自從1748年法國科學(xué)家abble nallet發(fā)現(xiàn)了膜分離現(xiàn)象，即水能自然擴(kuò)散到裝有酒精溶液的豬膀胱膜內(nèi)，各國學(xué)者就開始了對膜的研究。膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的分離過程如過濾、精餾、萃取、蒸發(fā)、重結(jié)晶、脫色、吸附等相比，具有操作簡便，設(shè)備緊湊，工作環(huán)境安全，節(jié)約能耗和化學(xué)試劑，無相變，無污染等特點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一，將在21世紀(jì)的工業(yè)技術(shù)改造中起決定性的作用。目前，膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其在水處理的領(lǐng)域，現(xiàn)已遍布生活污水、工業(yè)廢水(電廠廢水、重金屬廢水、造紙工業(yè)、印染廢水、石化工業(yè)廢水和醫(yī)藥廢水)、生活飲用水等方面。
膜分離原理及其特點(diǎn)
膜分離技術(shù)是在外力推動下，利用一種具有選擇透過性能的特制薄膜作為選擇障礙層使混合物中某些組分易透過，其他組分難透過被截留，來達(dá)到分離、提純、濃縮作用的技術(shù)，其工作原理為：一是根據(jù)混合物中組分質(zhì)量、體積、大小和幾何形態(tài)的不同，用過篩的方法將其分離;二是根據(jù)混合物不同化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分離，物質(zhì)通過分離膜的速度(溶解速度)取決于進(jìn)入膜內(nèi)的速度和進(jìn)入膜表面擴(kuò)散到膜另一表面的速度(擴(kuò)散速度)，其中溶解速度完全取決于被分離物與膜材料之間化學(xué)性質(zhì)。一般，膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)決定其分離機(jī)理及應(yīng)用方式。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，膜可分為固膜和液膜，固膜又可分為對稱膜(柱狀孔膜、多孔膜、均質(zhì)膜)和不對稱膜(多孔膜、具有皮層的多孔膜、復(fù)合膜)，液膜可分為存在于固體多孔支撐層中的液膜和以乳液形式存在的液膜兩種。
目前，常用膜分離技術(shù)可分為反滲透(ro)、超濾(uf)、微濾(mf)、納濾(nf)、電滲析(ed)和膜接觸器(mc)等。在使用過程中，膜都需制成組件形式作為膜分離裝置的分離單元，工業(yè)上常用的膜組件形式有板框式、圓管式、螺旋卷式和中空纖維式。后三種皆為管狀膜，差別主要是直徑不同：直徑大干10mm的為管式膜，直徑在0.5～10mm之間的是毛細(xì)管式膜，直徑小于0.5mm的為中空纖維膜。管狀膜直徑越小，則單位體積里的膜面積越大。廢水處理中常用膜分離法如表所示。
與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，膜分離技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①膜分離是可分離相對分子量為幾千甚至幾百物質(zhì)的高效分離過程。②膜分離過程基本不發(fā)生“相”的變化，耗能低，能量轉(zhuǎn)化率高。③膜分離過程可在常溫下進(jìn)行，適用于熱敏性物料如果汁、酶、藥物等的分離、分級和濃縮。④膜分離設(shè)備的運(yùn)動部件少，結(jié)構(gòu)簡單，操作、控制、維修方便。⑤膜分離效率高，設(shè)備體積小，占地少，適用范圍廣。
膜分離技術(shù)在生活污水處理方面的應(yīng)用
1.超濾在生活污水處理方面的應(yīng)用
超濾以壓力為驅(qū)動力，利用超濾膜的高精度截留性能進(jìn)行固液分離或使不同分子量物質(zhì)分級的膜分離技術(shù)。廣泛應(yīng)用于生活污水處理中的超濾膜過濾精度為0.01 m，對膠體、藻類、病毒、有機(jī)大分子等有很好的去除率。山西大唐國際云岡熱電有限責(zé)任公司的生活污水處理系統(tǒng)，周李鑫、濮文虹等以北京市郊某市政污水處理廠一期(氧化溝處理工藝)工程二沉池出水和二期(sbr處理工藝)工程二沉池出水為原水，分別采用絮凝一砂濾一超濾和直流一混凝一超濾的預(yù)處理工藝，結(jié)果表明，兩種工藝出水的sdi,'b于2，濁度達(dá)no.04-0.1ntu，cod 去除率20%～60%，一定程度上還降低了氨氮、總磷等污染物濃度，sdi、濁度與產(chǎn)水量均達(dá)到了反滲透進(jìn)水水質(zhì)的要求。
蔡虹、金同軌使用孔徑為0.25 μm的中空纖維聚丙烯腈微濾膜和切割分子量為10 000的中空纖維的聚砜超濾膜對經(jīng)二級生物處理后的機(jī)場污水進(jìn)行處理，結(jié)果濁度去除率達(dá)到99%，有機(jī)物去除率達(dá)到55%～85%，符合生活雜用水指標(biāo)要求，達(dá)到污水回用的目的。
劉靜偉等設(shè)計(jì)了以超濾裝置為主的水處理回用流程，如洗浴水一前處理一超濾處理一后處理一回用，可有效去除洗浴水中含有的大量皮膚分泌物、合成洗滌劑、污垢和香料等物質(zhì)以及水中的細(xì)菌、真菌、大腸桿菌和病毒等物質(zhì)，處理水水質(zhì)滿足回用要求。
2.納濾在生活污水處理方面的應(yīng)用
納濾(nf)是近20年發(fā)展起來的介于反滲透(ro)和超濾(uf)之間的新型膜分離技術(shù)，對二價(jià)或多價(jià)離子及分子量介于200～500之間的有機(jī)物有較高脫除率。由于其特殊的孔徑范圍和制備時的特殊處理(如復(fù)合化、荷電化)，使得納濾膜具有較特殊的分離性能。生活污水一般用生物降解/化學(xué)氧化法結(jié)合處理，但氧化劑用量太大，殘留物多，若在它們之間加上納濾環(huán)節(jié)，使可被微生物降解的小分子(mw<100)透過，截留住不可生物降解的大分子(mw>100)，然后大分子物質(zhì)在化學(xué)氧化器處理后再進(jìn)行生物降解，這樣就可節(jié)約氧化劑和活性炭的用量，降低最終殘留物的含量，其工藝流程見圖1。
劉研萍、王琳等慢用新型抗污染濾膜對主要成分為某高校家屬院區(qū)化糞池上清液的生活污水進(jìn)行處理，結(jié)果經(jīng)納濾中試設(shè)備過濾的處理水的水質(zhì)完全達(dá)到建設(shè)部頒布的生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)，除不能飲用外，可滿足澆花、洗車、洗衣、洗浴等各種生活雜用，回用率達(dá)75%。
膜分離技術(shù)在工業(yè)廢水處理方面的應(yīng)用
隨著膜分離技術(shù)的發(fā)展，其在生活污水和工業(yè)廢水方面的應(yīng)用越來越廣泛，如循環(huán)冷卻排污水、重金屬廢水、造紙廢水、印染廢水、制藥廢水等。
1.膜分離技術(shù)在循環(huán)冷卻排污水處理方面的應(yīng)用
火力發(fā)電廠一直是工業(yè)用水大戶，其耗水量約占工業(yè)用水總量的20%左右?；痣姀S用水中循環(huán)冷卻水的用量最大，因此許多火電廠把節(jié)水工作的重點(diǎn)放在循環(huán)冷卻排污水回用上。于是，采用反滲透技術(shù)處理循環(huán)冷卻水達(dá)到回用目的就顯得十分重要。河北某電廠共有6臺發(fā)電機(jī)組，總循環(huán)冷卻水量6.3萬m3/h。循環(huán)水濃縮3倍左右，排污水約為900m3/h。該電廠地處北方缺水地區(qū)，淡水資源緊缺，為緩解供水矛盾，電廠投資建設(shè)了200m3/h，l1反滲透除鹽水項(xiàng)目，以循環(huán)冷卻排污水為水源，反滲透出水作為鍋爐預(yù)脫鹽補(bǔ)充水，通過泵打到煤場和輸煤棧橋做噴淋水，結(jié)果實(shí)現(xiàn)回用及綜合利用目的。其工藝流程如圖2示。
聶錦旭用納濾膜處理電廠冷卻循環(huán)冷卻排污水，經(jīng)過強(qiáng)化微絮凝、強(qiáng)化過濾等預(yù)處理后，再通過納濾膜出水，結(jié)果出水水質(zhì)達(dá)到循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水的要求。在此基礎(chǔ)上，以3×10m3/d規(guī)模為例，分析納濾膜處理工藝的投資和運(yùn)行費(fèi)用可知，納濾膜處理系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)、可行的循環(huán)冷卻排污水處理工藝。
2.膜分離技術(shù)在重金屬廢水處理方面的應(yīng)用
含硒的農(nóng)業(yè)排放廢水已在世界范圍內(nèi)成為一個新的污染源，如美國加利福尼亞州的san joaquin谷，鹽化污水含硒量已達(dá)到4 200mg/l。濕地環(huán)境受該廢水污染，出現(xiàn)高比率的水鳥胚胎畸形和死亡的硒中毒現(xiàn)象。kharaka等人試驗(yàn)得出，采用納濾技術(shù)處理加利福尼亞谷的重污染廢水，可截留95%以上的硒和90%以上的其他多價(jià)陰離子。
納濾膜處理大量污水且所需壓力低，預(yù)處理步驟少，成本低，處理含硒的農(nóng)業(yè)排放廢水為其他含硒廢水提供了突破性的處理方法。在金屬加工和電鍍工業(yè)中清洗水和電鍍液中常含有濃度較高的重金屬離子，如銅、鎘、鎳、鐵等，采用納濾膜可使這些金屬離子濃縮10倍，并回收90%以上的廢水。利用某些金屬離子在一定氯離子濃度下可形成荷電和非荷電絡(luò)合物的性質(zhì)，用荷電納濾膜可將它們分離開，如鎘和鎳在氯化納濃度為0.5mo1/l時，前者以電中性絡(luò)合物的形式存在，而后者形成荷正電絡(luò)合物，于是帶正電的納濾膜可截留鎳離子，實(shí)現(xiàn)兩種離子的分離”。
3.膜分離技術(shù)在造紙廢水處理方面的應(yīng)用
造紙廢水是造成環(huán)境污染的重要因素，膜分離技術(shù)處理制漿造紙工業(yè)廢水在國外已較成熟，主要使用納濾和超濾處理制漿廢水及回收有用副產(chǎn)品。納濾膜可以代替吸收和電化學(xué)方法除去深色木質(zhì)素和木漿漂白過程中產(chǎn)生的氯化木質(zhì)素，因污染物中許多有色的物質(zhì)都帶有負(fù)電荷，易被負(fù)電荷的納濾膜截留，且對膜不產(chǎn)生污染。pontius ew.采用納濾膜處理造紙廠的廢水，得到無色、透明，不含陰離子廢物的滲透水。且滲透水cod、toc和無機(jī)物含量的去除率均可達(dá)到80%以上。de pinho和geraldes等采用納濾與電滲析組合處理紅麻制漿廠漂洗出水，結(jié)果陰離子幾乎全部除去，naci量降低到60×10 -6，基本可回用于造紙工藝。
楊友強(qiáng)、李友明等采用spk100超濾膜對化機(jī)漿廢水進(jìn)行處理，超濾濃縮液的燃燒熱為15.54kj/g，固形物含量為188.9g/l，達(dá)到了堿回收工段的要求。采用能耐介質(zhì)ph值為1～14的無機(jī)分離膜處理堿性造紙黑液，不必調(diào)整黑夜ph值，就可以回收其中有用組分，分離過程為純物理過程，流程簡單，易于管理和維護(hù)。利用不同孔徑的膜可分別回收纖維素、膠體sio2、木質(zhì)素和還原糖，最終透過液中主要含燒堿，調(diào)整其濃度，即可回用于蒸煮制糖。
除此之外，膜分離技術(shù)還可以與生物處理工藝相結(jié)合，即膜生物反應(yīng)器。膜生物反應(yīng)器是將膜分離技術(shù)與生物處理工藝相結(jié)合而開發(fā)的新型系統(tǒng)，是近年發(fā)展較快的高效廢水處理技術(shù)，在處理難降解有機(jī)物廢水方面有明顯的優(yōu)越性。采用中空纖維膜組件和活性污泥反應(yīng)器組成的分置式膜生物反應(yīng)器，對造紙廢水的codcr的去除率較高，處理后的水可回用，且出水穩(wěn)定性好，一般穩(wěn)定度可達(dá)到85%以上。
4.膜分離技術(shù)在印染廢水處理方面的應(yīng)用
染料工業(yè)生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的高鹽度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)>5%)，高色度(數(shù)萬倍以上)，高cod ，(高達(dá)數(shù)萬mg/l)的廢水，且還混有相當(dāng)數(shù)量的異構(gòu)體。由于該類廢水的bod 5 與codcr的比值通常低于0.3，可生物降解性差，同時廢水中所含無機(jī)鹽還將進(jìn)一步降低廢水的生物降解性。高濃度的染料廢水對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，直接影響染料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
劉梅紅等采用納濾技術(shù)對上海某染料廠提供的藍(lán)色染料廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明：納濾膜對染料的截留率和色度的去除率保持在100%左右，即使過程回收率達(dá)到80%(濃縮5倍)情況下，膜對廢水中色度和codcr的去除率仍高達(dá)99%以上。陳國華等]采用atf50型納濾膜對香港的印染廢水進(jìn)行處理，cod分別為14 000mg/l和5 430mg/l的兩股廢水經(jīng)納濾后，cod截留率分別達(dá)到95%和80%～85%，出水達(dá)到香港排放標(biāo)準(zhǔn)。
膜技術(shù)不僅可以處理印染廢水也可以回收其有用成分。董波等人采用聚丙烯腈超濾膜進(jìn)行了涂料廢稀料的回收。結(jié)果表明，用超濾法可以回收涂料稀料中的溶劑，且回收的混合溶劑組成與原稀料溶劑組成基本相同，可用于洗罐和部分涂料的摻和料。
5.膜分離技術(shù)在石油化工廢水處理方面的應(yīng)用
石油工業(yè)廢水主要包括石油開采和煉制過程中產(chǎn)生的含各種無機(jī)鹽和有機(jī)物的廢水，其成分復(fù)雜，處理難度大，一般方法難以取得理想的處理效果。膜技術(shù)可有效處理廢水及回收有用物質(zhì)。含酚的石油工業(yè)廢水毒性很大，必須脫除后才能排放，若采用納濾技術(shù)，不僅酚的脫除率可達(dá)95%以上，且在較低壓力下就能高效地將廢水中的鎳、汞等重金屬高價(jià)離子脫除，其費(fèi)用比反滲透等方法低得多。ohya等成功地制備出一種聚酰亞胺納濾膜，該納濾膜具有高通量并耐高壓、高溫及耐有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，截留相對分子質(zhì)量為170～400，能有效地分離汽油和煤油。張?jiān)Ｇ涞妊兄瞥鼍垌恳籥1 0，復(fù)合膜超濾技術(shù)，并用該復(fù)合膜對華北油田北大站外排水砂濾后水樣進(jìn)行了超濾處理，原水油的質(zhì)量濃度為640mg/l，處理后油質(zhì)量濃度小于0.5mg/l，完全符合回注水的要求，截留率皆在99%以上，復(fù)合膜運(yùn)行一定時間后，清洗后水通量恢復(fù)率較高。李發(fā)永等在國內(nèi)最早采用膜技術(shù)處理采油污水，先用外管式聚砜(ps)超濾膜處理采油污水;然后采用磺化聚砜(sps)平板式和外管式超濾膜再次處理含油污水，結(jié)果表明sps膜通量隨磺化度的增加而提高，且優(yōu)于ps膜，透過液基本達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)及低滲透油田注水標(biāo)準(zhǔn)。
6.膜分離技術(shù)在其他工業(yè)廢水處理方面的應(yīng)用
隨著醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展，制藥廢水越來越多，已成為工業(yè)廢水中的重要部分，膜分離技術(shù)是處理該類廢水的新技術(shù)。近年來，超濾法在中藥制劑領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也逐漸開展。任冬偉等人 采用超濾法對生物農(nóng)藥新型蘇云金桿菌(bt)殺蟲劑進(jìn)行了工業(yè)性生產(chǎn)試驗(yàn)，結(jié)果對每釜6t發(fā)酵罐生產(chǎn)的料液，只須2h時即可濃縮完，細(xì)菌數(shù)由60(l/ml濃縮到150(l/ml，鏡檢觀察細(xì)菌無傷害，且非?；钴S，取得了滿意的結(jié)果。張茂林等人在東北制藥廠采用超濾技術(shù)對傳統(tǒng)的維生素c (vc)生產(chǎn)工藝進(jìn)行改造，使vc收率提高5%，且節(jié)汽，節(jié)水，節(jié)能和減少環(huán)境污染。膜使用壽命達(dá)3年以上。除此之外，超濾和其他技術(shù)聯(lián)用的處理效果更理想。劉路等采用超濾與納濾組合進(jìn)行林可霉素發(fā)酵液的分離濃縮，超濾截留除去固體顆粒及蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)，起凈化作用，納濾基本截留全部的可林可霉素。
膜分離技術(shù)在生活飲用水處理方面的應(yīng)用
膜分離技術(shù)在水的凈化與純化方面即從水中去除懸浮物、細(xì)菌、病毒、無機(jī)物、農(nóng)藥、有機(jī)物和溶解氣體等發(fā)揮了獨(dú)特的分離作用。微濾可去除懸浮物和細(xì)菌，超濾可分離大分子和病毒，納濾可去除部分硬度、重金屬和農(nóng)藥等有毒化合物，反滲透幾乎可除去各種雜質(zhì)，電滲析可除氟，電化膜過程可對水消毒及產(chǎn)生酸性水和堿性水，膜接觸器可去除水中揮發(fā)性有害物質(zhì)，因此歐、美、日等國家和地區(qū)將膜分離技術(shù)作為21世紀(jì)飲用水凈化的優(yōu)選技術(shù)。我國反滲透應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代，90年代起在飲用水處理方面獲得普及， 目前已應(yīng)用于家庭飲用純水的處理。1999年1月18日正式投產(chǎn)運(yùn)行的秦皇島熱電純凈水公司的飲用水制水設(shè)備采用加拿大格蘭特科技有限公司grt—wp一13k型反滲透凈水設(shè)備，由前處理、反滲透、殺菌處理系統(tǒng)等部分組成，凈水產(chǎn)量2t/h 。
結(jié)束語
半個世紀(jì)以來，膜分離完成了從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，成為一項(xiàng)高效節(jié)能的新分離技術(shù)。膜分離技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用既保護(hù)環(huán)境，又回收有用物資。除上述應(yīng)用外，膜分離技術(shù)在電鍍廢水、電泳漆廢水、纖維工業(yè)廢水、食品加工、醫(yī)療醫(yī)藥、攝影廢水和放射性廢水等方面也都有很多應(yīng)用。但是膜技術(shù)畢竟還是一門年輕的發(fā)展中的綜合性學(xué)科，膜分離技術(shù)正處于發(fā)展上升階段，無論是理論上還是應(yīng)用上都還有很多工作要做，所以還需要不斷探索，不斷開發(fā)新的過程，研制新的材料，將膜技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和完善，使它在各個領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
來源:《通用機(jī)械》 作者:周軍等
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