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'膜法水处理技术的研究与应用现状
谭德君膜法水处理技术的研究与应用现状ResearchandApplicationStatusofMembraneSeparationforWaterTreatment谭德君
吕伟娅
王雅琴(南京工业大学城市建设与安全环境学院
南京
210009)摘要
介绍了膜法水处理技术的发展历程,其应用和研究现状,对超滤、微滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透蒸发、液膜技术等在给水处理,废水处理方面的应用作了较全面的介绍。关键词
膜分离
水处理
膜污染Abstract
ThispaperpresentstheconceptionanddevelopmentofMSTbriefly,thenintroducestheapplicationofultra-filtration,microfiltration,nanofiltration,reverseosmosis,electrodialysis,pervaporationandliquidmembraneinwatersupplyandwastewatertreatment.Keywords
MembraneSeparation(MST)
WaterTreatment
MembraneFouling膜技术应用得到飞速发展,微滤和电渗析于50年1
概述代率先进入工业应用,60年代反渗透投入实用,70膜分离方法是以天然或人工合成的高分子薄年代是超滤,80年代是气体分离,90年代是渗透蒸膜,以外界的能量或化学位差为推动力,对双组分发。随着技术的改进,在不断扩展应用领域的同[3]或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富时,工业应用的膜分离过程也不断发展和完善。[1]2
研究与应用现状集的方法。因其具有常温下进行、能耗低、不需加药、无二次污染、出水水质稳定等优点而备受水膜分离技术自问世以来得到了广泛的应用,但处理工业的青睐,被誉为
21世纪的水处理技最初的研究和应用都是在水处理领域。目前常见[2]术
。的膜分离过程主要包括微滤、超滤、纳滤、电渗析、1748年法国学者AbbleNellet发现了膜分离反渗透、液膜、渗透蒸发等。不同的膜分离有着不现象。20世纪50年代,Juda试制成功了高选择透同的分离机理和适用范围。各种膜分离过程及其过性的阴阳离子交换膜使电渗析投入使用。自此,特点见表1。表1
各种膜分离过程及特点膜过程膜孔径推动力分离机理分离物质特

点微滤0
1~0
2压力差约机械筛分微粒、亚微粒和细粒膜的孔径均匀,空隙率高,过滤速度快,(MF)
m100kPa物质驱动压力低超滤0
05~1压力差0
1分子的大驱动压力低,但不能截留无机离子,对大分子物质和胶体(UF)
m~1
0MPa小和形态水中氮,磷的去除率不高纳滤0
5~10压力差0
5筛分和一粒径1nm左右溶解对阴离子具有一定选择性,能透过部分(NF)nm~1
0MPa定选择性组分无机离子,适合用于给水收稿日期:2006-01-19作者简介:谭德君(1980-),男,山东高密人,硕士研究生。
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环境保护科学
第32卷
第6期
2006年12月

续表电渗析电位差离子交换膜电解质离子能耗低,药耗少,污染少,水利用率高,(ED)的选择性不去除有机物,易结垢反渗透<1nm静压差1~反渗透膜的悬浮物、大分子低分透水性好,脱盐率高,对入流水水质要(RO)10MPa选择透过性子、离子求也高,所需推动压差大液膜膜相上的浓浓度差和化溶剂(非电解质)可反复回收利用膜相,效率高、选择性(LM)度梯度学反应好,但液膜的稳定时间短渗透蒸发化学反应和两组分溶解难渗组分的蒸汽单极分离度高,能量消耗低,易于调节,(PV)浓度差度差与扩散无污染,但膜的渗透通量小系数差2.1
超滤和微滤(UF&MF)羊毛脂等。超滤和微滤可截流水中绝大部分的悬浮物、胶2.2
纳滤(NF)体和细菌,可替代传统水处理工艺。世界上已建成纳滤膜对一价阴离子的截流率很低,对多价阴了40多个采用微滤技术的自来水厂,以欧美和澳离子的截流率则高的多,在给水处理中适用于硬洲为主。H.Oosterom,G.Galjaard等人的实验度、有机物含量高,浊度低的原水。纳滤膜用于脱表明直接使用微滤或超滤处理地表水时膜的污染除水中的三卤甲烷中间体THM、低分子有机物、[4]相当严重,建议对原水进行预处理。预先混凝或色素、农药、异味物、重金属盐和易结垢的硫酸盐、3投加粉末活性炭可将溶解性的有机物转化成固相,碳酸盐等。美国已有40万m/d的纳滤膜装置在充分发挥超滤和微滤固液分离的作用,提高有机物运转。最大的一套装置在佛罗里达州,规模3
8万3的去除率,是今后的发展方向。原水-混凝-微滤m/d。法国巴黎的MerySurQise水厂,产水量3或超滤-消毒-出水工艺,也被称为
CRISTAL14万m/d,是世界最大的纳滤膜分离净水厂。PROCESS
,在各国有广泛的应用。将纳滤用于反渗透的前处理,可降低进入反渗微滤还可用于电子工业、半导体、医药工业中透膜组件的海水盐度,为提高海水淡化回收率创造[8]制取高纯水以及矿泉水的生产。微滤和超滤亦可条件。使用纳滤处理电镀工业清洗水,可使Cu,作为反渗透、纳滤前处理手段。Cd,Ni,Fe等浓缩10倍,并能回收90%以上的废城市污水是公认的可再生利用的水源之一,用水。使用带负电的纳滤膜处理带负电的纸浆废水超滤技术处理过滤后的城市污水,可进一步降低水很容易截留木质素而对膜无污染。采用纳滤和其的浊度、色度及有机物,其出水可作为循环冷却水他方法结合处理石油工业废水,既达到处理目的又[5]水源。超滤用于处理电泳涂漆水,经超滤分离可以回收有用资源,例如在反渗透前加上纳滤就可[9]后,处理后水返回清洗水箱继续使用,漆返回漆槽以解决膜污染的问题。刘梅红等人还采用纳滤回收,既提高了漆的利用率,又减少了污水处理费技术对上海某染料厂提供的蓝色染料废水进行处用。超滤技术用于含油废水处理时,不需要破乳,理。实验结果表明,纳滤膜对染料的截流率和色度可直接将油水分离,出水油含量<10mg/L,浓油液的去除率保持在100%附近,即使回收率达到[10]浓缩率为40%,浓缩液可再用热分离或化学提纯80%,膜对色度和COD的去除率仍高达99%。[6]回收油。碱法草浆造纸黑液含硅量高,粘度大,此外,纳滤还可用于热电厂含有大量悬浮固极难处理,而利用超滤可有效分离黑液中的碱木体,灰分,盐分,部分有机物的废水处理,以及钢厂素。研究表明负电性较高的磺化类超滤膜具有较酸洗废水,纺织工业废水,有机合成废水的处理。[7]好的黑液超滤特性。2.3
反渗透(RO)超滤还可用于处理金属加工用乳化废液的处反渗透作为既能脱盐又可去除有机物、微粒、理,纤维加工油剂废水以及从羊毛精制废水中回收胶体物质等的综合手段,有一定的优越性,在给水
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膜法水处理技术的研究与应用现状
谭德君领域广泛用于海水和苦咸水淡化,超纯水和纯净水将两种互不相溶的液相通过高速搅拌或其它方法生产、以及锅炉水软化。反渗透技术已成为淡化技制成乳状液,然后将其分散到第三种液相中,就形[1]术的主要方法和主攻方向。至1995年12月,全世成了乳状液膜体系。液膜技术直到80年代奥地43界反渗透淡化工厂产水量达到7
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10m/d,占利的J.Draxler等采用液膜从粘胶废液中回收锌总淡化量的35%、当年世界市场的88%。而随着获得成功后才进入实用。液膜的稳定性及快速破电子工业、半导体工业及原子能工业的发展,用膜乳方法还有待进一步研究,但乳状液膜法在已有工法与离子交换组成联合处理流程成为满足这些行业废水处理应用中显示成本低廉、快速高效、操作业水质需要的有效方法,特别是用反渗透法作为离简单的优点,是今后工业废水处理研究与应用的重子交换的预处理。美国电子工业已有90%以上使要方法之一。用反渗透和离子交换树脂结合的工艺生产超纯水。利用乳状液膜技术处理含锌工业废水在国内反渗透也用于城市污水深度处理。1993年至外得到广泛的研究,已达到工业应用的规模。王士1995年,日本干叶县花见川下水处理场使用反渗柱等人以T154作为表面活性剂,p203作为载体,透膜技术的大型试验装置实现了自动连续运行。硫酸作解析剂,可将锌离子的浓度由550mg/L降33[17]反渗透膜出水(210m/d)的水质达到了自来水的至5mg/L~15mg/L且处理量达到50m/h。[11]标准。国内学者使用反渗透的方法处理橡胶工李硕文等使用液膜处理含铬废水。选用三辛胺为业废水,发现其对TDS,硬度离子,有机物的去除载体,适当控制内外水相pH值、混合时间等工艺率>90%,对无机盐的去除率在85%左右,可溶性条件,水中铬的去除率可达95%以上,铬回收率可[12][18]二氧化硅和碱度接近70%。除此之外,反渗透达90%以上。液膜处理含酚、氰废水已开始应还可应用于电镀污水,纸浆造纸污水,化工污水,冶用。广州南中塑料厂1985年建成一套年处理量为金焦化污水,制药污水,放射性污水的处理。1200t/d的液膜处理含酚废水的装置,处理后,废2.4
电渗析(ED)水的含酚量可从1000mg/L降至0
5mg/L以下,[19]电渗析技术首先用于苦咸水淡化,而后逐渐扩除酚率达99
96%。展到海水淡化及制取饮用水和工业纯水。电渗析2.6
渗透蒸发(PV)与反渗透、纳滤等精过滤技术的结合,可用于电子、渗透蒸发膜在有机物-水体系的脱水,有机物[13]制药等行业的高纯水制备。分离以及有机混合物分离方面都有很好的应用前宋德政等人采用电渗析对铝制品漂洗废水进景。1988年,法国建成了迄今世界上最大的行了处理,发现用均相离子交换膜电渗析处理,对40kt/a的无水乙醇工厂。日本也建立了若干有机碱有良好的脱除与浓缩性能。宋德政等(1999年)溶剂脱水工厂,用于乙醇、异丙醇、丙酮、含氯碳氢[20]还采用电渗析对化纤厂单丝粘胶废水的处理进行化合物等的脱水。了实验研究,酸和盐可浓缩到200g/L,淡化水可作渗透气化技术用于废水处理,主要的处理对象[14]洗涤用水。马保安等人采用电渗折法回收碱性是有机废水,可从废水中回收有机溶剂。日本蓄电池废电解液取得了较好的结果。不但保护了GKSS开发的渗透蒸发工艺用于从生化处理前的环境,每年还可节约原材料费。电渗析能够大量去废水中移出芳香族化合物。Mitsui和Lintec开发除化学镀镍老化液中有害的亚磷酸盐、硫酸盐,极了一种交联的聚丁基丙烯酸膜,用于从废水中回收大的延长镀液的寿命。日本矢俊正幸的实验表明,含氯溶剂。Mitsui在生物加工过程中应用渗透蒸经电渗析处理后,镀液使用20个周期后,各项指标发技术,开发了充填硅橡胶的沸石膜,从水中回收[15]仍完全正常。使用单阳膜电渗析法可以回收草发酵的乙醇。AirProducts与Zenon合作开发了[21]浆造纸黑液中的碱和木质素,处理后的水可以回从电子工业废水中回收异丙醇的PV膜。[16]用,比传统的燃烧法节省投资,耗能也少。2.5
液膜技术(LM)3
膜分离应用中有待解决的问题液膜通常由溶剂、表面活性剂和添加剂构成。膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶
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环境保护科学
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2006年12月质大分子在膜面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔变小或堵塞,使膜产生透过流量与分离特性不可逆变化参
考
文
献的现象。膜污染使膜的性能下降,而膜的清洗不但1.邵刚.膜法水处理技术及工程实例[M].北京:化学工业出版使水处理成本上升,还会对膜造成一定损害,减少社,2002.3:25~30.了膜的使用寿命[22]。2.邹菁.膜分离技术及其在工业废水处理中的应用[J].河南化工,1998,(6):10~13.膜污染的防治有赖于生产出更加抗污染的新3.许振良.膜法水处理技术[M].北京:化学工业出版社,2001.型膜材料。其中膜材料改性可以减少溶质与膜之65~70.间的物理化学作用,是减缓膜污染的一条有效途4.H.Oosterom,G.Galjaard,M.MNederlof,J.C.SchippersDe-salination119(1998)275~276.径。目前膜材料的改性方法主要有接枝、共聚、共5.王彦,陈为民,王连俊.超滤在中水回用中的应用[J].中国环保混、交联、等离子表面照射和溶剂预处理等。对入产业,2002,(6):30~31.6.李云琴,李玉林.超滤在废水处理中的应[J].油气田环境保护,流水进行预处理也是减轻膜污染的有效途径。例12(2):11~13.如对原水进行混凝预处理,可使溶解性有机物凝结7.王小文,金奇庭,刘奇龙.动静态超滤处理碱法草浆黑液的超滤成絮体而不进入膜孔;消毒杀菌预处理可以防止生膜特性比较[J].中国环境,1999,19(3):32~35.2+2+8.高从堦,陈益棠.纳滤膜及其应用[J].中国有色金属学报,物污染;石灰石软化可以预先去除Ca、Mg,防2004,4(1):310~316.[23]止难溶物沉积。9.熊蓉春,雷晓东,魏刚等.纳米TiO2与纳滤膜在水处理中的应目前,膜本身的价格仍然较高,但是膜材料的用[J].给水排水,2002,28(6):37~40.10.刘梅红等.膜法染料废水处理工艺研究[J].膜科学与技术,制备技术发展很快,总体的趋势是性能不断提高,2002,22(4):43~45.价格逐渐下降。此外,在工程应用中,膜及其清洗11.李可彬.膜分离技术在环境保护中的应用[J].四川化工学院更换的成本只是工程应用成本的一部分。原水的学报,2000,13(3):53~58.12.戴军,袁惠新,俞建峰.膜技术用于工业废水处理的现状及进展水质、预处理手段、操作工艺条件的选择都会对工[J].过滤与分离,2001,1(3):53~58.程成本产生影响,所以在应用过程中需综合分析并13.王玉宾,孙伟,黄伟.膜技术应用进展[J].矿产与地产,2003,与其他处理方法进行比较。(17):98~99.14.宋德政.电渗析处理化纤厂去酸水的研究[J].水处理技术,1999,25(5):262~266.4
结束语15.李朝林等.电渗析脱除化学镀镍老化液中亚磷酸盐的研究[J].水处理技术,1998,23(6):322~326.膜分离作为一门新兴的分离技术在各个领域16.汪德山.电渗析综合治理草浆造纸黑液[J].水处理技术,得到了广泛的应用。它是未来水处理的发展方向1986,12(2):108~112.之一,应用于废水处理,不但处理效果良好,还可回17.王士柱等.乳状液膜工业工程研究[J].膜科学与技术,1992,12(1):8~12.收利用再生材料,产生可观的经济效益、社会效益18.李硕文,陈扬,万伟.液膜法去除水中六价铬的研究[J].环境和环境效益。科学与技术,1998,(1):26~29.膜分离技术目前存在的问题主要是膜污染以19.缪仕顿[J].化工环保,1987,7(6):344~349.20.韩宾兵,陈翠仙等.渗透气化膜分离技术及其应用[J].化工科及膜材料价格偏高,使用寿命相对较短。这在一定技市场,2000(6):7~9.程度上限制了该技术的大规模应用。随着膜分离21.闫勇.渗透气化技术在有机废水处理中的应用[J].化工进展,技术的发展,各种新型膜材料的问世,这些问题都1998,(5):54~57.22.BjarneNicolaisen,.Developmentsinmembranetechnologyfor将会得到解决,膜分离技术在水处理领域将会发挥watertreatment,Desalination,153(2002):355~360.越来越大的作用。23.王晓琳.膜的污染和劣化及其防治对策[J].工业水处理,2001,21(9):1~5.
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