無機陶瓷膜在廢水處理中的應用

2016年08月25日

【摘 要】無機陶瓷膜具有較強的耐高溫、耐酸堿能力,化學穩定性好,占地面積小等優點,已成為目前材料和環保領域研究的熱點之一。從應用無機陶瓷膜處理城市食品工業廢水、機械冶金廢水、石油化工廢水等方面綜述了其在環保領域的應用,并對存在的問題及未來研究方向進行了討論。
膜分離技術由于高效、節能、耐堿、耐酸、耗能低、無相變、操作方便、無二次污染等優點,成為緩解資源短缺、能源危機和治理環境污染的重要措施,并得到世界各國的普遍重視。 依據膜孔徑(或截留分子量)的不同,膜分離技術可分為微濾、超濾、納濾和反滲透。根據所用的膜材料可以分為有機膜和無機膜兩大類。有機膜不耐高溫、 pH值適用范圍窄、機械強度低、孔徑分布寬、滲透率低、通量低、易水解、易污染、較難清 洗再生。

[1] 相比而言無機陶瓷膜具有較強的耐高溫、耐酸堿能力, 孔徑分布均勻,化學穩定性好,機械強度高,通量大,壽命長,抗污染,整體設施結構簡單,占地面積小,配套設備少,安裝方便,無需化學添加物,分離效率高,自動化控制程度高。 1無機陶瓷膜應用于食品工業廢水處理 Hua等。

[2]采用孔徑為50nm的陶瓷膜對配制的食用油廢水 進行研究,考察了操作參數對膜過濾性能的影響,TOC去除率都高于92.4%。王志高等。

[3]采用陶瓷膜分離牛初乳中的乳清蛋白,分析了孔徑為0.2μm、0.5μm、0.8μm膜過濾阻力的形成及其對滲透通量和蛋白截留率的影響。結果表明:對孔徑為0.2μm的膜,其污染是由濃差極化阻力和凝膠層阻力共同作用所致,而對于0.5μm和0.8μm兩種孔徑的陶瓷膜則是濃差極化阻力占主導地位的污染。王毅等。

[4] 利用新型一體式陶瓷膜生物反應器處理牛奶廢水(COD為800mg/L),在曝氣量為0.48m3/h,過濾通量為26.7L/(m2·h)的運行條件下,反應器產水COD小于50mg/L, 濁度小于0.3NTU。俞曉麗等。

[5]采用孔徑為0.2μm的氧化鋯陶瓷膜處理植物油廢水;在跨膜壓差為0.15MPa,操作溫度30℃,錯流速率為4m/s的條件下,膜穩定 通量為150L/(m2 ·h),油截留率在98%以上。鄧唯等。

[6]采用3種 構型的陶瓷微濾膜元件對酵母懸浮液進行錯流過濾實驗。結果表明:在3m/s膜面流速、0.1MPa跨膜壓差條件下,單管、19通道、55通道的穩定通量分別為96L/(m2·h)、128L/(m2·h)、 196L/(m2 ·h);臨界壓力分別約為0.15MPa、0.2MPa、0.2MPa。2無機陶瓷膜應用于機械冶金廢水處理 邢衛紅等。

[7]采用陶瓷膜處理鈦白廢酸,通過提高體系操作溫度并在合適的反沖條件可避免FeSO4在膜孔內和表面結晶,從而可以減緩膜污染;穩定滲透通量達560L/(m2·h)。馮海軍等。

[8]采用無機陶瓷膜對焦化廢水進行了除油的中試研究。在廢水溫度為60℃、油濃度為200mg/L、流量為1.0m3/h、壓差為0.2MPa和反沖洗時間為20min的最佳操作條件下,陶瓷膜的除油率>75%, 處理后廢水中的含油量<50mg/L。甄宗晴等[9]采用陶瓷膜處理切削液乳化廢水,當膜面壓差小于0.14MPa、錯流速度在5m/s左右、 溫度在40~45℃時,陶瓷膜過濾系統可達10h以上,且通量能夠維持在穩定的范圍。 3無機陶瓷膜應用于石油化工廢水處理 由于無機陶瓷膜具有很強的親水疏油性,油的透過濃度非 常低。因此無機陶瓷膜在含油廢水處理方面具有突出的優勢。國外在這方面的研究較早,1991年美國研究了一種陶瓷微濾膜處理采出水用于油田回注,并在路易斯安娜、墨西哥灣的海 上及陸上油田進行了中試。

[10,11] 采用0.8μm陶瓷微濾膜處理 加拿大西部稠油污水,膜面流速在0.5~4m/s之間,運轉周期為24~73h,膜通量可保持在1600L/(m2·h),濾后水含油小于 20mg/L。

[11] Zoha

[12]和Rahman

[13]則分別采用陶瓷膜生物反應器處 理含大量炸藥的廢水和煉油廠廢水,COD的平均去除率分別達到97.2%和93%。 近些年來,國內采用陶瓷膜處理油田采出水的報道也相應增多。徐農等。

[14]以管式陶瓷膜生物反應器處理生活污水。結果表明: COD的去除率高達99.5%,氨氮和懸浮性固體的去除率達到99.9%和100%。張斌等。

[15]利用膜孔徑為1nm的陶瓷膜處理高濃度聚醚廢水并回收大分子聚醚多元醇。在跨膜壓力為0.2MPa,溫度43℃的條件下,滲透液中CODCr的去除率高達96%以上。馬健維等。

[16]采用國產陶瓷膜A和進口陶瓷膜B對煉油廠含油廢水進行了處理實驗。結果發現:兩種膜對污油的去除率均能達到95%以上,出水濁度均小于2NTU;但對廢水中TOC的處理效果一般,去除率僅為61%~64%。文會超等。

[17]采用孔徑為200nm氧化鋯膜陶瓷膜處理脫脂液廢水,在操作壓力為0.1MPa,膜面流速5~7m/s,操作溫度40℃的操作條件下,膜的穩定通量為390L/(m2·h),滲透液油含量小于30mg/L,油的截留率大于99.4%。魯江。

[18]采用陶瓷膜過濾器處理過濾氨水中的焦油類物質,結果發現過濾器前后剩余氨水中平均油的質量濃度由350~700mg/L降至50~120mg/L,過濾后的氨水水質得到較好的改善。中國石化九江分公司應用陶瓷膜除油除鐵技術對凝結水中所含油、鐵進行處理。經過50nm陶瓷膜除油、 除鐵技術處理后,凝結水油含量和鐵含量分別由75.6mg/L、1081xg/L降至0.56mg/L、14pg/L,除油率和除鐵率分別達到了99.26%和87.04%。

[19]王樹勖等。

[20]采用陶瓷膜過濾裝置處理中國石油蘭州石化公司化工污水處理廠的外排水(濁度153mg/L)。在操作壓力為0.12MPa,膜面流速為6.0m/s的最佳工藝條件下,出水濁度<6.8mg/L。 4存在的問題及未來研究方向 上述討論表明,無機陶瓷膜處理廢水(特別是含油廢水) 的研究工作已開展了較多研究,但目前主要處于工業性試驗階 段,難以大規模工業應用。分析其原因, 主要有以下方面:[11,21] 4.1能耗與成本問題 膜分離過程由于濃差極化和膜污染等問題的存在,滲透 通量隨運行時間的延長而下降。為控制濃差極化和膜污染,操作工程中需消耗大量的能耗維持較高的膜面流速。另外膜支撐體機械強度低,使用中容易損壞,膜的更換也是一筆不小的費用。此外,頻繁的化學清洗也使得過程成本過高。4.2 膜的清洗再生方法 由于各含油廢水水質情況差別很大,污染物的結構和成分也很復雜,必須針對具體對象開發合適的清洗方法;同時還要考慮如何維持膜通量的長時間穩定性,減少清洗的次數。 因此陶瓷膜技術未來的研究方向主要是通過工藝條件的優化設計,強化膜傳質過程,降低操作成本。具體表現為:

①膜性質的改善。如進行膜的改性,改變膜的化學成分,從而提高其化學穩定性和親水性,或將各種材料組合在一起,制成高性能的復合膜等,優化過濾效果,降低過濾能耗。

②中空纖維無機膜的應用研究,F用無機膜的外形一般是管式或多通道式,其裝填密度都較低,故分離效率較低。而中空纖維無機膜具有除無機膜本身優點以外還具有單位體積裝填密度大,設備小型化,結構簡單化以及自撐體成膜等特點,因此中空纖維無機膜的研究備受重視,相關研究具有重要的學術研究價值和技術應用潛力。

③膜過濾過程的強化,以及與其他水處理工藝的耦合。如在過濾過程中引入湍流促進器可有效地改善膜通道內流體流動狀態。引入曝氣可增加流體流速, 又可以在膜面形成彈狀流,提高膜表面的湍流程度,提高膜通量。另外鑒于工業廢水的復雜性以及現場運行情況的差異,任何一種單一處理技術均可能會達不到理想的效果。應開展陶瓷膜處理與其他水處理技術的集成工藝研究與應用,發揮各種技術的優勢,形成廢水深度處理的新工藝,從而不斷提高陶瓷膜技術在處理各種廢水中的作用。

④高效的膜清洗技術的開發。當膜污染達到一定的程度后需要進行清洗[一般情況在膜通量低于30L/(m2·h)的情況下就要進行清洗,提高生產效率的同時及時地進行清洗也會增加膜的使用壽命]。開發合適高效的清洗劑和合理的清洗方法成為陶瓷膜大規模工業應用中必須解決的核心問題。

2016中空平板陶瓷膜的現世,大大提高無機陶瓷膜的應用性能。恒昌平板陶瓷膜(plate ceramic membrane)是新一代陶瓷膜技術,采用Al2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、SiC 等無機材料,利用中國千年傳統燒結工藝制備而成。恒昌平板陶瓷膜具有過濾面積大、分離效率高、效果穩定、化學穩定性好、耐酸堿、耐有機溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、機械強度高、再生性能好、分離過程簡單、能耗低、操作維護簡便、使用壽命長等眾多優勢,恒昌中空平板陶瓷膜將在人類面臨的能源、資源、環境和健康等重要領域發揮關鍵作用,其應用市場涉及食品工業、化工與石油化工、生物醫藥、環保及能源等諸多領域。

來源:萍鄉市恒昌化工新材料有限公司
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