膜分离技术在环境工程中的应用

膜分离技术在环境工程中的应用

摘要：膜分离技术作为一种新兴的分离技术, 具有高效、节能、应用范围广等

独特优点。以压力为驱动力的膜分离技术有反渗透（RO）、纳滤（NF）、超滤（UF）和微滤（MF）。针对日益恶化的环境问题, 论述微滤、超滤、反渗透、纳滤、渗透汽化、液膜、集成膜技术等膜分离技术及特点, 介绍膜分离技术在环境工程中的应用现状和存在的主要问题, 并对其发展前景做出展望。

关键词：膜分离技术环境工程膜污染技术展望

随着社会经济和工业化的发展, 世界各国都面临着日益恶化的环境问题,如自然生态系统遭到废弃物的激增等。环境污染是由于人类生产活动排出的各种物质的质和量超过自然界的自净能力而产生的。环境保护就是使自然生态系统免遭破坏或将生产过程中排出的有用物质回收并加以利用。

膜分离技术是近年来在全球迅速崛起的一项新技术, 近半个世纪以来, 膜分离技术得到了迅猛的发展。膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法与传统的分离操作相比, 具有能耗低、分离效率高、无二次污染、工艺简单的优点。因此在苦咸水淡化、饮用水处理、食品工业、医药工业、石油化工工业、生物工程、核工业、环境工程等领域得到了广泛应用。本文将介绍一些膜分离技术在环境工程中的应用。

1 膜分离技术简介

1.1 膜分离技术的定义

膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质，当在两侧施加某种推动力时，原料侧组分就会选择性透过膜，从而达到分离和提纯的目的。

1.2 膜分离技术的优点[1-4]

（1）膜分离技术能耗低。因为膜分离过程不发生相变化，这对于克服国家的能源危机有相当的意义。

（2）膜分离技术对于热敏感物质分离效果好。因为膜分离技术是在常温下进行的。

（3）膜分离技术适用的范围广，且反应过程不会改变物质的属性，也不需要有添加剂参加反应，不会带来新的污染物和浪费其他的物质，可用于多种类型的水处理过程。

（4）膜分离技术所需设备简单，便于维修，而且设备占地面积一般小于常规处理方法，处理效果好，所以运营成本低。

（5）膜分离技术处理的出水水质优良。膜分离技术可以有效地去除水的臭味、色度、消毒副产物前体及其他有机物和微生物。

（6）膜分离技术处理的出水水质稳定。其出水水质取决于膜选择性的大小，与原水水质及运行条件基本无关。

2 各种膜分离技术及其在环境工程中的应用

2.1 微滤(MF)

微滤技术是目前所有膜技术应用最广泛的一种膜分离技术。微滤主要用于过滤0.1-10μm大小的颗粒、细菌、胶体。其过滤原理和普通过滤相似, 属于筛网过

滤。微滤过滤具有操作压力低(<0.2MPa),对水质的适应性强、占地面积小的优点。微滤作为较经济的微过滤方式在饮用水处理方面应用广泛, 可代替常规的澄清过滤和二沉池, 在水质波动较大时仍可连续处理, 占地面积小; 用于各种废水的预处理, 以降低浊度、悬浮物, 满足后处理进水要求。微滤的过滤方式有死端过滤和全量过滤两种方式。死端过滤是一种低能耗、高产出的过滤方式, 但滤饼层随着过滤时间的增加逐渐增厚, 溶液的透过量降低, 因此如何及时清洗滤

饼、恢复水通量成为死端过滤的关键[6] 。开发耐高温、耐溶剂、耐污染、易清洗的膜及膜组件是尚需研究的课题。

2.2 超滤(UF)

超滤膜也属于压力驱动膜,其分离原理一般认为是筛分过程。其孔径范围为0. 05-1nm[7]。超滤主要用于去除固体颗粒物、悬浮物、从溶液中分离大分子物质和胶体。用超滤膜处理电泳涂漆废水已在我国汽车工业、电器工业部门得到了广泛应用, 通过超滤膜的分离特性将有大量金属离子杂质的电泳漆从废水中回收

出来重新利用[8-9]。北京市环保所与北京市毛纺厂合作于1983 年用超滤膜处理羊毛精制废水,羊毛清洗液中COD 为20000-50000 mg/ L,运行中超滤膜对羊毛脂的截留率为90%-95%, 悬浮物的截留率>99%,TDS 为40%-80%, 使废水中的COD 明显降低, 改善了废水的可生化性, 取得了良好的经济效益和环境效益。超滤膜应用的主要问题是膜通量随运行时间的延长而降低、膜污染和浓差极化严重,价格高、需要复杂的预处理是其应用的主要障碍[10]。开发大通量、高强度、耐高温、抗污染、抗氧化、便宜长寿命的超滤膜及膜组件是今后研究的重点。

2.3 纳滤(NF)

纳滤介于反渗透和超滤之间, 是20世纪80年代出现典型的反渗透复合膜之后研制开发的又一种新型分子级的膜分离技术。纳滤也属于压力驱动型过程,其操作压力通常为0. 5MPa-1.0MPa；纳滤膜的一个显著特点是具有离子选择性,它对二价离子的去除率高(95%以上),一价离子的去除率低(40% -80%)[11-12]。因此纳滤广泛应用于河水及地下水中含三卤甲烷中间体THM、低分子有机物、农药、异味、硝酸盐、硫酸盐、氟、硼、砷等有害物质的去除, 废水的脱色, 废水中不同有机物的分级浓缩[12] 。纳滤膜在低压下具有高通量,在许多场合, 它比反渗透投资成本和操作费用低。纳滤膜易污染, 对进水水质要求高, 需要复杂的预处理,限制了纳滤膜的应用。相信随着预处理水质的提高和膜性能的改善, 今后在环保领域会有较大的发展。

2.4 反渗透(RO)

反渗透膜几乎对所有的溶质都具有很高的脱除率, 反渗透出水水质很高, 在水处理中通常用于除盐处理。反渗透在环保领域的大规模应用是饮用水质的改善、城市污水、工业废水和垃圾渗滤液的处理。垃圾渗滤液成分复杂, 它不仅含有高浓度有机物, 而且含有高浓度的氨氮、碱度和重金属等。由于高浓度氨氮的毒副作用, 使垃圾渗滤液不能用传统的活性污泥法处理,Rautenbatch 等对垃圾渗滤液进行大量的研究, 于1989年在Schonberg 填埋场建立当时德国最大的渗滤液反渗透处理厂[7]。反渗透存在的主要问题是膜污染和浓差极化。开发价廉、超低压、耐污染、耐高温、抗氧化的膜材料是研究的重点。

2.5 液膜(LM)

液膜就是悬浮在液体中的一层很薄的乳液颗粒,其分离机理通常认为是选择

性渗透、化学反应、萃取和吸附[13]。液膜和固膜相比具有传质速度快、选择性高、分离效率高的特点。液膜分离特别适合于溶液中特定离子和有机物的分离。