膜分离技术的研究进展及在水处理方面的应用

Posted 2023-01-12 膜技术

篇首语：情况是在不断地变化，要使自己的思想适应新的情况，就得学习。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了膜分离技术的研究进展及在水处理方面的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

介绍了膜分离技术的最新研究进展，重点介绍了近年来对膜分离技术在水处理方面的应用，展望了膜分离技术在水处理方面的发展前景。
膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代里迅速崛起的一门分离新技术。膜分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离新方法。这种薄膜必须具有使有的物质可以通过、有的物质不能通过的特性。膜可以是固相、液相或气相。目前使用的分离膜绝大多数是固相膜。
1.膜分离技术的发展
膜技术发展历史可以从两方面看，即膜科学发展和膜工业进展。在18世纪，已经有人观察了和研究了膜现象，那时只是涉及膜的屏障性质及相关现象，而没有涉及技术及工业应用。对于膜的研究不仅局限于化学家和物理学家，也包括许多生物学家及动物学家。最早的工业膜是第一次世界大战后德国的Sartorius制造的。然而，这时所用的多孔硝酸纤维素或硝酸纤维素-醋酸纤维素膜只能用于实验室规模，这段时间，也发展了更致密的超滤膜。使膜用于大规模实际的突破性进展是由于不对称膜的出现(Loeb和Sourirajan)而实现的。这些膜是由一个很薄的致密皮层(厚度<0.5μm)和一个多孔性亚层(厚度为50～200μm)组成。皮层决定了传递速率，多孔亚层仅起支撑作用。渗透速率反比于实际屏障层的厚度，因此不对称膜的渗透速率(水通量)远大于相同厚度的(均质)对称膜。
Henis和Tripodi的研究工作使得工业气体分离过程变得经济可行。他们在不对称膜的表面上放置一层均质的很薄的且气体渗透性很强的聚合物，以保证皮层中孔均被堵死，从而获得了一种无渗漏复合膜以用于气体分离。
虽然用于膜蒸馏过程的膜(疏水多孔膜)已制备成功了一段时间，但该过程最近才用于中试规模。膜蒸馏过程是利用已有膜发展新过程的例子(微孔膜原是用于微滤过程)。全蒸发是最近发展起来的又一膜过程。Bining及其同事们在50年代后期就试图将全蒸发用于工业过程，然而尽管尽了很大努力都不太成功。以后，对于有机溶剂脱水过程开发出了特定的复合膜，才使得全蒸发过程可与其它分离方法竞争。
物质透过分离膜的能力可以分为两类：一种借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动；另一种是以化学位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动。表1列出一些主要膜分离过程的推动力。

由于分离膜具有选择透过特性，所以它可以使混合物质有的通过、有的留下。但是，不同的膜分离过程，它们使物质留下、通过的原理有的类似，有的完全不一样。例如，由压力驱动的膜过程，多为溶剂透过膜而将溶质(无机或有机溶质)截留在膜的受压；而分压驱动的膜过程则使蒸汽分压较大的组分(挥发性组分)透过膜，蒸汽分压较小的组分(溶剂)则不渗透过膜。
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。其一是根据它们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。其二是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，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。由此来确定分离效果。
2.膜分离技术的特点
在膜分离出现之前，已经有很多的分离技术在生产中得到广泛的应用。例如：蒸馏、吸附、吸收、萃取、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；
(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)多数膜分离过得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。它的操作十分简便，而且从开动到得到产品的时间很短，可以在频繁的启、停下工作；
(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、运行费均等都变化不大；
(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。
由于膜技术具有上述特点，以广泛应用于食品、饮料加工过程、工业污水处理、大规模空气分离、湿法冶金技术、气体和液体燃料的生产以及石油化工制品生产等。膜技术作为21世纪优先发展的高新技术之一，其新型的高分离、浓缩、提纯及净化技术，是废水治理和回用的重要工具，而且是今后废水深度处理的首选技术。近年来，膜技术的理论研究和工业应用有了很大的发展，新的膜过程不断地得到开发研究，如渗透汽化、膜蒸馏及膜萃取等的研究工作不断深入。目前在废水处理中采用的膜过程主要有：电渗析、反渗透、纳滤、超滤和微滤等，最近还对生物膜反应器、渗透蒸发等新的膜过程进行了开发研究。
反渗透和超滤中溶质的传递依赖于三种基本现象。第一种现象是渗透压。只要有膜将溶液与溶质隔开，就会产生渗透压。假设膜可以使溶剂全部通过，而溶质则完全不能透过。在此情况下，纯溶剂比溶液中的溶剂有更高的自由能，因此溶剂从纯溶剂方向溶液方流动。此流动将持续到溶液侧的压力增加到可以阻止溶剂继续流动。流动停止时，体系处于平衡，而渗透压差反映了溶液的浓度。第二个重要的实验现象是常温、常压下溶质透过膜的扩散。其扩散的通量可以简化地用Fick定律加以描述，即透过膜的基本通量正比于渗透压差(或浓度差)。第三种基本现象是有关溶剂的传递。
但是对于工业废水处理来说，不同来源的废水，其组成各不相同，回用的目的也各异，膜技术的应用也多种多样，但是不管在哪一种废水处理中，膜技术都必须与其它技术合理配合才能发挥其作用。需要用一些新的设计思想和处理方法。酸性废水由于废水中的酸度高，对膜处理工艺中分离膜的要求非常苛刻。常规膜过程中的高分子膜无法满足。有必要考虑采用新的耐酸膜及相应的膜过程来满足废水处理和资源回收利用的要求。
3.膜技术在废水处理中的应用
自1748年AbbeNollet首次提出了膜分离现象。近几十年以来，膜技术得到了迅猛发展，出现了各种有使用价值的微滤、超滤、纳滤和反渗透分离膜，并在工业给水、纯水处理、海水淡化、苦咸水淡化等低浊度水处理中得到广泛推广和应用。近几年来，膜分离技术已开始用于高浊度的废水处理领域，并与各种工艺结合来解决传统方法难于解决的问题，特别是高COD、高SS和有毒难降解有机工业废水的处理，在传统的生物处理法中引进膜分离技术显得更为迫切。高浊度废水处理中膜组件应该具有：膜通量大、抗污染、耐酸碱、耐细菌腐蚀、强度大和不易老化等优点[8，9]。
膜技术更是环境保护和环境治理的首选产业技术。采用膜分离技术进行废水处理、污水回用，将成为21世纪环保的重要手段之一。膜分离技术的原理是利用离子、分子和微粒的电性、几何尺寸的大小，在一定驱动力作用下，去除水中的各种离子及悬浮物，生产出优质的净化水，使之循环再利用。膜分离技术具有无试剂加入、无额外材料消耗、工艺兼容性强、易于相关工艺配套、无二次污染、可连续操作、投资少、能耗低、回收率高等特点。膜分离技术将在很大程度上取代目前采用的传统分离技术。由机械驱动力驱动的膜工艺有微滤、超滤、纳滤和反渗透技术等，在水处理中应用较为广泛。目前，膜分离技术在水处理中已达到了实用阶段。反渗透已被用于降低水中矿化度和去除总溶解性固体(TDS)。反渗透是运用压力(1～10MPa)使溶液中的水通过反渗透膜，达到分离、提取、纯化、浓缩等目的的处理技术。它不仅可以除去盐类和离子态的其他物质，还可以除去有机物质、胶体、细菌和病毒。在净化工艺工况遭到破坏时，仅仅是降低了装置的出水量，净化效果却没有变化。目前，反渗透膜组件的生产技术相当成熟。反渗透膜的脱盐率可达99.3%，透水通量大大增加，而且抗污染和抗氧化能力也不断提高。反渗透对于二级生化出水的脱盐率达97%以上，水的回收率75%左右，COD和BOD的去除率85%左右，细菌去除率90%以上。而且对于含氮化合物、氯化物和磷也有较为优良的脱除性能。
近年来超滤在水处理领域中也得到广泛的应用。超滤和反渗透工作原理相似，都是在静压差推动力作用下，进行溶质分离的膜过程。超滤所分离的组分直径为0.005～10μm，一般相对分子质量大于500道尔顿的大分子和胶体，这种液体的渗透压很小，可以忽略。因而采用的操作压力较小，一般为0.1～0.5MPa，采用非对称膜，水透过率为0.5～5.0m3/m2.D。单独使用超滤，滤后水COD和SS均能满足水回用要求，超滤对二沉出水COD、BOD去除率大于50%，但超滤不能去除水中的离子，一般超滤作为反渗透的预处理。
国家为解决沿海地区、内陆苦成水地区和内陆大中型城市用水支持了一些膜技术应用示范工程，如国家海洋局杭州水处理技术中心在山东荣成市石岛镇建设的“万吨级反渗透海水淡化产业化示范项目"、中国蓝星集团总公司在甘肃建立的“万吨级反渗透苦成水淡化产业化示范工程"已经正式投入使用。我国特大型联合钢铁企业太原钢铁(集团)有限公司采用膜技术建设的净环水系统改造及软水站工程也已投产。它是目前我国最大的膜法水处理工程，以炼钢工业废水为主水源，日处理能力72kt，其中反渗透系统38kt，太钢的工业污水经生化和深度处理后回到冷轧生产线，从而实现了水的重复使用。
缓解水资源的短缺，除对水资源进行科学管理优化配置外，采用高效环保的膜技术，提高水的重复利用率，对保持经济可持续发展是十分重要的。
除了在农业、工业和生活用水中节水外，开发、引进先进的治污技术，提高污水处理率和再利用率也是节水的一个重要途径。面对水环境污染日益严重的问题。我国首先应从战略上变“末端治理"为“源头控制"。积极开发和引进吸收国外先进的治污技术，提高城市污水的处理深度，将城市污水开辟为“第二水源"。这种再生水可用作城市用水、工业冷却水、环境用水、地面冲洗水和农田灌溉水。这是保护供水水质和改善水环境的必然要求，也是实现城市水资源与水环境协调发展的根本出路。专家指出，将水处理设施与在建生活小区、校区、饭店等统一规划，建设规模适度的水处理厂，用于冲厕、洗车、绿化等，可节约城市用水总量的40%。
膜技术是最适合废水循环和再利用的技术；也是废水深度处理的首选技术。膜技术在污水治理及回用中作为一项实用技术，其优点几乎可以完全脱除SS、一般的细菌、病毒、大肠杆菌等，且可脱色，减少生成三氯甲烷的前驱物，出水水质优良。
膜技术在工业废水处理和回用中的应用，一方面为了从这些废水中回收一些有价值的成分，另一方面是将脱除了杂质的透过水重新回用到有关工序中去，既节约资源、水资源，又避免污染环境。但是工业废水往往有较高的酸碱性，因此膜的选用很重要。
在这方面应用最早、技术最成熟的是用RO或ED技术处理电镀废水，如镀镍、铜、锌和镉等废水，从中回收这些金属离子，水则回用于漂洗。另一个是用UF技术处理电涂漆废水，从中回收电涂漆，水回用于冲洗。用UF技术处理纺织工业退浆废水。从中回收聚乙烯醇并回用水。在染料废水、造纸废水等方面也有一些采用膜技术来处理。对于含酸废水的处理则采用扩散渗析以及膜蒸馏等方式实现。
4.膜技术在水处理方面的展望
虽然膜技术已成为水处理中不可缺少的一种技术，但是与其他技术相比，膜分离技术发展历史毕竟还短，许多理论和技术上的研究课题还有待于进一步完善和提高，尤其是污水或废水处理及回用中的应用。
膜技术在工业废水处理和回用中的应用必须尽量发挥膜技术的优点，克服它的缺点。在设计膜过程时应该注意这样一些相关的问题：根据不同来源的废水选用合适的膜过程和膜，因为废水来源不同，其组成和浓度千变万化，处理和回用的要求也各不相同；在大规模处理设备建立之前必须通过试验规模、中试规模，甚至是示范工程对所用膜装置、工艺过程及操作参数进行选择、优化，以充分发挥膜技术的优势。加强膜污染防治，选用合理优化的预处理工艺，以满足膜对水质的基本要求；合理的膜清洗再生工艺的选择。与其它技术合理组合。膜技术作为废水治理和回用的一个工艺环节来看待，也许更能发挥功效。
另外，最近我们研究了姚永毅等集成化膜法水处理工艺[10-12]，使水处理过程中的每一个环节都用膜过程来完成，这样大大降低了投资和运行成本，减小占地面积。在国家的节能减排的政策指导下，努力开发能够控制环境污染的处理技术是研究者和工程技术人员的一项重要职责。该项目研究成果对于产生铵氮废水的生产企业均能实用。项目的实施对于控制铵氮等富营养元素的排放，减轻自然水体富营养压力具有重要的意义。