绿色化学的膜分离技术在水处理中的应用_兰会贤

在保证产量的情况下减少用量的有效途径之一 是提高转化率和减少损失率 ; 标准。 1 3 2 重复使用 ( Reuse) 重复使用是降低成本和减废的需要, 如化学 工业过程中的催化剂或载体等, 从设计开始就应 考虑要重复使用。 1 3 3 回收 ( Recycling) 回收主 要包括要 回收未反 应的原料、副产 物、助溶剂、催化剂、稳定剂等。 1 3 4 再生 ( Regeneration) 再生是变废为宝, 节省资源、能源, 减少污 染的有效途径, 要求在工艺设计中应考虑有关原 材料的再生利用。 1 3 5 拒用 ( Re ject io n) 拒绝在化学过程中采用那些无法替代 , 又无 法回收、再生和重复使用有毒或对环境污染作用 明显的原材料。 减少废气、废水 及废弃物 ( 副产物 ) 排放量 , 且必须满足排放
的条件下进行反应 , 以减少废物向环境排放; 提高原子的利用率 , 力图使所有作为原料的原子 都被产品所消纳 , 实现 零排放 ; 生产出有 利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好 产品。 1 3 5R 理论 为了更明确表述绿色化学在资源使用上的要 求, 人们提出了 5R 理论。 1 3 1 减量 ( Reduction) 减量是从节省资源, 减少污染角度提出的:
集中起来。在压缩过程中, 已存在的空化泡被大 大压缩、崩溃 , 在极小的 空间内将 能量释 放出 来, 产 生 瞬 时 局 部 高 温 ( 5000K ) 和 高 压 ( 50 7MP a), 即所谓的 热点 , 空化过程中伴
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随着的高温可导致自由基 - OH 、 - H 和超临 界水的形成及声致发光现象 , 高压将在液体中产 生强大的冲击波 ( 均相 ) 或 > 110m / s 的高速射 流 ( 非均相 ), 可以大大加速与促进氧化还原反 应, 特别是使一些需要较高温度与压力的非均相 反应可在常态下顺利进行。 该法具有 少污染或 无污染、设 备简单 等优 点, 同时还有杀菌消毒功效 , 是一种很有潜力的
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2 绿色化学在水处理中的应用
2 1 高级氧化技术 ( AOP5 ) AOP5主要包括 O3 /UV 法、 UV /固相催化剂 法、 H 2 O2 /UV 法、 H 2 O2 /F e 法、 O3 /H 2 O2 法 等。其 原 理 是 反 应 中 产 生 氧 化 能 力 极 强 的 - OH , - OH 能够无选择性地氧化水中的有机 污染物 , 使之完全氧化为 CO2 和 H 2 O。 AOP5 技 术经济指标先进、无毒、无污染 , 是典型的绿色
混合物的不同化学性质分离物质, 物质通过分离 膜的速度 (溶解速度 ) 取决 于进入膜的速 度和 进入膜的表面扩散到膜的另一表面 的速度 ( 扩 散速度 ), 而溶解速度完全取决于被分离物与膜 材料之间化学性质的差异, 扩散速度除化学性质 外, 还与物质的分子量有关 , 速度愈大 , 透过膜 所需的时间愈短, 混合物中各组分透过膜的速度 相差愈大 , 则分离效率愈高。 3 3 在废水处理中的应用 3 3 1 微滤 微滤是根据筛分原理以压力差作为推动力的 膜分离过程。属于压力推动的膜工艺, 主要适合 对悬浮液和乳液进行截留或浓缩以及低浊度液体 的除菌。在 50~ 100kP a 给定压力下 , 溶剂、盐 类及大分子物质均能透过 孔径为 0 1~ 20 m 的 对称孔膜 , 只有直径大于 50nm 的微细颗粒和超 大分子物质被截留 , 从而使溶液或水得到净化。 目前形成商品生产的微滤膜以纤维素酯等材料为 主, 以聚酰胺、聚偏氟 乙烯、聚砜、聚丙烯 腈、 聚丙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯等材质的微滤膜 已有商品出售。 微滤技术在油田注水方面发挥了较大作用, 国内的应用主要是 PE 烧结微孔管、折叠式微孔 膜过滤芯及中空纤维超滤组件等。处理水中的微 粒精度可达 1~ 2 m 以上的微粒含量在 2mg /L 以 内。微滤也可用在 与生物反应器 耦合处理 各种 废水。 3 3 2 超滤 超滤是介于微滤与纳滤之间的一种膜过程。 与微滤一样, 超滤膜也被视为多孔膜, 主要用于 分离溶液中的大分子、胶体和微粒。同样, 超滤 膜的原理可用筛分机理来解释, 其截留率取决于 溶质相对于膜孔径而言的尺寸和形状。超滤分离 技术主要是以压力差为推动力, 分离膜的孔径在 0 0015 ~ 0 02 m 之 间, 推 动 压 力 在 100 ~ 1000kP a , 溶液脱大分子及大分子分级。超滤膜 的制造材料多为有机高分子材料, 种类繁多。 超滤技术在废水处理中有广泛应用。在处理 车床、清洗设备产生的废水时 , 废水为乳白色, 含 油 1000 ~ 5500m g /L, COD 高 达 10000 ~ 50000m g /L, p H 为 9 0 ~ 11 5 。处 理 后出 水 透
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兰会贤
绿色化学的膜分离技术在水处理中的应用
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何形态的不同 , 用过筛的方法将其分离 ;
根据
明 , 含油低于 10m g /L, COD 为 1700 ~ 5000m g / L, 油去除率为 99 % 以上。 特别在油田污水 处理上采 用超滤 技术有特 点: 可以截留 0 1 m 以上的物质, 包括大于 0 1 m 的悬浮颗粒、几乎所有的细 菌都将被截 留 , 污水中固含量、细菌和粒径中值达标率可大 幅度提高 ; 可以使污水 中的乳化油 破乳并聚 集 , 从而截留水中的乳化油和溶解油 , 使污水的 含油量达标率进一步提高; 细菌被截留后可以 减轻由于 SRB 引起的硫 化物含量上升问题, 硫 化物含量达标率可明显提高 , 同时可缓减细菌和 硫化物造成的腐蚀问题 , 水质稳定性得到提高。 此外, 还可减少硫化物与铁腐蚀产物形成的硫化 亚铁颗粒, 减轻随之形成的地层堵塞问题 , 提高 注水开发效果。 3 3 3 反渗透 反渗透是以压力差为推动力 , 分离膜的孔径 小于 0 002 m, 推动压力在 0 1~ 10 M Pa , 主要 适用于低分子无机物和水溶液的分离。利用反渗 透膜只能透过水而不能透过溶质的选择透过性 , 可从某一含有各种无机物、有机物和微生物的水 体中, 提取纯水的分离过程。 反渗透水处理技术广泛用于电子、电力、医 药、化工、饮料、冶金等领域, 它是超纯水和纯 水制备的优选方法。国内学者采用反渗透的方法 处理橡胶工业废水。另外, 在废水处理中 , 反渗 透还常用来去除重金属离子以及贵重金属的浓缩 回用等。可采用反渗透分离技术处理高含盐的采 出水。 3 3 4 纳滤 纳滤是膜分离技术的新兴领域, 其截留分子 量介于 反 渗 透 膜 和 超 滤 膜 之 间 , 约 为 200 ~ 2000 , 由此推测纳 滤膜可能拥有 1nm 左右的微 孔结构 , 故称之为纳滤。纳滤膜大多是复合膜 , 其表面分离层由聚电解质构成, 因而对无机盐具 有一定的截留率。纳滤也是根据吸附扩散原理 , 以压力差作为推动力的膜分离过程。它兼有反渗 透和超滤的工作原理。在此过程中, 水溶液中低 分子量的有机溶质被截留, 而盐类组分则部分透 过非对称膜。纳滤能使有机溶质得到同步浓缩和 脱盐, 而在渗透过程中溶质损失极少。纳滤膜能 截留易透过超滤膜的那部分溶质 , 同时又可使被
( 0351 ) 8 - 828, E - m ai: l lanhu ix ian@
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兰会贤 : 工程 师。 2000 年毕 业 于 太原 理 工 大学 化 工 机械 专 业。联 系 电 话: 126 com。
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CHEM ICAL ENG INEER ING DE SIGN
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水处理技术, 其中由于光催化氧化法最为经济而 成为研究的热点。 2 2 超临界水氧化法 ( SCW O) 超临界水是指在温度和压力分别超过临界温 度 374 和临界压力 22 M Pa 时 , 处于超临界状态 的水。超临界水对 有机物和氧气 都是极好 的溶 剂, 有机物的氧化可以在富氧的均相中进行, 反 应不会因相间转移而受限制。 SC WO 具有无需催化剂、停留时间短、去除 效率高、清 洁、广 谱等优 点, 可 用于 化工、医 药、食品、军事工业和核工业废水以及城市污水 的处理, 但目前国内大多仅是实验室的研究。 2 3 电催化氧化法 电催化氧化法利用电解时特种电极材料的催 化作用产生 - OH , 使有机污染 物完全氧 化为 CO 2 和 H 2 O。该法处理效果好且速度快 , 占地面 积小 , 实施过程无污染 , 后处理简单, 不产生毒 害中间产物, 是一种绿色水处理技术。 目前 , 电催化氧化法在含烃、醛、醇、醚、 酚及染料等有机污染物的处理中逐渐得到应用, 但是尚存在实用的 电极材料不多 , 电极寿 命不 长, 能耗较大等缺点。在实际应用方面 , 需要解 决有效抑制析氢析氧等副反应, 提高电流效率, 改进填料、电源方式等问题。 2 4 超声波降解技术 超声波降解技术的原理是超声波以一定频率 与强度作用于液相反应系统 , 液体的密度降低到 足以使液体介 质中 瞬时崩溃的微小 撕裂 出大量瞬间生 成又 空化泡 , 从而将声场的能量
根据混合物的不同化学性质分离物质物质通过分离膜的速度溶解速度取决于进入膜的速度和进人膜的表面扩散到膜的另一表面的速度扩散速度而溶解速度完全取决于被分离物与膜材料之间化学性质的差异扩散速度除化学性质外还与物质的分子量有关速度愈大透过膜所需的时间愈短混合物中各组分透过膜的速度相差愈大则分离效率愈高
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3 膜分离技术的应用与研究
作为一种新型的分离技术, 膜分离技术既能 对废水进行有效净化 , 又能回收一些有用物质 , 同时具有节能、无相变、设备简单、操作方便等 特点, 因此在废水处理中得到了广泛的应用 , 显 示广阔的发展前景。 3 1 定义 膜分离技术是以选择透过膜为分离介质 , 当 在两侧施加某种推动力时, 原料组分就会选择性 透过膜 , 通过膜将有用物质筛选出来 , 从而达到 分离和提纯的目的。 3 2 原理 膜分离过程中 , 利用膜的选择透过性 , 在膜 的两侧施加如压力差、浓度差或电位差等某种推 动力, 原料侧组分选择性透过膜以达到分离提纯 的目的。这一传递过程极其复杂 , 通过多孔型的 膜有孔模型、微孔扩散模型、优先吸附 - 毛细管 流动模型; 通过非多孔膜的主要是溶解 - 扩散模 型等, 因而不同的膜过程使用不同的膜, 推动力 不同, 其传递机理也不同。 膜可以是固相、液相或气相 , 膜的结构可是 均质或非均质的, 膜可以是中性的或带电的 , 但 必须具有选择性通过物质的特性。它的工作原理 为: 根据混合物物质的质量、体积、大小和几
关键词
1 绿色化学概述
1 1 定义 绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学 或清洁化学, 是指 化学反应 和过程以 原 子经 济性 为基本 原则, 即在 获取新物 质的化 学反 应中充分利用参与反应的每个原料原子 , 在始端 采用实现预防污染的科学手段, 因而过程和终端 均为零排放和零污染, 是一门从源头阻止污染的 化学。绿色化学不同于环境保护, 绿色化学不是 被动地治理环境污 染, 而是主动 地防止化 学污 染, 从而在根本上切断污染源, 所以绿色化学是 更高层次的环境友好化学。为实施可持续发展战 略, 在水处理技术和水处理药剂的研究、开发和 应用中进一步实施绿色化学理念是水处理发展的 重要方向之一。 1 2 特点 绿色化学的主要特点是 : 能源 , 采用无毒和无害的原料; 充分利用资源和 在无毒和无害
兰会贤
绿色化学的膜分离技术在水处理中的应用
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绿色化学的膜分离技术在水处理中的应用
兰会贤* 摘要 北京中寰工程项目管理有限公司太原分公司 太原 030006
介绍膜分离技术原理、特点及分 类 , 阐明 膜分离技 术在水 处理中 的应用 , 分析目 前存在的 问 绿色化学 膜分离技术 水处理 应用
题 , 提出改进意见。
水处理新技术。但由于能量转化效率和能耗的关 系 , 还未在实际中大规模的应用。 2 5 膜分离技术 膜分离技术是一项新兴的高效分离技术 , 它 具有物质不发生相变, 分离系数大, 在常温下进 行 , 装置简单, 适用范围广, 操作方便等特点。 在废水处理中可实现水的闭路循环, 符合可持续 发展战略的绿色理念, 在水处理技术领域被广泛 应用。它包含微滤、超滤、渗析、电渗析、纳滤 和反渗透、渗透蒸发、液膜等。 膜分离技术在环境保护领域的应用越来越广 泛 , 已经应用于含油废水、电厂循环冷却水、饮 用水的深度处理、锅炉脱盐水、高浓度生活污水 等处理过程中。但是, 膜分离法对进水水质要求 高 , 膜需要定期清洗, 存在着经常性运转费用较 高等问题。