膜分离技术处理工业废水的应用

膜分离技术处理工业废水的应用现状及发展趋势

摘要：本文阐述了膜分离技术基本原理及其特点、分离膜需要具备的条件，介绍了膜分离技术在工业废水处理中的应用情况，提出了膜分离技术发展趋势。

关键词：膜分离技术；废水处理；发展趋势

膜分离技术是在20世纪初出现、20世纪60年代迅速崛起的一门分离新技术，膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法，与传统分离操作(如蒸发、吸附、萃取、深冷分离等)相比较，过程不发生相变，可以在常温下操作，具有能耗低、效率高、工艺简单等特点，受到世界各技术先进国家的高度重视，投入大量资金和人力，促进膜技术迅速发展，使用范围日益扩大，广泛应用于工业废水等处理过程，给人类带来了巨大的环境效应。膜分离技术应用到工业废水的处理中，不仅使渗透液达到排放标准或循环生产，而且能回收有价资源。

1. 膜分离技术的基本原理和特点

1.1 膜技术在水处理中应用的基本原理是：利用水溶液（原水）中的水分子具有透过分离膜的能力，而溶质或其他杂质不能透过分离膜，在外力作用下对水溶液（原水）进行分离，获得纯净的水，从而达到提高水质的目的。总的说来，分离膜之所以能使混在一起的物质分开，不外乎两种手段。

1.1.1 根据混合物物理性质的不同——主要是质量、体积大小和几何形态差异，用过筛的办法将其分离。微滤膜分离过程就是根据这一原理将水溶液中孔径大于50 nm的固体杂质去掉的。

1.1.2 根据混合物的不同化学性质。物质通过分离膜的速度取决于以下两个步骤的速度，首先是从膜表面接触的混合物中进入膜内的速度(称溶解速度)，其次是进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。二者之和为总速度。总速度愈大，透过膜所需的时间愈短；总速度愈小，透过时间愈久。

1.2 膜分离技术的特点

膜分离技术是以高分子分离膜为代表的一种新型流体分离单元操作技术。在膜分离出现前，已有很多分离技术在生产中得到广泛应用。例如：蒸馏、吸附、吸收、苹取、深冷分离等。与这些传统的分离技术相比，膜分离具有以下特点：

(1) 膜分离通常是一个高效的分离过程。例如：在按物质颗粒大小分离的领域，以重力为基础的分离技术最小极限是微米，而膜分离却可以做到将相对分子质量为几千甚至几百的物质进行分离(相应的颗粒大小为纳米)。

(2) 膜分离过程的能耗(功耗)通常比较低。大多数膜分离过程都不发生“相”

的变化。

(3) 多数膜分离过程的工作温度在室温附近，特别适用于对热过敏物质的处理。

(4) 膜分离设备本身没有运动的部件，工作温度又在室温附近，所以很少需要维护，可靠度很高。

(5) 膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，而它的效率、设备单价、运行费用等都变化不大。

(6) 膜分离由于分离效率高，通常设备的体积比较小，占地较少。而且膜分离通常可以直接插入已有的生产工艺流程，不需要对生产线进行大的改变。

2. 分离膜具备的基本条件

2.1 分离性

关于膜的分离性能，有以下二个要点：

2.1.1 分离膜必须对被分离的混合物具有选择透过(即具有分离)的能力。

2.1.2 分离能力要适度。它是根据被分离混合物的原始状态和分离后要达到的目标来合理确定的。

2.2 透过性

能够对被分离的混合物进行有选择的透过是分离膜的最基本条件。需要除去的物质透过速度与通过的物质透过速度之比为分离效率。分离膜的透过性能是它处理能力的主要标志。我们希望在达到所需要的分离率之后，分离膜的透量愈大愈好。

2.3 物理、化学稳定性

目前所用的分离膜大多数是以高聚物为膜材料、需要定期更换。这是因为高聚物在长期使用中，与光、热、氧气或酸、碱相接触，容易老化。膜分离过程中除上述因素外，还有其他因素。例如有些反渗透过程或气体分离过程是在几十到上百个大气压下进行的。高聚物膜长期处在高压下，会发生被压密现象，它会使膜在长期使用中透量慢慢减少(这种变化是不可逆的)，终至达到不能使用的极限。又如，膜在使用过程中与混合物接触的表面会被各种各样的杂质所污染，它们遮住了膜的表面，阻碍了被分离混合物的直接接触，等于减少了膜的有效使用面积，还有一些污染物会破坏高聚物的结构。污染造成的膜性能减退大部分可以通过清洗的方法使它基本上恢复。膜的更换周期关系着生产成本，十分重要。

2.4 经济性

分离膜的价格不能太贵，否则生产上就无法采用。分离膜的价格取决于膜材料和制造工艺两个方面。

综上所述，具有适度的分离率、较高的透量、较好的物理、化学稳定性和便

宜的价格是一张具有工业实用价值分离膜的最基本条件。

3. 在工业废水处理中的具体应用

膜分离技术在工业水处理中的主要应用方向为工业用水中的物质回收与水

资源再利用、工业废水的治理等。下面着重介绍其在淀粉污水、含酚废水、含氰废水、含重金属废水和含油废水处理中的应用。

3.1 淀粉污水处理

针对传统污水处理方法中蛋白质去除率较低，而COD负荷增加问题，采用膜处理装置进行试验研究。周晶晶，金鹰[2]在膜分离技术的基础上，以调节豆浆废水、淀粉废水等电位点作为预处理，采用中空纤维膜装置进行超过滤，并对温度影响作定性分析。结果表明：膜分离技术可以大大提高这两种废水中COD的去除率，分别为76.13%和82.19%。另外，适当的温度可以提高污水处理的效率，试验得出20℃时效率最佳。

3.2 含酚废水处理

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。贺增第等[3]进行了中空纤维膜萃取酚的实验研究，膜材料为聚砜，配合萃取剂为50%磷酸三丁酯(TBP)-煤油溶液；经过2级膜萃取，废水中酚的质量浓度由1223.53mg/L 降到45.85mg/ L，去除率达到96.3%。李健生等[4]采用聚偏氟乙烯为中空纤维膜，以煤油-50%磷酸三丁酯为萃取剂，对含酚废进行了实验，废水的酚质量浓度可从1223mg/ L降到45mg/L，去除率达96%以上，排出的废水中酚含量符合国家排放标准。王志强等[5]采用了一种新的硅橡胶复合中空纤维超滤膜处理苯酚废水。采用的复合膜硅橡胶厚度小于10m，较前人使用硅橡胶管处理废水时苯酚的透过速率大大加快。处理高质量浓度(8.1977g/L)和低质量浓度(0.1939g/L)的苯酚废水时，去除效果分别能达到99.19%和96.19%。并发现，氯化钠的存在可大大增加苯酚的传质系数。

3.3 含氰废水处理

我国处理含氰废水主要使用四效蒸发和焚烧的方法，此方法不仅成本高，而且焚烧过程会产生大量的CO2和氮氧化物对环境同样造成一定程度的污染。张力等[6]采用膜分离技术，发展出一条处理丙烯腈装置含氰废水的新工艺、新方法。他们根据膜分离过程的不同特点，结合含氰废水的特点，利用超滤和反渗透两种膜分离过程来处理丙烯腈装置的含氰废水。结果表明：丙烯腈装置所产生的含氰废水中氰根浓度一般在0.3‰-0.4‰之间，COD一般在4000mg/l-5000mg/l，而装置外排废水中氰根的允许浓度是CN-0.005‰，COD〈1500mg/l。

3.4 重金属离子的处理

含有各种重金属离子的污水排入天然水体会破坏水体环境，危害渔业和农业