膜分离技术在环境工程中的应用

膜分离技术在环境工程中的应用摘要：膜分离技术作为一种新兴的分离技术，具有高效、节能、应用范围广等独特优点。以压力为驱动力的膜分离技术有反渗透（RO）、纳滤（NF）、超滤（UF）和微滤（MF）。针对日益恶化的环境问题，论述微滤、超滤、反渗透、纳滤、渗透汽化、液膜、集成膜技术等膜分离技术及特点，介绍膜分离技术在环境工程中的应用现状和存在的主要问题，并对其发展前景做出展望。关键词:膜分离技术环境工程膜污染技术展望关键词:膜分离技术环境工程膜污染技术展望随着社会经济和工业化的发展，世界各国都面临着日益恶化的环境问题，如自然生态系统遭到废弃物的激增等。环境污染是由于人类生产活动排出的各种物质的质和量超过自然界的自净能力而产生的。环境保护就是使自然生态系统免遭破坏或将生产过程中排出的有用物质回收并加以利用。膜分离技术是近年来在全球迅速崛起的一项新技术，近半个世纪以来，膜分离技术得到了迅猛的发展。膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法与传统的分离操作相比，具有能耗低、分离效率高、无二次污染、工艺简单的优点。因此在苦咸水淡化、饮用水处理、食品工业、医药工业、石油化工工业、生物工程、核工业、环境工程等领域得到了广泛应用。本文将介绍一些膜分离技术在环境工程中的应用。1膜分离技术简介1.1膜分离技术的定义膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质，当在两侧施加某种推动力时，原料侧组分就会选择性透过膜，从而达到分离和提纯的目的。1.2膜分离技术的优点[1-4]（1） 膜分离技术能耗低。因为膜分离过程不发生相变化，这对于克服国家的能源危机有相当的意义。（2） 膜分离技术对于热敏感物质分离效果好。因为膜分离技术是在常温下进行的。（3） 膜分离技术适用的范围广，且反应过程不会改变物质的属性，也不需要有添加剂参加反应，不会带来新的污染物和浪费其他的物质，可用于多种类型的水处理过程。（4） 膜分离技术所需设备简单，便于维修，而且设备占地面积一般小于常规处理方法，处理效果好，所以运营成本低。（5） 膜分离技术处理的出水水质优良。膜分离技术可以有效地去除水的臭味、色度、消毒副产物前体及其他有机物和微生物。（6） 膜分离技术处理的出水水质稳定。其出水水质取决于膜选择性的大小，与原水水质及运行条件基本无关。2各种膜分离技术及其在环境工程中的应用微滤（MF）微滤技术是目前所有膜技术应用最广泛的一种膜分离技术。微滤主要用于过滤0.1-10皿大小的颗粒、细菌、胶体。其过滤原理和普通过滤相似属于筛网过滤。微滤过滤具有操作压力低(<0.2MPa)，对水质的适应性强、占地面积小的优点。微滤作为较经济的微过滤方式在饮用水处理方面应用广泛，可代替常规的澄清过滤和二沉池，在水质波动较大时仍可连续处理，占地面积小；用于各种废水的预处理，以降低浊度、悬浮物，满足后处理进水要求。微滤的过滤方式有死端过滤和全量过滤两种方式。死端过滤是一种低能耗、高产出的过滤方式但滤饼层随着过滤时间的增加逐渐增厚，溶液的透过量降低，因此如何及时清洗滤饼、恢复水通量成为死端过滤的关键"I。开发耐高温、耐溶剂、耐污染、易清洗的膜及膜组件是尚需研究的课题。超滤(UF)超滤膜也属于压力驱动膜，其分离原理一般认为是筛分过程。其孔径范围为0.05-1nm［7］。超滤主要用于去除固体颗粒物、悬浮物、从溶液中分离大分子物质和胶体。用超滤膜处理电泳涂漆废水已在我国汽车工业、电器工业部门得到了广泛应用，通过超滤膜的分离特性将有大量金属离子杂质的电泳漆从废水中回收出来重新利用［8-9］。北京市环保所与北京市毛纺厂合作于1983年用超滤膜处理羊毛精制废水，羊毛清洗液中COD为20000-50000mg/L，运行中超滤膜对羊毛脂的截留率为90%-95%，悬浮物的截留率〉99%，TDS为40%-80%，使废水中的COD明显降低，改善了废水的可生化性，取得了良好的经济效益和环境效益。超滤膜应用的主要问题是膜通量随运行时间的延长而降低、膜污染和浓差极化严重,价格高、需要复杂的预处理是其应用的主要障碍［I。］。开发大通量、高强度、耐高温、抗污染、抗氧化、便宜长寿命的超滤膜及膜组件是今后研究的重点。纳滤(NF)纳滤介于反渗透和超滤之间，是20世纪80年代出现典型的反渗透复合膜之后研制开发的又一种新型分子级的膜分离技术。纳滤也属于压力驱动型过程,其操作压力通常为0.5MPa-1.0MPa；纳滤膜的一个显著特点是具有离子选择性，它对二价离子的去除率高(95%以上)，一价离子的去除率低(40%-80%)［11-12］。因此纳滤广泛应用于河水及地下水中含三卤甲烷中间体THM、低分子有机物、农药、异味、硝酸盐、硫酸盐、氟、硼、神等有害物质的去除，废水的脱色，废水中不同有机物的分级浓缩［⑵。纳滤膜在低压下具有高通量,在许多场合，它比反渗透投资成本和操作费用低。纳滤膜易污染，对进水水质要求高，需要复杂的预处理,限制了纳滤膜的应用。相信随着预处理水质的提高和膜性能的改善，今后在环保领域会有较大的发展。2.4反渗透(RO)反渗透膜几乎对所有的溶质都具有很高的脱除率，反渗透出水水质很高，在水处理中通常用于除盐处理。反渗透在环保领域的大规模应用是饮用水质的改善、城市污水、工业废水和垃圾渗滤液的处理。垃圾渗滤液成分复杂它不仅含有高浓度有机物，而且含有高浓度的氨氮、碱度和重金属等。由于高浓度氨氮的毒副作用，使垃圾渗滤液不能用传统的活性污泥法处理,Rautenbatch等对垃圾渗滤液进行大量的研究，于1989年在Schonberg填埋场建立当时德国最大的渗滤液反渗透处理厂［7］。反渗透存在的主要问题是膜污染和浓差极化。开发价廉、超低压、耐污染、耐高温、抗氧化的膜材料是研究的重点。2.5液膜(LM)液膜就是悬浮在液体中的一层很薄的乳液颗粒,其分离机理通常认为是选择性渗透、化学反应、萃取和吸附［13］。液膜和固膜相比具有传质速度快、选择性高、分离效率高的特点。液膜分离特别适合于溶液中特定离子和有机物的分离。液膜分离已应用于医药化工、湿法冶金和废水处理等研究领域。采用表面活性剂的液膜处理某工厂含酚废水除酚率大于99%。液膜法处理含有氨、苯胺和其它苯胺类化合物的废水，废水中氨、苯胺类物质的去除率达到98%以上［14］。液膜法处理有毒、难降解废水具有设备简单、操作方便的特点，而且分离富集的有用物质可以回收利用，使废水得到资源化处理。当前液膜分离技术的重点是解决液膜的稳定性问题，找到节能的快速破乳方法，开发连续性运行的配套专用设备及高性能的支撑膜组件。2.6渗透汽化(PVAP)渗透汽化又称渗透蒸发，它是利用液体中两种组分在膜中的溶解度和扩散系数的差别，其中易溶解组分较多的溶解在膜上，并扩散通过膜，在膜的另一侧汽化而被抽出，从而实现分离的膜过程。渗透汽化最显著的优点是具有很高的单级分离度，一级分离系数可高达1000；渗透汽化是发生相变的一种膜过程，需要消耗热能，它具有污染少甚至无污染的优点。渗透汽化的缺点是渗透通量小，一般不超过1000g/(m2/h)，而具有高选择性的PVAP膜，渗透通量往往只有100-200g/(m2/h)［7］。渗透汽化在环境工程的应用主要在化工、航天、食品工业等领域，如啤酒脱醇，处理有机物(如含芳烃和卤代烃)的废水，在宇宙飞行中处理实验室废水等［15］。渗透汽化具有极高的单级分离效率，随着膜性能的不断提高，其应用领域会不断拓宽，特别在恒沸混合物分离、回收溶剂和脱除微量水方面会越来越大的发挥其独特的优势。2.7集成膜技术(IMT)集成膜技术就是将膜技术与其它传统工艺的优化组合，将膜技术和传统工艺技术进行优化组合可进一步拓展膜技术的应用领域，充分发挥膜技术的节能、高效等优越性，有效的降低生产成本［16］。如采用浸没式活性污泥的反应器处理生活污水；造纸黑液中回收木质素磺酸钠要用絮凝、UF和RO等方法集成；采用生物发酵制取无水乙醇要用膜反应器、蒸馏和渗透汽化等方法集成；去除废水中有毒物质需采用膜萃取及反萃取将毒物浓缩，再放入膜反应器中净化等方法集成。采用集成膜技术可以使各种废物变废为宝，有效的减轻环境污染，延长组件的使用寿命。今后研究的重点是充分利用现有的膜材料和膜技术并形成杂化的膜技术［7，16-17］。3膜分离过程中的污染问题膜分离技术用于净水处理工艺的最大问题是原水中的污染物使水通量下降，导致频繁冲洗甚至换膜，从而使制水成本上升。导致水通量下降的原因有两个，一是浓差极化；二是膜污染。3.1浓差极化浓差极化是水中的胶体或有机物积累在膜表面，生成浓差极化层，使膜阻增加，产生水通量下降。浓差极化造成的水通量下降可通过反冲洗将透水通量恢复，是可逆转的。3.2膜污染膜污染导致的水通量下降，用水力或化学清洗往往很难将其恢复，是不可逆转的。一般认为，水中的天然有机物(NaturalOrganicMatters，NUM)，特别是腐植酸类的有机物是导致膜污染的主要因素。TOC是衡量引起膜污染有机物浓度的重要指标。许多研究表明，水中的TOC越高，膜污染就越严重。膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或阻塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。对于膜污染，应当说，一旦料液与膜接触，膜污染即开始。也就是说，由于溶质与膜之间相互作用而产生吸附，开始改变膜特性。Jensen和Jhorsen介绍了挪威水厂的运行经验，发现膜的选择和运行状态是影响膜污染的重要因素［18］。选择膜时应注意选用的膜材料与被分离的溶质间的相互作用越弱越好，这样在过滤过程中，膜不但不易被污染，即使受到污染也很容易清洗下来，使膜的透水通量很快得到恢复。膜的亲水或疏水性、荷电性会影响到膜与溶质间相互作用的大小，通常认为亲水膜及膜材料电荷与溶质电荷相同的膜较耐污染。因为亲水的膜表面与水形成氢键，这种水处于有序结构，当疏水溶质要接近膜表面，必须破坏有序水，这需要能量，不易进行。Laine等人［19］实验证明，亲水性膜比疏水性膜对于由有机物质吸附到膜面上造成膜污染的敏感性要低一些。法国由Cabassud等人3］进行的小规模实验研究也有此结果。为了改进疏水膜的耐污性能，一般可采用膜表面改性法引入亲水基因，或用复合膜手段复合一层亲水性分离层，也可用阴极喷镀法在膜表面镀一层［2。］。在保证能截留溶质中污染物的前提下，应尽量选择孔径或截留分子量大的膜，以得到较高透水量。但事实证明，膜孔径较大时，大分子物质容易进入微孔内产生阻塞，反而有更高的污染速率，引起透水量大幅度下降。因此，膜的孔径或截留分子量的选择，应根据原水中有机物分子量分布通过实验确定。为减少膜污染，日本东京大学采用紫外线对进水进行预处理，膜组件是聚乙烯中空纤维膜，膜孔径为0.1Mm膜通量恒定维持在20.83L/（h・m-2），紫外线由低压汞灯产生。实验表明：在没有紫外线预处理的情况下，膜的工作压力约75d从20KPa增加100KPa，而经紫外线预处理后，160d左右膜的工作压力才增加到100KPa。由此可证明：紫外线预处理有效地抑制了膜污染。在处理饮用水过程中，应尽可能地创造条件，减轻膜的浓差极化，延缓膜的污染，从而延长膜的使用周期和使用寿命，取得更佳的经济效益。4膜处理技术展望膜处理技术已经已经取得了显著成效，但是还存在着一些问题，展望未来，膜处理技术会在下面几个方面上继续深化研究：（1） 将最新的材料科学研究成果应用到膜技术中，发展新型膜材料，延长膜的失效时间，保证膜装置长期稳定运行，减少膜废弃物的量。（2） 大力推进膜分离技术的工业化应用。目前膜分离技术大多处于实验研究阶段，中试规模的研究也有一些，但大规模工业化应用还不多见。因此需要加大开展膜分离技术应用研究，解决限制膜技术应用的技术难题，实现膜技术更大规模的应用。（3） 研究多种技术联合使用工艺，达到最佳处理效果。单独采用一种方法来处理废液将会逐渐被淘汰，兼顾各种方法的优缺点，扬长避短将各种方法结合使用，更能取得理想的效果。从国内外相关报道不难看出，这种努力已将取得巨大成功；因此针对不同类型的废液采取适宜的几种方法联合处理将会成为未来发展的主流。（4） 优化工艺流程，提高现有方法的净化系数，降低运行成本。5小结膜分离技术是一种较先进的分离方法，可广泛应用于电镀、化工、造纸等废水的处理，它具有酸碱度不强、耗电少、节能等优点，为广大消费者及生产厂家普遍看好，同时它对保护环境及综合利用具有一定借鉴意义。随着人们环保意识的增强，随着膜技术的进一步发展，膜分离技术在提高饮用水水质、水污染控制、大气污染控制等方面将会得到迅猛发展。膜分离技术在环保领域的应用潜力很大,发展前景十分广阔。我国的膜技术在环保领域的应用与世界先进水平尚有较大差距，开发、制造高强度、长寿命、抗污染、高通量的膜材料对于不同的污染源采用不同的膜技术及相应的配套工艺，以达到降低投资和运行成本，更好的推广膜分离技术在环保领域的应用。在膜使用中着重解决膜污染、浓差极化及清洗等关键问题。参考文献：许振良.膜法水处理技术[M].北京:化学工业出版社，2001.MallevialleJ，OdenddaalPE，WiesnerMR.WaterTreatmentMembraneProcesses.AmericanWaterWorksAssociationResearchFoundation[R].LyonnaisedesEauxandwaterResearchCommissionofSouthAfricaRRDonnelley&SonsCompany，1996.周克元.新技术在环境保护中的应用[M].北京:中国环境科学出版社，1990:21-33.朱长乐，刘茉娥.膜科学技术[M].杭州:浙江大学出版社，1991.张文芸.关于饮用水处理技术的研究.科技情报开发与经济,Vol.15No.12005.王建梨，计建炳,徐又一•膜分离技术在水处理领域的应用[J].膜科学与技术,2003,23(5):65-68.邵刚.膜法水处理技术及工程实例[M].北京:化学工业出版社,2002.许振良.污水处理膜分离技术的研究进展(一)(二)[J].净水技术,2000,18(3-4):3-6.王静，张雨山.超滤膜和微滤膜在废(污)水处理中的应用研究现状及发展趋势[J].工业水处理,2001,21(3):4-8.雷晓东，熊蓉春，魏刚，等.膜分离法污水处理技术[J].工业水处理,2002,22(2):1-3.张国亮，陈益棠.纳滤膜软化技术在海岛饮用水制备的应用[J].水处理技术,2000,26(2):67-70.李秀芬，负学启.压力驱动膜过程在饮用水处理中的应用[J].净水技术,