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            膜分離技術在處理重金屬廢水中的應用

            來源:環保新聞網|上海市環境保護產業協會(滬環協)官方網 作者:環保新聞網|上海市環境保護產業協會(滬環協)官方網 發布時間:2012-02-19 查看次數:1636

            重金屬廢水是指礦冶、機械制造、化工、電子、儀表等工業生產過程中排出的含重金屬的廢水。重金屬(如含鎘、鎳、汞、鋅等)廢水是對一環境污染最嚴重和對人類危害最大的工業廢水之一,其水質水量與生產工藝有關。如震驚世界的水俁病及骨疼病就是由于含汞和含鎘廢水污染所致。廢水中的重金屬一般不能分解破壞,只能轉移其存在位置和轉變其物化形態。近年來,人們對重金屬污染日益重視,對重金屬廢水的治理和排放標準日趨嚴格。環保工作者不斷尋求更加安全和經濟的方法來處理重金屬廢水,以減少或消除重金屬在環境中的積累,滿足日益嚴格的環保要求。

            重金屬廢水處理的傳統工藝大多存在著處理效果不好、處理成本高、工藝流程復雜和設備占地面積大等缺點。膜技術作為一種新興的分離技術,由于具有分離效率高、能耗低、無相變、操作簡便、無二次污染、分離產物易于回收、自動化程度高等優點,在水處理領域具有相當的技術優勢。膜分離的基本原理是在某種推動力作用下,利用膜的選擇透過性進行分離和濃縮。根據膜截留組分粒徑大小的不同及膜性能的差異,目前常見的膜分離過程可分為以下幾種,微濾(Microfiltration,MF)、超濾(Ultrafiltration,UF)、納濾(Nanofiltration,UF)、反滲透(Reverse smosis,RO)、電滲析(Electrodialysis,ED)等。文章就膜分離技術的原理、特點及在重金屬廢水處理中的應用作一綜述。

            1 電滲析法

            電滲析是在外加直流電場的作用下, 利用離子交換膜的選擇透過性, 使離子從一部分水中遷移到另一部分水中的物理化學過程。電滲析器, 就是利用多層隔室中的電滲析過程達到除鹽的目的。電滲析器由隔板、離子交換膜、電極、夾緊裝置等主要部件組成。離子交換膜對不同電荷的離子具有選擇透過性。陽膜只允許通過陽離子, 阻止陰離子通過, 陰膜只允許通過陰離子, 阻止陽離子通過。在外加直流電場的作用下, 水中離子作定向遷移。由于電滲析器是由多層隔室組成, 故淡室中陰陽離子遷移到相鄰的濃室中去, 從而使含鹽水淡化。目前主要用于電鍍工業漂洗水回收重金屬。含Cu2+、Ni2+、Zn2+和Cr2+等金屬離子的廢水都適宜用電滲析處理,其中含鎳廢水處理技術最為成熟,已有成套工業化裝置。但電滲析法處理廢水要求具有足夠的電導以提高滲透效率,因此處理水中電解質的濃度不能過低。例如,電滲析用于處理鍍鎳清洗水時,要求清洗水中鎳鹽的濃度不低于1.5g/L。

            2 液膜

            液膜通常是由溶劑、表面活性劑和添加劑制成的。溶劑構成膜基體;表面活性劑起乳化作用,它含有親水基和疏水基,可以促進液膜傳質速度并提高其選擇性;添加劑用于控制膜的穩定性和滲透性。液膜將兩種組成不同的溶液隔開,經選擇性滲透而使物質分離提純,可從低濃度廢水中分離、富集重金屬離子。近期Rania Sabry 等以span-80為表面活性劑,D2EHPA為載體,磷酸作為萃取相進行研究,在最佳條件下,對鉛離子的萃取率可達99%~99.5%。液膜分離技術具有設備簡單、選擇性較高、能耗低等優點,作為一種新型的化工單元分離手段,在節約能源 資源綜合利用以及環境保護等方面日益顯示其強大的生命力。

            3 反滲透

            反滲透(Reverse Osmosis,RO)技術借助于半透膜對溶液中溶質的截留作用,在高于溶液滲透壓的壓力動力下,是溶劑滲透通過半透膜,達到分離的目的。胡齊福采用兩級RO膜系統對含鎳250~350mg/L的漂洗廢水進行處理,對鎳的截留率達99.9%以上,經兩年多運管行考察,系統運行平穩,各項指標基本達到設計要求,經濟效益較為明顯,年凈收益達43.34萬元,且出水可達到回用要求.總之該工程在技術上可行,而且還產生了良好的經濟效益、社會效益和環境效益,對電鍍行業的可持續發展具有重要意義.反滲透法用于處理含銅、鋅廢水也取得了滿意的效果。據報道,用反滲透處理銅氰電鍍漂洗水已獲成功,截留率在99%以上;工業規模的反滲透系統用來處理磷酸鋅電鍍廢水,可使90%的廢水得到回用。反滲透幾乎截留所有無機物質,特別適宜稀溶液的濃縮,但對濃度較高的溶液的處理將受到滲透壓和膜本身耐壓的限制,水回收率較低。

            4 納濾

            納濾(NF)是介于反滲透和超濾之間的一種膜分離技術,分離機理基于空間效應和Donna效應。納濾膜對無機鹽的截留效果主要取決于膜對離子的電荷效應的強弱。NF技術已經廣泛應用于給水處理、化工、制藥、食品加工等工業過程,與傳統技術方法相比,納濾分離技術具有較高的體積濃縮因子,不產生二次污染,處理效率高、能耗低等獨特的優勢。在金屬加工和合金生產中,經常需用大量的水沖洗,清洗水中含有濃度很高的鎳、鐵、銅等工業金屬,采用納濾膜技術,不僅可以回收90%以上的廢水,濃縮后的重金屬具有回收利用的價值。陳桂娥、葉琳、余小東、朱賢等人通過研究納濾膜處理鍍鉻廢水發現在低壓下截留率比較穩定,可達到95%以上。同時,濃度低時(20mg/L),離子截留率穩定后在99%以上,濃縮過程中的離子截留率也比較穩定,因而起到了分離的作用。張國亮等指出,納濾膜在海島飲用水制備中可有效地除去對人體健康不利的Mg2+、Ca2+等(脫除率≥96%)。

            就我國目前現狀而言,在此方面亟待解決的主要有兩方面:①制膜技術,我國的制膜技術還處于實驗室階段,建議加大制膜技術的研究力度,打破國外壟斷,降低用膜企業的生產成本;②膜污染問題,可從研制新材料和優化NF使用工藝兩方面著手,降低污染,延長納濾膜使用壽命。

            5 微濾

            微孔過濾是以靜壓力差為推動力,利用膜的篩分作用進行分離的膜過程。微孔濾膜具有比較整齊、均勻的多空結構,在靜壓差的作用下[19-20],小玉膜孔的粒子通過濾膜,比膜孔大的粒子則被阻攔在濾膜面上,是大小不同的組分得以分離,其作用相當于“過濾”。由于每平方厘米濾膜中約包含1千萬至1億個小孔,孔隙率占總體積的70%-80%,故阻力很小,過濾速度較快。

            許多文獻都報道了對含鎳廢水的不同處理方法。其中普遍應用的有化學還原沉淀法、離子交換法等。這些方法的處理效果都很好,但是還存在一些缺陷,例如污泥量大、水力停留時間長,或者是投資大、處理成本高、操作復雜等.甘勝采用的混凝—微濾工藝是將傳統的化學沉淀與微濾膜分離相結合的一種新的處理方法.已有研究報道應用此工藝生產飲用水和處理含鉻廢水等,出水效果優于單一的混凝法或膜分離法.混凝—微濾工藝應用于含鎳廢水的處理與上述方法相比具有流程簡單、工作壓力低(0.01~0.03MPa)、水力停留時間短、能耗低、污泥量少、占地面積小的優點.目前,以MF的應用最廣,經濟價值最大,它是現代大工業,尤其是尖端技術工業中確保產品質量的必要手段。

            沉淀-微濾法處理重金屬廢水的基本原理是用堿中和使溶液中的重金屬離子反應生成沉淀或膠體,再通過微濾膜過濾,以實現分離濃縮。Broom等利用重金屬沉淀物(經石灰或硫化物處理)形成的動態膜,采用微濾法去除混合電鍍廢液中的重金屬。史紅文等選擇0.5 μm孔徑的無機膜,采用沉淀-微濾法去除電鍍廢液中的Ni2+,能保障出水中Ni≤1.0 mg/L,達到國家排放標準,缺點是膜污染嚴重,且因大多數處理須在強堿或硫化物條件下進行,所用膜的種類也受到了很大的限制。

            6 超濾

            一般認為超濾是一種篩孔分離過程,在靜壓差為推動力的作用下[19-20],原料液中溶劑和小溶質粒于從高壓的料液側透過膜到低壓側,一般稱為濾出液或透過液,而大粒子組分被膜所阻攔,使它們在濾剩液中濃度增大。按照這樣的分離機理,超濾膜具有選擇性表面層的主要因素是形成具有一定大小和形狀的孔,聚合物的化學性質對膜的分離特性影響不大?傊,超濾對去除水中的微粒、膠體、細菌、熱源和各種有機物有較好的效果,但它幾乎不能截留允機離子。

            一股認為UF的分離機理為篩孔分離過程,但膜表面的化字性質也是影響越濾分離的重要因素。即超濾過程中溶質的截留有在膜表面的機械截留(篩分)、在膜孔中停留而被除去(阻塞)、在膜表面及膜扎內的吸附(一次吸附)3種方式。

            近年來,陳紅盛等[27]采用聚合物強化陶瓷超濾膜處理重金屬廢水,處理效率達到98%以上。利用絡合劑的對離子的選擇性可實現離子的選擇性分離,陳桂娥等進行了PAA絡合超濾分離鑭和銪離子的實驗研究。絡合超濾的解絡合是制約絡合超濾工業化應用的主要因素,因此高效的解絡合技術的研究將有助于絡合超濾技術的工業化。張永鋒與許振良認為絡合--超濾耦合過程不僅可得到達到回用水標準的處理水, 而且還可以將重金屬廢水濃縮,以便進一步回收重金屬,是一種有前途的處理重金屬廢水的方法。

            結語

            膜分離作為水處理技術中的先進技術得到越來越廣泛的應用,但膜污染物及膜劣化的問題長期制約著處理工藝,使得怎樣提高膜分離效率和利用率,成為膜分離技術中的關鍵問題。膜分離技術作為一種新型和高效的水處理技術受到各國水處理研究者的普遍重視,并取得了許多成功經驗。今后隨著膜制備技術的不斷提高,膜分離在重金屬廢水處理領域必將得到更廣泛的應用。

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