大分子与无机盐的分离，一些共沸物或近沸点物系的分离等，而后者是常规方法无能为力的，具有普遍滤材无法取代的卓越性能。5）适应性强处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化2.发展及现状1953年，美国的C．E．Reid等最早提出将反渗透应用于海水淡化。1960年，S．keb与S．Sourinaian开发出了第一代高性能醋酸纤维素膜．首次将反渗透膜用于海水淡化。1965年，美国加利福尼亚大学制造出管式反渗透装置．可用于苦咸水淡化。1970年，杜邦公司推出了芳香族聚酰胺中空纤维反渗透器。1980年，全芳香族聚酰胺复合膜卷式元件问世。1990年．商业化的中低压及超低压高脱盐聚酰胺复合膜产品进入市场。1998年，低污染膜研发成功，反渗透技术的应用范围进一步扩大。纳滤是20世纪80年代发展起来的一类新型分离膜，早期被称为松散反渗透膜．其截留分子量介于反渗透和超滤之间．膜表面带有电荷。对一价无机盐离子具有不同于反渗透膜的选择透过性，因其能截留的物质大小约为lnm而得名。中国对反渗透膜的研制始于20世纪60年代中期。但受限于原材料和基础工业条件，所生产的膜元件成本高而性能较低。目前。中国国产反渗透膜常用的材料主要为醋酸纤维素膜、芳香聚酰胺膜和壳聚糖膜…。中国反渗透膜的应用始于20世纪70年代后期．起初多于半导体纯水和电子行业，后逐渐扩展到电力及其他工业．随着20世纪90年代饮用水器具市场的拓展，反渗透膜在家用领域获得普及。在各种膜分离技术中．反渗透技术是近年来在中国发展最快、普及最广的一种。中国反渗透膜在工业上应用最主要的领域为大型锅炉补给水、各种工业纯水，其次是饮用水市场。目前在电子、半导体、制药、医疗、食品、饮料、酒类、化工、环保等行业也有一定规模的应用。纳滤膜分离的应用最近十多年才在中国得到发展主要用于苦咸水的脱盐软化。其次用在饮用水深度处理、废水处理、食品饮料浓缩等行业。在全世界范围．纳滤和反渗透技术的主要应用领域为海水和苦咸水淡化。反渗透装置在全世界海水淡化装置中所占比例约为30％。在韩国、日本反渗透技术主要应用于电子、医药食品工业；美国和欧洲主要用于工业废水处理和饮用水生产：中东多用于海水淡化。3.膜分离技术在废水处理中的应用反渗透膜和纳滤膜均可在外加压力下脱出溶液中的无机盐和大分子物质。在透过水分子的同时截留无机盐、糖类、氨基酸及水中污染物，透过溶剂。反渗透膜对几乎全部物质具有高的脱除率，相比较而言纳滤膜对单价无机离子的脱除率较低，且膜材料带有电荷性．分离过程中产生道南作用，故而能在较低压力下实现多价离子的高脱除率。从而表现出对不同价态无机盐离子的选择性。反渗透膜和纳滤膜的这些性质使其在水处理方面得到广泛应用。1）石油化工水处理油田的采出水含多种原油成分、盐类，有时还含原油集输过程中投加的破乳剂、降茹剂等。采用膜技术处理采出水，是一种有效且适于工业应用的方法，经处理后的采出水主要用于油田回注用水。我国陆上油田已探明储量中低渗透油田占50%以上，为使处理后的采出水达到低渗透油田注入水水质的要求，需要在常规流程后增加一级精细过滤装置，其核心设备是精细过滤器。例如TCLW15-0.6型含油污水超精细过滤器(江汉机械研究所研制)，该过滤器采用纤维束型滤料，过滤流程低进高出，水中悬浮物自然沉降，不污染滤料;反洗操作流程高进低出，易于冲洗滤层表面堆积的泥饼和油污。反洗时正、反向交替旋转纤维束，提高了反洗的效率。无机膜机械性能优良，可用于处理采出水，经处理后的地下井水和采油水可满足中低渗透油田注水使用要求，用无机膜处理采出水，出水水质能满足回注水要求。2）海水和苦咸水我们知道，我国水资源缺乏，人们饮用的淡水资源更是非常稀缺，但是无法被人们直接饮用的海水和苦咸水的含量却非常大，远远超过我国所拥有的淡水含量。通过膜分离技术就可以有效的将海水和苦咸水转化成可以被人们所利用的淡水资源。利用反渗透膜对海水和苦咸水进行脱盐，就可以有效的解决当前人们对于饮用水的需求问题。早在1968年，我国山东潮连岛和大连市长海县就已经开始运用反渗透膜技术，将海水变为饮用水。不止在我国，在其他一些缺水的国家，反渗透膜技术也被广泛应用于淡水的提取之中。而膜处理技术的另一个重要分支纳滤膜，则主要应用于软化水的处理。纳滤膜技术在软化水处理中的应用，主要表现在去除有机物和色度、降低TDS（总溶解固体）浓度、水质软化等，在运行成本和实际的能量消耗方面要比反渗透膜低，故而受到了更多的关注。甚至在美国，斥资无数购买了纳滤软化水装置。在海水和苦咸水的资源利用方面，相比较于反渗透膜技术，纳滤膜技术因为其所具有的选择透过性，具有更为广阔的前景。3）电镀废水反渗透膜从20世纪70年代开始用于处理电镀废水．随着技术的不断发展。反渗透膜已大规模用于处理含锌、镍、铬、铜等单一或混合重金属废水。由于反渗透膜的高截留率．可以将废水中大多数的污染离子截留．得到干净的产水，从而实现资源的循环利用。在处理废水的同时，往往将反渗透或者纳滤与沉降、超滤、添加剂、活性炭吸附、pH调节等预处理工艺相结合。如N．Mohsen向含有铜和镍离子的废水中加入Na2EDTA进行螯合后，再用反渗透膜分离，可将铜和镍除去99．5％。4）轻工废水轻工废水处理主要包括造纸废水、柠檬酸废水等，利用膜分离技术处理轻工废水具有很好的效果，例如C、A膜为一、二级联合方式处理CEH漂白废水，膜通量达到16.6L/(m2·h）时，BOD5、CODCr、TOC去除率分别可以达到66.0%、85.1%、71.6%；利用MAE膜技术处理造纸黑液的的污染，可以有效减少CODCCR的含量，同时还可以将有用的化学品进行回收的利用。纳滤膜比较适合于去除纺织工业污水的COD、色度，实验表明，其总的去除效率超过97%，初始液的COD质量浓度约为550-720mg/L，渗透液的COD随压力的增加而减少，在1.2x106Pa压力时，COD质量浓度＜10mg/L，渗透液的COD也随回收率的增加而增加，回收率为80%时，COD质量浓度为30mg/L。纳滤膜可使色度彻底得到清除。色度和COD大幅减少使得渗透液再利用在染色厂成为可能。4.膜分离技术的应用前景当前膜分离技术中在经过30多年的发展滞后，在污染治理、结构调整以及技术进步等方面取得了巨大的成绩，膜分离技术中的微滤、超滤、电渗析、气体分离、无机膜等技术得到了广泛应用。在能源、电子、石油以及化工等领域都得到了有效应用。但是在实际应用过程中我们也注意到了还有不少问题限制了这些技术的应用。膜产品的价格、膜污染、膜分离性能的提高是其中最为典型的问题。在今后发展中应该着重加强这些问题的研究。但是需要我们注意的是由于膜技术本身是一种新兴技术，这项技术要想实现长远发展在未来的发展中就必须要解决好三个问题：选择性问题、产值问题以及通量稳定性问题。所谓选择性问题指的是在实际生产过程中药进一步加强对高分子膜材料和无机膜材料的开发、对于高效电解质膜、仿生膜以及分子识别型膜的研究要达到专一化、智能化以及高效化的目标。膜通量的稳定性和产值比问题主要是集中在渗透过程中的防污染和膜过程强化方面。在实际应用过程中无论是采用哪种膜都会存在膜表面形成黏性附层和膜孔被堵塞等问题。正是因为这些问题的存在会影响到铜梁稳定性以及产值比。在今后研究过程中必须要加强这方面的研究，要综合考虑各方面因素、选择合适的膜材、合理设计膜组件此外还需要进行周密的工艺流程设计。5.结语综上所述，膜分离技术对我国社会及工业发展的具有重要意义，不经能够提高我国的工业发展水平，还对环境保护做出贡献，特别是对于废水处理，更能够充分发挥膜分离技术的作用，因此在处理工业废水，应合理利用膜分离技术，根据具体的实际的情况选择合适的膜组件，更好的完成工业废水的处理。还应不断对膜分类技术进行，并不断的改善制膜工艺，提高膜分离技术水平，使膜分离技术的在工业废水处理能够发挥更大的作用，并使其在我国的发展前景越来越广阔。【参考文献】1.康为清，时历杰，赵有璟，张大义，张宏韬，王敏，水处理中膜分离技术的应用-《无机盐工业》-2014年5期2.蒋绍阶，杜成银，刘宗源，膜法在水处理中的优势及应用-《重庆建筑大学学报》-2003年6期3.付大勇，水处理中膜分离技术的运用分析-《城市建设理论研究（电子版）》-2015年1期4.白仁为，工业水处理中膜分离技术的应用研究-《建筑工程技术与设计》-2015年17期5.冯金强，工业水处理中膜分离技术的应用研究-《中国化工贸易》-2015年2期6.冉琼，水处理中膜分离技术的应用探讨-《城市建设理论研究（电子版）》-2015年6期7.王建黎，计建炳，徐又一，膜分离技术在水处理领域的应用-《膜科学与技术》-2003年5期