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1、膜分离技术的应用姓 名： 毛钧仪 学 号： 211203315 专 业： 化学工程与工艺 2015 年 6 月 3 日摘要:随着经济发展和人口增加, 导致大量水源污染、生态环境恶化.近十多年来, 在水环境治理和生态修复方面, 膜技术以其低成本和高处理能力的优点, 正在发挥着巨大作用。伴随着近代工业文明的发展, 一个十分严峻的问题摆在人类的面前, 就是生态环境的恶化。这是人类在开发利用大自然的过程中不注意对其进行保护而产生的恶果。它将严重制约工业文明的发展和人类社会的进步, 甚至会严重威胁我们的生存空间, 人类将为此付出沉重的代价。在大量的环境问题中, 水环境问题尤其明显。水体污染不仅加重了水资
2、源短缺, 而且影响到人类的健康、生态平衡和社会经济的发展。所幸的是, 人类已经认识到这个问题, 并开始积极进行治理生态环境的斗争。但生态环境治理费用昂贵, 而且方法必须科学适当。开发选用正确的治理方法, 防止二次污染, 降低治理费用, 应是治理水污染和恢复生态环境所必须考虑的基本要求。膜滤技术以其诸多优点而倍受人们关注, 已成为迅速崛起的一门新兴技术。但自膜分离技术问世以来, 主要还是应用于水的脱盐(反渗透)、奶品加工(超滤)以及饮料工业等生产过程。随着膜性能的大大提高, 膜装置成本的大幅下降, 近十多年来, 膜滤技术已经扩展到了农业用水的处理和生态修复等大面积的、非单纯生产性的水体治理与修复
3、过程。膜分离是利用天然或人工合成膜，以浓度差、压力差及电位差等为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、提纯或富集的单元操作。膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧的推动力（如压力差、浓度差、电位差等）作用下，使原料中的某种组分选择性地透过膜，从而达到分离、纯化或浓缩溶液的目的，膜分离法可以用于液体和气体混合物的分离。对膜材料的要求有成膜性、热稳定性、化学稳定性和机械性能，耐酸、碱、微生物污染和耐氧化性能，材料耐用，便于再生、选择透过性。膜分离技术在环境工程中的应用饮用水的净化人类的饮用水, 由于环境污染、洪涝水灾、战争等原因, 造成水质恶化, 严重威胁着人类的健康与生存, 为此发达国家
4、和多数发展中国家对水的净化都给予了高度重视.水净化的主要内容是对饮用水的净化, 不仅要求去除水中的致病菌、病毒、有害的重金属离子, 而且还票求去除水中的有机物, 特别是象农药、表面活性剂、消毒剂副产品等。除菌或灭菌，杀灭去除病毒，除有机物，除金属离子，除硬度，除混浊色度等，都可由膜分离技术完成。水环境的恶化与膜技术的应用优势随着经济的发展, 人们在开发利用水资源的同时, 却带来许多负面影响, 如城市污水不经处理任意排放, 造成水体环境的整体性污染;对水资源的过度开采, 造成地面下沉和地表河流的干涸;过多地兴建水库, 大面积灌溉造成水体盐度上升及土地盐碱化甚至沙漠化现象;大量湖泊与河流富营养化,
5、 导致生物暴发, 藻类和孢子大量生长繁殖;更应注意到, 现在的供水增加了病毒和微生物致病的危险性, 城市越是接近完全的水再利用, 则病毒的势头就越来越大地威胁着人畜的健康。所谓生态环境的恶化, 人们最先感觉到的就是上述这类大面积水环境的恶化及其对生物生存条件的严重影响。因此人们在水环境的治理上可以说是生态修复跨出的第一步, 而膜技术则在这方面发挥了巨大作用。膜分离过程无相变, 无热过程, 无化学反应;以单元组合方式形成整体, 故装置易于大型化;对微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF 和 MS)和反渗透(RO)而言, 过程都以压力为推动力, 因此操作控制单一可靠。这些特点用于水的脱盐、水资源的
6、保障和大面积水环境的治理, 无论从技术上还是经济上都是其它化工分离单元过程所不能与之比拟的。当前全世界涉及膜技术的市场份额约为 45 亿美元/年, 实际上,其中主要部分都是由于水膜贡献的, 相信这种发展形势将会比我们现在认识到的发展得更快。低压膜改善水环境技术水体污染与生物暴发问题我国更是普遍存在,江河湖海都有不同程度的反映.以此作为市政供水的水源, 不仅处理成本高, 而且用水安全受到严重威胁。我国低压膜, 主要是超滤膜和微滤膜的生产技术和应用规模已经达到当代国际市场的要求, 纳滤膜已经在多方面成功应用。因此, 研讨和着手考虑低压膜大面积治理饮用水问题不仅适时而且必要对于我国水环境的恶化情况,
7、 虽然国家已斥巨资用于监督、保护和治理.但好转势头并不明显。淮河与太湖流域水体污染和生物暴发已经使该处水源接近可用的危险极限。对淮河、太湖流域重点断面的水质监测表明, 4 、5 月份淮河流域已经没有 级和优于级的水质。而太湖的一些区域藻类繁殖也是很突出的.这些问题既为水工业带来巨大困难, 也为低压膜技术带来机遇。我国低压膜技术已具有良好基础。超滤膜特别是中空纤维 UF 膜在国内国际都具有很强的竞争力;微滤膜生产量也已很大, 自制的 CMF 已经开始工业实用。但是应当看到, 我国 UF 和 MF 膜生产分散, 规模偏小, 开发力度不足, 技术进展缓慢, 应用上大都是小规模的分离浓缩;而 NF 膜
8、基本上还处于小批量试生产阶段, 更无大中规模的应用开发经验.低压膜改善水环境或工业规模处理市政供水, 尚未引起注意。在电被工业中的应用70 年代初期开始用反渗透膜法处理电镀废水, 并首先用于镀镍废水的回收处理, 此后又用于处理镀铬、被锌、镀铜、镀福漂洗水。由于技术上的可靠性和明显的经济效益, 因而被广泛的采用。我国反渗透技术处理镀镶废水, 于 1 9 7 9 年在北京广播器材厂镀铬生产线上应用。 漂洗水的 Ni 2+ 浓度为 1510mg/L2400m g/L,系统对铬的分离率是 97 %, 透水速度 410 士 10L/m2. D。对镶的回收率99 %. 反渗透设备投资在三年内收回。用电渗析
9、法处理含皿金月离子废水用电渗析法处理含重金属离子废水的一个成功的事例是刻蚀工艺和电子工业中印刷线路板抓化铜废水的处理, 在印制线路板生产工艺中, 用刻蚀铜箔的方法来生产线路板, 故有大量的被刻蚀下来的铜离子被水冲洗下来, 成为工业废水中的主要有害离子而被排放。一个年排废水 20 万 m3 的电路板小型工厂, 一年内就要排放掉将近 30t 金属铜, 这不仅浪费了铜资源,而且严重污染了环境。处理刻蚀工艺含铜废水的传统方法是中和沉淀法或者离子交换法。中和沉淀法存在着废水处理工程占地面积大, 耗用大里化学试剂以及处理后水中含盐量高, 尤其是 cl-含量高而不能直接回用的缺点, 而采用离子交换法处理,
10、因废水中铜离子浓度高, 则存在离子交换树脂负荷重,失效快和再生频繁, 运行费用商和易造成二次污染的弊端。但是在该离子浓度范围内恰恰是离子交换膜电渗析技术的最佳适用范围。所以采用电渗析法对该种废水进行预除盐, 使溶液中铜等离子浓度降低到离子交换法适用范围后, 再用离子交换法深度除铜。同时使水中含盐 t 大幅度降低, 尤其是能影响印制线路板质量的 Cl-等离子被深度脱除, 这样处理过的水便可回用; 同时, 将离子交换再生液返回到电渗析系统进行再处理; 从电渗析浓缩液中回收金属铜,整个处理工艺构成闭路循环系统, 是一种较经济合理的处理方法。 造纸废水的处理造纸工业中, 每生产 1t 纸浆, 约需要
11、100 m3 一 400 m3 的水, 其中 80 % 用洗净, 造纸废水主要来源于去皮, 熬煮、洗净、漂白、抄纸等主要工序。用膜法处理造纸废水的目的, 在于对废水中的某些成分进行浓缩、回收, 同时将透过水重新用到各工序中去。这里以我国开山屯化学纤维浆厂回收亚硫酸纸浆废液中的木质素和糖分为例加以说明。亚硫酸纸浆废液中, 一般含有 50%左右的有用物质, 其中半数以上是木质素, 以一种木质黄酸盐的形式存在废液中, 另外还有木质中的搪类( 如甘搏阵、半乳锗和木搪等), 约占废液中总固体含盆的 15% 30%, 这样的搪类都有一定的实用价值。而废液中的木质黄酸盐成分, 是具有广泛用途的一种原料。超池
12、法处理洗毛废水目前, 国内外普遍采用各种表面活性剂的水溶液, 在一系列的槽内洗毛。因此每年要排放大量废水。 洗毛废水成分复杂, 主要是泥沙、有机成分( 羊毛脂、洗涤剂、色素等)和无机成分(羊汗中的盐类、洗涤剂中的碱类)。如何有效地回收羊毛脂, 净化废水, 提高水的回用率, 治理环境污染, 乃是毛纺工业上的重要课题。70 年代, 由于腆分离技术的发展, 超撼开始运用于洗毛废水的处理. 由于超滤技术工艺简单, 成本和操作费用低, 处理过的水质明显得到改普, 所以引起人们浓厚的兴趣. 在超撼法处理洗毛废水的过程, 泥沙可通过一系列的除泥设备而大部分被除掉, 少数极细徽粒的泥沙和惫浮物可被超撼膜截留。
13、无机组分和洗涤剂、色素等小分子 t 物质可以透过膜进入撼液中。羊毛脂所以能被截留, 是因为在洗涤剂作用下, 废水中的脂类乳化成一定大小的油滴悬浮于水中, 其粒度在 0.01 拌 m 5 0 拌 m, 而超滤膜微孔孔径在 0.nZ m 0.4n m。因此理论上脂能被全部截留。这也正是超滤法处理洗毛废水的依据。但是目前国内外尚未见该工艺处理洗毛废水工业化的报道。多为实验室规模的运行装置。我们在天津毛条厂洗毛车间进行小试实验, 实验中采用滤膜为聚矾中空纤维膜。液膜法处理含酚废水通过液膜的快速传递,同时进行萃取与反萃取,从而达到分离与浓缩目的。将配制成的乳浊液分散于废水中,可形成液膜,液膜将废水相内水
14、相氢氧化钠溶液隔开,废水中酚透过液膜渗入内相,与水相破液形成酚钠, 酚钠不为溶剂所溶解, 因而无法透过液膜扩散返回废水中, 这样, 废水中酚便不断地通过液膜富集, 以达到除酚的目的。液膜法工艺分制乳, 接触及破乳等三步, 乳液经破乳后重复循环使用. 处理酚量可达 4000m g / L, 经二级或三级处理后, 除酚率可达 99 .9 % , 处理后废水可达排放标准。现已用于焦化废水、塑料厂废水山、混三甲酚废水、双酚 A、酚醛树脂及改性酚醛树脂生产废水的治理上。液膜法除酚率高、设备简单、处理效果好、能耗低、投资较少、应用范围广, 唯工艺复杂, 操作技术要求高。膜分离技术在环保中应用展望膜分离是一
15、种新兴的高效分离技术, 它是解决当代人类面临的能源、资源、环境等重大问题的重要新技术。环境科学的发展, 会对膜分离科学提出新的课题, 加快膜分离科学技术的提高, 同时膜技术的发展又势必更好地解决环境中的诸多难题。 我们确信膜分离技术在环保领城中的应用会不断扩展。展望未来, 我认为膜技术在环保中的应用将会有下述特点: 膜分离技术的关健在于离效的分离旗材料, 要求其有高通量和高选择性。 针对三座体系的复杂性, 必将会有更多新的膜材质投人使用。如在三废处理中, 由于使用条件的苛刻, 有些是有机膜分离材料无法满足的, 因此无机分离膜日益受到且视并取得重大发展。无机膜包括肉瓷膜、徽孔玻瑞金属膜和碳分子膜
16、. 目前无机膜只占膜市场 2% 左右, 但年增长速度为 30 % , 远快于有机膜。相对于高分子膜, 无机膜的优越性是不言而喻的, 可以在极端( 酸、碱、有机溶剂、高温)条件下应用, 而且再生效果好. 如采用陶瓷膜对硫酸法钦白粉生产中的废酸、废水中偏钦酸进行回收, 回收效率达100%，膜各项性质德定通过反冲手段, 膜通量基本稳定在初始水通量水平, 其原因可能在于酸性废水对膜的污染有抑制作用, 设备投资回收期小于 1 年. 目前我国已有管式陶瓷徽德膜的工业化生产。又如在膜分离介质上( 一般为超撼或徽滤膜) 利用其表面及孔内所具有的官能团, 将其活化, 接上具有整合功能的基团, 就形成既有过滤作用, 又具有整合功能的滤膜, 这样料液在通过膜过滤时, 体系中的金属离子就会被膜通过整合而捕捉, 然后通过改变条件使被整合的金属离子解离, 将其接收下
