动态膜分离技术研究进展

文章编号:1007-8924(2007)04-0091-05专题综述

动态膜分离技术研究进展

李晓波,胡保安,顾　平

(天津大学环境科学与工程学院,天津300072)

摘　要:介绍动态膜分离技术的概念,着重讨论影响动态膜分离性能的相关因素以及动态膜

在污水处理中的应用效果,指出动态膜技术具有良好的应用前景,但目前仍处于试验阶段,尚需深入研究.

关键词:动态膜;污水处理;研究进展中图分类号:TQ028.8 文献标识码:A 膜分离技术是当今水处理领域研究的热点,国内外均做了大量的研究工作[1-5],然而,膜污染及膜组件昂贵的价格是阻碍膜技术广泛应用的主要原因.动态膜分离技术采用大孔径材料制作膜组件,降低了膜组件的造价;同时,已有研究表明,动态膜的渗透性能更佳、抗污染能力显著提高[6-8].因此,动态膜作为一项新型的特殊膜分离技术正越来越多地受到国内外水处理技术研究者的关注[9-13].

1　动态膜分离技术

动态膜作为一种分离技术,包含动态膜的载体

及动态膜分离层本身.动态膜的载体指用来承载动态膜的大孔径材料,一般价格低廉、易得,常见的有不锈钢丝网、普通筛网、工业滤布、筛绢等多孔材料和一些高分子材料,如烧结聚氯乙烯管等.动态膜分离层是动态膜分离技术的主体,指依附于动态膜载体之上、执行分离功能的滤饼层或污泥层.它是通过错流过滤或死端过滤的方式将某种固体或胶体微粒沉淀在载体表面上形成的.用于形成动态膜的粒子种类较多,有粘土类矿物、粉状活性炭(PAC )、ZrO 2、MnO 2、聚乙烯醇(PVA )等,也可用被处理的废液中的某种物质作为成膜物质沉淀在载体上形成动态膜,如自生生物动态膜的成膜物质为污水中的活性污泥.目前国内外关于动态膜分离技术的研究主要

集中在影响动态膜分离性能的因素及操作参数的优化方面.

2　影响动态膜分离性能的因素

2.1　pH 的影响

p H 对ZrO 2动态膜和MnO 2动态膜的影响较为

明显,这是由于MnO 2动态膜和大多数ZrO 2动态膜都是通过化学反应来生成膜粒子的.

ZrO 2粒子的形成有两种方法:一种是提高含Zr 4+溶液,如无水ZrCl 4的水溶液的p H 来形成[14],

另一种是将ZrOCl 2加入到硫酸溶液中而形成[15].Zr 的水合氧化物在不同p H 下的特性不同,其粒子大小也不同.p H 较低时所生成的粒子粒径较小,随着p H 升高,粒径也逐渐升高.由于小颗粒需要更长的时间堵塞载体的孔隙,所以形成动态膜所需的时间也更长.Altman 等[16]的研究表明,动态膜的形成时间从p H 为3.5时的120min 减少到p H 为6时的45min ;Rumyantsev 等[16]的研究结果则分别是100min 和小于45min.蛋白质的截留率与p H 的关系不是很明显,p H 为3.5、5和6时形成的动态膜的截留率大于p H 为4时的动态膜.

MnO 2是KMnO 4的还原产物,其反应式为4KMnO 4+6HCOONa =4MnO 2↓+2K 2CO 3+

3Na 2CO 3+3H 2O +CO 2↑

收稿日期:2005-09-06;修改稿收到日期:2006-01-17

作者简介:李晓波(1970-),男,河南省人,博士生,主要从事水污染治理技术的研究.

第27卷　第4期膜　科　学　与　技　术

Vol.27　No.4

2007年8月MEMBRAN E SCIENCE AND TECHNOLO GY Aug.2007

KMnO4在酸性、中性、碱性条件下的氧化还原性质各不相同,因此不同p H条件下所制备的MnO2动态膜的性能有所差别.Muhammad等[17]研究结果表明,同一KMnO4浓度下,p H越高,MnO2沉淀越快,动态膜的过滤阻力越大,截留率越高.Cai等[18]的研究也表明,随着p H从3升高到9,MnO2动态膜的形成时间缩短,膜通量先降低后升高.

2.2　成膜物质浓度的影响

ZrO2动态膜和MnO2动态膜的性能也与反应物的浓度有关.

Chen[15]的试验证明,[H2SO4]/[ZrOCl2]比值越小,反应生成的ZrO2胶体粒子及形成的动态膜的孔径越小,动态膜的通量减小,截留率升高.同时,胶体粒子越均匀,动态膜的孔径分布范围也越窄,分离性能更好.如[H2SO4]/[ZrOCl2]比值为0.6时所形成的ZrO2动态膜,对牛血清蛋白的截留率为近100%,而葡萄糖可自由通过,分离效果极佳.

对于MnO2动态膜,同一p H时,存在一个最佳的KMnO4浓度值,这是因为MnO2粒子沉淀太多或太少对动态膜的性能都是不利的:粒子沉淀太多,将会堵塞膜孔,导致通量降低和运行时间减少; MnO2粒子沉淀太少,又不足以完全覆盖载体表面,致使出水浊度升高,分离效果变差,水质下降[19]. Cai等[18]发现,随着还原剂HCOONa浓度增加, MnO2动态膜形成时间缩短,纯水通量降低.

Li等[6]制备PVA复合动态膜时发现,涂膜液中PVA浓度增加,将使载体孔径变小,膜出水通量随之下降,但蛋白质的截留能力由质量分数0.1%时的约86%上升到质量分数0.8%时的97%左右.

2.3　载体性质的影响

载体的孔径会影响在该载体上形成的动态膜的性能.

对于自生生物动态膜载体的最佳孔径,大多数研究者均认为,虽然载体孔径为200μm和500μm 的动态膜同样可以截留活性污泥,但100μm最为合适,分离效果更好[8,20].

Li等[6]发现随着载体膜孔径的增大,PVA复合动态膜的通量升高,蛋白质截留率下降.

Altman等[16]对ZrO2动态膜的研究表明,孔隙率低、致密的载体,形成动态膜需要的时间短,动态膜的通量小且下降速度快,但出水水质好,浊度低,分离效果较好.

吴盈禧[21]用具有空间网状结构的材料代替了原来单编织的筛绢后,自生生物动态膜的过滤性能有了明显改善,在40L/(m2・h)的通量下,自生生物动态膜反应器稳定运行了33天,压差由零上升到245Pa.

2.4　错流速度的影响

错流速度对出水通量的影响,不同研究者的结论不同.Li等[10]认为,随着错流流速的增加,出水通量反而减小.而Noor等[9]在试验中发现在一定的错流速度范围内,稳定状态时的出水通量是相似的.因此认为,决定动态膜性质的主要因素不是错流速度,而是错流速度和高岭土浓度的相互结合.高岭土浓度为333mg/L,错流流速为1.6m/s时形成的动态膜性能最好,此时的出水通量的下降速度较为缓慢,且最初的出水浊度最低,仅为2.1N TU.

2.5　后处理条件的影响

Altman等[16]对试验中所形成的ZrO2动态膜进行了后续处理,用该动态膜过滤聚丙烯酸(PAA),得到ZrO2-PAA复合膜.有效膜孔径的比较及过滤试验均证明PAA后处理对于ZrO2动态膜来说是十分必要的,它可以降低有效孔径,增加截留率.

后处理对PVA复合膜的性能的影响是十分明显的.Li等[6]试验结果表明,浸泡在80℃纯净水中进行后处理24h后,PVA膜的通量比未经后处理的膜高许多,而它们的蛋白质截留率相差不大,经过后处理的复合膜的蛋白质截留率仍相当高.这是由于在后处理时,起成孔作用的添加剂被更完全地分离出去,一些在交联反应中未交联的短链PVA分子,可以在热水浸泡过程中溶解入水里.另一方面,经80℃的热水处理后,膜的蛋白质截留率维持不变,说明了PVA复合膜的稳定性.以上结果表明,这种后处理可以改善PVA复合膜的总体表现,既提高了通量和稳定性,又不改变其蛋白质截留率.

3　动态膜分离在污水处理中的研究

动态膜优良的分离效果主要通过出水的悬浮固体(SS)浓度来体现,膜通量的大小和过膜压力则表征了动态膜的渗透性能.目前动态膜分离技术正在发展过程中,在污水处理中的应用还处于实验性尝试阶段,研究最多的是自生生物动态膜.

3.1　自生生物动态膜

自生生物动态膜的制备较为简单.一般采用某种廉价的大孔径过滤材料(如尼龙纤维滤网、筛绢、

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