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膜分离技术在处理重金属废水中的应用

发布时间:2012-2-9 11:36:13  中国污水处理工程网

重金属废水是指矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业生产过程中排出的含重金属的废水。重金属(如含镉、镍、汞、锌等)废水是对一环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水之一,其水质水量与生产工艺有关。如震惊世界的水俣病及骨疼病就是由于含汞和含镉废水污染所致。废水中的重金属一般不能分解破坏,只能转移其存在位置和转变其物化形态。近年来,人们对重金属污染日益重视,对重金属废水的治理和排放标准日趋严格。环保工作者不断寻求更加安全和经济的方法来处理重金属废水,以减少或消除重金属在环境中的积累,满足日益严格的环保要求。

重金属废水处理的传统工艺大多存在着处理效果不好、处理成本高、工艺流程复杂和设备占地面积大等缺点。膜技术作为一种新兴的分离技术,由于具有分离效率高、能耗低、无相变、操作简便、无二次污染、分离产物易于回收、自动化程度高等优点,在水处理领域具有相当的技术优势。膜分离的基本原理是在某种推动力作用下,利用膜的选择透过性进行分离和浓缩。根据膜截留组分粒径大小的不同及膜性能的差异,目前常见的膜分离过程可分为以下几种,微滤(Microfiltration,MF)、超滤(Ultrafiltration,UF)、纳滤(Nanofiltration,UF)、反渗透(Reverse smosis,RO)、电渗析(Electrodialysis,ED)等。文章就膜分离技术的原理、特点及在重金属废水处理中的应用作一综述。

1 电渗析法

电渗析是在外加直流电场的作用下, 利用离子交换膜的选择透过性, 使离子从一部分水中迁移到另一部分水中的物理化学过程。电渗析器, 就是利用多层隔室中的电渗析过程达到除盐的目的。电渗析器由隔板、离子交换膜、电极、夹紧装置等主要部件组成。离子交换膜对不同电荷的离子具有选择透过性。阳膜只允许通过阳离子, 阻止阴离子通过, 阴膜只允许通过阴离子, 阻止阳离子通过。在外加直流电场的作用下, 水中离子作定向迁移。由于电渗析器是由多层隔室组成, 故淡室中阴阳离子迁移到相邻的浓室中去, 从而使含盐水淡化。目前主要用于电镀工业漂洗水回收重金属。含Cu2+、Ni2+、Zn2+和Cr2+等金属离子的废水都适宜用电渗析处理,其中含镍废水处理技术最为成熟,已有成套工业化装置。但电渗析法处理废水要求具有足够的电导以提高渗透效率,因此处理水中电解质的浓度不能过低。例如,电渗析用于处理镀镍清洗水时,要求清洗水中镍盐的浓度不低于1.5g/L。

2 液膜

液膜通常是由溶剂、表面活性剂和添加剂制成的。溶剂构成膜基体;表面活性剂起乳化作用,它含有亲水基和疏水基,可以促进液膜传质速度并提高其选择性;添加剂用于控制膜的稳定性和渗透性。液膜将两种组成不同的溶液隔开,经选择性渗透而使物质分离提纯,可从低浓度废水中分离、富集重金属离子。近期Rania Sabry 等以span-80为表面活性剂,D2EHPA为载体,磷酸作为萃取相进行研究,在最佳条件下,对铅离子的萃取率可达99%~99.5%。液膜分离技术具有设备简单、选择性较高、能耗低等优点,作为一种新型的化工单元分离手段,在节约能源 资源综合利用以及环境保护等方面日益显示其强大的生命力。

3 反渗透

反渗透(Reverse Osmosis,RO)技术借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用,在高于溶液渗透压的压力动力下,是溶剂渗透通过半透膜,达到分离的目的。胡齐福采用两级RO膜系统对含镍250~350mg/L的漂洗废水进行处理,对镍的截留率达99.9%以上,经两年多运管行考察,系统运行平稳,各项指标基本达到设计要求,经济效益较为明显,年净收益达43.34万元,且出水可达到回用要求.总之该工程在技术上可行,而且还产生了良好的经济效益、社会效益和环境效益,对电镀行业的可持续发展具有重要意义.反渗透法用于处理含铜、锌废水也取得了满意的效果。据报道,用反渗透处理铜氰电镀漂洗水已获成功,截留率在99%以上;工业规模的反渗透系统用来处理磷酸锌电镀废水,可使90%的废水得到回用。反渗透几乎截留所有无机物质,特别适宜稀溶液的浓缩,但对浓度较高的溶液的处理将受到渗透压和膜本身耐压的限制,水回收率较低。

4 纳滤

纳滤(NF)是介于反渗透和超滤之间的一种膜分离技术,分离机理基于空间效应和Donna效应。纳滤膜对无机盐的截留效果主要取决于膜对离子的电荷效应的强弱。NF技术已经广泛应用于给水处理、化工、制药、食品加工等工业过程,与传统技术方法相比,纳滤分离技术具有较高的体积浓缩因子,不产生二次污染,处理效率高、能耗低等独特的优势。在金属加工和合金生产中,经常需用大量的水冲洗,清洗水中含有浓度很高的镍、铁、铜等工业金属,采用纳滤膜技术,不仅可以回收90%以上的废水,浓缩后的重金属具有回收利用的价值。陈桂娥、叶琳、余小东、朱贤等人通过研究纳滤膜处理镀铬废水发现在低压下截留率比较稳定,可达到95%以上。同时,浓度低时(20mg/L),离子截留率稳定后在99%以上,浓缩过程中的离子截留率也比较稳定,因而起到了分离的作用。张国亮等指出,纳滤膜在海岛饮用水制备中可有效地除去对人体健康不利的Mg2+、Ca2+等(脱除率≥96%)。

就我国目前现状而言,在此方面亟待解决的主要有两方面:①制膜技术,我国的制膜技术还处于实验室阶段,建议加大制膜技术的研究力度,打破国外垄断,降低用膜企业的生产成本;②膜污染问题,可从研制新材料和优化NF使用工艺两方面着手,降低污染,延长纳滤膜使用寿命。

5 微滤

微孔过滤是以静压力差为推动力,利用膜的筛分作用进行分离的膜过程。微孔滤膜具有比较整齐、均匀的多空结构,在静压差的作用下[19-20],小玉膜孔的粒子通过滤膜,比膜孔大的粒子则被阻拦在滤膜面上,是大小不同的组分得以分离,其作用相当于“过滤”。由于每平方厘米滤膜中约包含1千万至1亿个小孔,孔隙率占总体积的70%-80%,故阻力很小,过滤速度较快。

许多文献都报道了对含镍废水的不同处理方法。其中普遍应用的有化学还原沉淀法、离子交换法等。这些方法的处理效果都很好,但是还存在一些缺陷,例如污泥量大、水力停留时间长,或者是投资大、处理成本高、操作复杂等.甘胜采用的混凝—微滤工艺是将传统的化学沉淀与微滤膜分离相结合的一种新的处理方法.已有研究报道应用此工艺生产饮用水和处理含铬废水等,出水效果优于单一的混凝法或膜分离法.混凝—微滤工艺应用于含镍废水的处理与上述方法相比具有流程简单、工作压力低(0.01~0.03MPa)、水力停留时间短、能耗低、污泥量少、占地面积小的优点.目前,以MF的应用最广,经济价值最大,它是现代大工业,尤其是尖端技术工业中确保产品质量的必要手段。

沉淀-微滤法处理重金属废水的基本原理是用碱中和使溶液中的重金属离子反应生成沉淀或胶体,再通过微滤膜过滤,以实现分离浓缩。Broom等利用重金属沉淀物(经石灰或硫化物处理)形成的动态膜,采用微滤法去除混合电镀废液中的重金属。史红文等选择0.5 μm孔径的无机膜,采用沉淀-微滤法去除电镀废液中的Ni2+,能保障出水中Ni≤1.0 mg/L,达到国家排放标准,缺点是膜污染严重,且因大多数处理须在强碱或硫化物条件下进行,所用膜的种类也受到了很大的限制。具体参见http://www.topicons.com更多相关技术文档。

6 超滤

一般认为超滤是一种筛孔分离过程,在静压差为推动力的作用下[19-20],原料液中溶剂和小溶质粒于从高压的料液侧透过膜到低压侧,一般称为滤出液或透过液,而大粒子组分被膜所阻拦,使它们在滤剩液中浓度增大。按照这样的分离机理,超滤膜具有选择性表面层的主要因素是形成具有一定大小和形状的孔,聚合物的化学性质对膜的分离特性影响不大。总之,超滤对去除水中的微粒、胶体、细菌、热源和各种有机物有较好的效果,但它几乎不能截留允机离子。

一股认为UF的分离机理为筛孔分离过程,但膜表面的化字性质也是影响越滤分离的重要因素。即超滤过程中溶质的截留有在膜表面的机械截留(筛分)、在膜孔中停留而被除去(阻塞)、在膜表面及膜扎内的吸附(一次吸附)3种方式。

近年来,陈红盛等[27]采用聚合物强化陶瓷超滤膜处理重金属废水,处理效率达到98%以上。利用络合剂的对离子的选择性可实现离子的选择性分离,陈桂娥等进行了PAA络合超滤分离镧和铕离子的实验研究。络合超滤的解络合是制约络合超滤工业化应用的主要因素,因此高效的解络合技术的研究将有助于络合超滤技术的工业化。张永锋与许振良认为络合--超滤耦合过程不仅可得到达到回用水标准的处理水, 而且还可以将重金属废水浓缩,以便进一步回收重金属,是一种有前途的处理重金属废水的方法。

结语

膜分离作为水处理技术中的先进技术得到越来越广泛的应用,但膜污染物及膜劣化的问题长期制约着处理工艺,使得怎样提高膜分离效率和利用率,成为膜分离技术中的关键问题。膜分离技术作为一种新型和高效的水处理技术受到各国水处理研究者的普遍重视,并取得了许多成功经验。今后随着膜制备技术的不断提高,膜分离在重金属废水处理领域必将得到更广泛的应用。(谷腾水网)

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