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1、膜分离技术及其水处理的工业 应用杨元转，史诺冰，薛亮，郭锐，赵月红 （陕西理工学院生物学院，汉中， 723001）主要内容：膜分离技术在废水处理中的应用、进展 。膜分离技术作为一种能耗低、设备简单 、操作方便和分离性能好的分离技术，正 日益受到广泛的关注。着重介绍了超滤、纳滤、乳化液膜及膜 生物反应器等膜分离技术的特点及其在各 种工业废水和生活废水处理中的应用。膜分离技术及其水处理的工业应用v1 膜分离过程与膜分离技术v1.1膜分离过程v1.2 膜分离技术 v2 膜分离技术的水处理应用v2.1 超滤膜分离技术在废水处理中的应用v2.2纳滤膜技术在废水处理中的应用v2.3乳化液膜技术在废水处理中
2、的应用v2.4膜生物反应器技术在废水处理中的应用v3膜分离技术的发展现状与展望v3.1膜分离技术的发展现状v3.2膜分离技术的展望:1 膜分离过程与膜分离技术1.1膜分离过程膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质 ,当膜两侧存在某种 推动力(如压力差、浓度差、电位差、温度差等)时 ,原料侧组分选 择性地透过膜 ,以达到分离、提纯的目的。不同的膜过程使用不同 的膜 ,推动力也不同。目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤(MF)、超滤(UF)、 纳滤(NF)、反渗透(RO) 、渗析(D) 、电渗析( ED) 、气体分离( GS) 、渗透汽化( PV) 、乳化液膜( ELM)、膜生物反应 。 1.2 膜
3、分离技术 超滤(UF)、纳滤(NF)、乳化液膜( ELM)、膜生物反应器(MBR)这 四大过程在技术上已经相当成熟 ,已有大规模的工业应用 ,形成了 相当规模的产业 ,有许多商品化的产品可供不同用途使用。 表1 几种主要的膜分离过程膜过程传递机理推动力透过物膜类型微滤(M F) M icr-F iltration颗粒大小压力差水, 溶剂, 溶解物多孔膜超滤(U F) U ltra F iltration分子特性大小形 状压力差水, 溶剂, 小分子非对称性膜钠滤(N F) N ano-F iltration离子大小及电荷压力差水, 一价离子复合膜反渗透(RO) Reverse- Osmosis溶
4、剂的扩散传递压力差水, 溶剂非对称性膜, 复合膜电渗析(ED) Elect ro_D ialysis电解质离子的选 择性传递电位差 电解质离子离子交换膜气体分离(GS) Gas2 Separat ion 气体和蒸汽的扩 散渗透压力差渗透性的气体或蒸 汽均相膜, 复合膜, 非对 称性膜渗透蒸发(PV ) PerV apo rat ion 选择传递 压力差易渗透的溶剂或溶 质均相膜, 复合膜, 非对 称性膜2 膜分离技术的水处理应用 v近年来，膜分离技术应用干废水处理是一项重大的 技术突破，既能对废水进行有效的净化，又能回收 一些有用的物质，因此在废水处理中得到了广泛的 应用并显示了广阔的发展前景
5、。本文主要对超滤膜 ，纳滤膜、乳化液膜以及膜生物反应器技术在废水 处理中的应用和发展进行综述。v2.1 超滤膜分离技术在废水处理中的 应用v 超滤(Ultra-Filtration ,UF)是一种压力驱动的膜分离 过程，是根据分子的大小和形态而分离的筛选机理 进行分离的 v超滤膜在废水处理中的应用超滤膜在废水处理中的应用1 含油废水处理v机械行业工件的润滑、清洗和石化行业的炼制及加 工等会产生含油废水，其油一般为漂浮油、分散油 和乳化油三种形式存在。其中乳化油的分离难度最 大，用电解或化学法破乳使油粒凝聚的费用较高， 而超滤就不需要破乳直接可将油水分离，特别适用 于高浓度乳化油的处理和回收。超
6、滤处理乳化油废 水时，界面活性剂大部分可透过，而超滤膜对油粒 子完全阻止，随浓度增加油粒子粗粒化成为漂浮油 浮于液面上，再用撇油装置即可撤除。超滤膜在废水处理中的应用2 城市污水的处理v 污水再利用不仅减轻环境污染，而且也是 解决水资源短缺的有效方法。城市污水经二 级生化处理后进行超滤，可进一步降低水的 浊度、色度及有机物。超滤出水可作为循环 冷却水、造纸用水等对水质要求不太高的工 业用水水源。超滤膜在废水处理中的应用3 电泳涂漆水处理v电泳涂漆是对汽车、冰箱摩、托车等的壳体镶上底 漆的工艺，完成后需用水漂冼去掉浮漆，为防止洗 出漆的损失而且应工艺要求，必须将漆水分离以回 收漆。超滤是一种十分
7、理想的回收漆的方法。经超 滤分离后，漆返回漆槽回收，清水则返回清洗水箱 继续使用。这样既提高了漆的利用率由减少污水处 理费用。在超滤膜运行中，应注意防止霉菌繁殖使 膜变质，病毒堵塞滤膜，因此应定期在滤液中投加 适量的防霉剂。2.2纳滤膜技术在废水处理中的应用v纳滤膜的简介v纳滤膜（Nanofiltration membrane，NF）又称疏松 型反渗透膜，它是介于反渗透与超滤之间的一种膜 分离技术， 但纳滤膜多数为荷电膜，其对无机盐的 分离行为不仅受到化学势梯度控制，同时也受到电 势梯度的影响，其表面由一层非对称性结构的高分 子与微孔支撑体结合而成，以压力差为推动力，对 水溶液中低分子量的有机
8、溶质截留，而盐类组分则 部分或全部透过，从而使有机溶质得到同步浓缩和 脱盐的目的。纳滤膜在废水处理中的应用v1含重金属废水的处理v 在金属加工和合金生产废水中，含有浓度相 当高重金属离子。将这些重金属离子生成氧氧 化物沉淀除去是处理含重金属的废水一般的措 施。采用纳滤膜技术，不仅可以回收90以上 的废水，使之纯化，而且同时使重金属离子含 量浓缩10倍左右，浓缩后的重金属具有回收利 用的价值。如果条件控制适当，纳滤膜还可以 分离溶液中的不同金属。纳滤膜在废水处理中的应用v2造纸废水的处理v造纸厂冲洗废水中含有大量污染物，纳滤膜 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泊过
9、程中产生的 氯化木质素。同样地，用纳滤膜处理含有硫 酸木质素等有色化合物的废水，既能除去90 以上的COD，膜通量甚至比聚砜超滤膜还 要高3倍。高通量可能是由于带负电性的纳滤 膜截留了带负电性的硫酸木质素。纳滤膜在废水处理中的应用v3化学工业废水的处理v 处理化学工业废水的常用方法是浓缩后焚烧或曝气。而且 浓缩时需要除去废水中的盐分，因为要是浓缩成高盐度的废 水，这种废水会对焚烧炉或暖气装置产生更大腐蚀。另外， 废水中含有许多生物不能降解的大分子有机物。这些问胚只 有用纳滤膜才能有效解决。纳滤膜在浓缩水中有机成分 的同时，让盐分透过，从而达到分级分别处理。经 浓缩后的已脱盐废水可以去曝气而透过
10、液则可经 生化处理成无害的排放维。纳滤膜在废水处理中的应用v4石油工业废水的处理v在石油开采和炼制过程中，会产生各种含有机物和 无机盐的废水，成分非常复杂。采用纳滤膜将原油 废水分离成富油的水相和无油的盐水相。然后把富 油相加入到新鲜的供水中再进入洗油工序，这样既 回收了原油又节约了用水。石油工业的含酚废水中 酚类物质毒性很大，必须脱出后才能排放。采用纳 滤技术，不仅酚的脱除率可达95%以上，而且在较 低压力下就能高效地将废水中的镍、汞、钛等重金 属高价离子脱除，其费用比反渗透等方法低得多。纳滤膜在废水处理中的应用v5食品工业废水的处理v袁其朋等采用超滤、纳滤组合工艺对大豆乳清废水 进行了处理
11、实验。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， 其中功能性地聚糖水苏糖和棉子糖的截留率高达 95%以上，浓缩液中总糖质量分数达8.72，再经 活性炭脱色和离子交换脱盐及真空浓缩，即可得到 透明状大豆低聚糖糖浆。该法的优点在于既解决了 废水的排放问题，同时又通过回收利用增加了经济 效益。另外，纳滤膜技术在生活污水印染废水以 及酸洗废液等方面的处理也有广泛的应用。2.3乳化液膜技术在废水处理中的应用v液膜及乳化液膜简介v 液膜技术是60年代中期由美国埃克森研究与工程公司的 黎念之博士提出的一种膜分离方法，直到l 986年奥地利的 Marr等科学家采用液膜法，从
12、粘胶废液中回收锌获得了成 功，液膜分离技术才进入了实际应用阶段18l。液膜主要由 膜溶剂(水或有机溶剂)，表面活性剂(乳化剂)和添加剂组成 ，按其构型和操作方式的不同，可分为乳状液膜和支撑液 膜，其中乳状液膜更为常用。 v乳状液膜可看成为一种水/油/水”型(W/O/W)或“油/水/油”型 (O/W/O)的双重乳状液高分散体系，将两种互不相溶的液相 通过高速搅拌或其它方法(如超声波法、喷管法等)制成乳状 液，然后将其分散到第三种液相(连续相)中，就形成了乳状 液膜体系。乳状液膜表面积大，传质速度快，可以有目的 地控制其选择性。乳状液膜处理废水的过程分3步进行v乳状液膜处理废水的过程分3步进行：v
13、1制乳v 对不同废水，需选择不同的膜溶剂、表面活性剂和内保相搅拌后制成的W/O乳液；乳化 型液膜的制备较为简单直接将优选的膜配方材料加入制乳设备中即可。制乳设备的工作 原理有机械搅拌、胶体磨、超声波等。v2传质v 将W/O乳液分散到待处理废水中，形成W/O/W乳液。废水中的待分离组分，通过选择性 渗透、化学反应、萃取和吸附等作用进入内包相，与内包相中的特定组分发生反应，从而 富集于内包相。v3破乳v W/O/W乳液经一段时间传质后，静置，分层，水层为出水，油层为油相与内包相的乳状 液，利用电场或机械力破坏油层乳状液，使油相与内包相分开，油相循环使用，富集了被 分离物的内包相进行回收或处理后废弃
14、。v 破乳的目的是为了回收使用过的乳液内相和有机相。破乳效果的优良与否。直接关系 到液膜技术的技术经济可行性，因此此环节十分重要。v 破乳方法分为化学破乳法和物理破乳法。通过调节pH值或投加化学破乳剂使液膜体系 失稳的方法叫化学破乳法。通过加热、离心分离以及高压电场的静电引力来使液膜体系失 稳的方法叫物理破乳法。乳化液膜在废水处理中的应用 v1处理含酚废水旧v液膜法除酚效率高，流程简单，可处理低浓度，高 浓度含酚废水。华南理工大学环境研究所采用液膜 法两段逆流连续萃取除酚，将LMS-2、煤油、表面 活性剂，氢氧化钠水溶液混合搅拌制成乳状液，处 理后的工业含酚废水中酚含量从1000mg/L降至
15、0.5mg/L。破乳后可从内水相中回收酚钠盐，油相 则循环利用。目前，我国在液膜处酚技术方面已进 入工业应用阶段。乳化液膜在废水处理中的应用v2分离废水中的有机物、无机酸v 美国科罗拉多矿业大学的wang研究了用液膜法去 除水溶液中的多种有机酸成分。如两种有机酸溶质 体系(间甲酚/安息香酚、酚/苯基乙酸)和3种有机溶 质体系(酚/安息香酚/苯基乙酸)。以总浓度为 0.012mg/L的间甲酚/安息香酸溶液的分离实验为例 ，随膜相与外水相接触时间延长，外水相中间甲酚/ 安息香酸不断减少直至平衡，安息香酸可去除95% 左右，间甲酚剩余较多。乳化液膜在废水处理中的应用v3去除重金属离子v奥地利Graz
16、工业大学的Marr等人采用乳状液 液膜分离技术，对去除牯g 胶废水中的 Zn2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、Cr3+、Ni2+ 等重金属离子做了大量的实验。表明除Ni2+ 外，其它金属离子的去除率均高于992.4膜生物反应器技术在废水处理中的 应用 v膜生物反应器简介 v 膜生物反应器(Membrane bioreactorMBR)废水处理技术是把膜分离技术与 废水处理中的活性污泥工艺相结合，将生物反应器与膜组件联用的一项技术。v其流程为：原水进入生物反应器与生物相充分反应后，再循环泵的作用下，流经 膜组件，排放过滤出水，生物相回流人生物反应器。v膜组件取代了传统工艺的二次沉淀池，且比之传统工艺有许多优点： v(1)膜生物反应器中同时进行生物处理和过滤消毒作用，所以其出水水质良好；v(2)在反应器中可获得较高的微生物浓度，提高处理负荷；v(3)水力停留时间与污泥龄完全分离，使生物处理过程易于控制且具有更高的可v靠性和灵活性； v(4)可以截留短时间难于降解的大分子有
