多效膜蒸馏法浓缩回收二甲基亚的研究

多效膜蒸馏法浓缩回收二甲基亚的研究

二甲基硝胺（mts）广泛应用于许多工业领域，如医药、化工、电子、合成纤维等。DMSO具有高渗透性,对许多生物存在毒副作用,且DMSO废水的可生化性很差,一般传统生物处理过程中会产生恶臭气味(如二甲基硫醚、硫化氢等)膜蒸馏技术,以其操作条件温和、分离效率高、设备体积小和可利用低温热源等优点,在废水处理方面显示了广阔的应用前景。但由于传统膜蒸馏过程中需要提供大量蒸发热来实现相变过程,其造水比通常小于11材料和方法1.1反渗透cod型料液:含DMSO的化纤废水(DMSO浓度为6.2g/L,COD为1473mg/L,室温下电导率为51μS/cm),某碳纤维厂洗涤污水。试剂:二甲基亚砜,天津市江天化工技术有限公司,分析纯。1.2聚丙烯中空纤维膜的制备双Y型气隙式多效膜蒸馏组件,由天津凯铂能膜工程技术有限公司提供,膜组件内含750根聚丙烯中空纤维膜和1500根实壁毛细管管,其中聚丙烯中空纤维膜外径0.63mm,内径0.33mm,孔隙率65%,平均孔径0.2μm,有效长度1.05m,有效膜面积0.82m1.3膜组件内蒸汽分压差如图1和图2所示,多根中空纤维微孔疏水膜(简称微孔膜)和实壁毛细管(简称实壁管)严格平行间隔分布在膜组件中,其中膜与管的根数比例为1∶2。冷料液在低温T多效膜蒸馏过程中,微孔膜内的热料液与实壁管内的冷料液进行逆流换热,两股流体的温度差决定了微孔膜两侧蒸汽分压差,为蒸汽跨膜传质提拱了推动力。在多效膜蒸馏组件中实现了蒸汽冷凝与冷料液加热耦合,即利用蒸汽潜热对料液进行预热,提高传统膜蒸馏过程的热利用率1.4dmso纯水溶液和含dmso化纤废水的表面张力室温下,分别测定0~400g/L浓度下的DMSO纯水溶液和含DMSO化纤废水的表面张力(γ)值。其中高浓度DMSO废水是通过精馏柱浓缩得到的,以保证浓缩过程中无DMSO损失。1.5dmso水溶液对化纤废水表面张力的影响实验前先用去离子水和含300g/LDMSO的水溶液分别对膜组件进行加压法测漏实验。壳程压力维持在0.10MPa下持续2h以上,以保障膜组件不发生泄漏。如表1所示,0~300g/L范围内化纤废水具有较高的表面张力。由于实壁管进口处的压力(<0.06MPa)和微孔膜进口处的压力(<0.03MPa)均远低于测漏压力,故可认为300g/L以下的DMSO水溶液不会产生膜润湿的问题。原化纤废水经过微超滤后进行MEMD实验,实验流程如图2所示,原料液泵入膜组件底部的实壁管管程中,从实壁管顶部流出后经外部换热器进一步加热;加热后的热料液从膜组件上部返回膜组件的膜管程中,浓缩液从膜管程底部流出,经换冷器降温后返回料液槽内。1.6分析1.6.1蒸发冷凝器液量的确定渗透液通量(fluxofmembranedistillation,简称膜通量)J,是指单位时间单位有效膜蒸发面积产生的蒸发冷凝液体积量,其表达式为:式中:q为单位时间膜组件产生的蒸发冷凝液量,L/h;S为有效膜面积,m造水比(gainedoutputratio,GOR),是指膜蒸馏过程中从料液中汽化单位量的渗透液所需要的热量与使用外部热源加热料液提供的热量之比,用于直接反映多效膜蒸馏过程的热量利用率式中:ΔH多效膜蒸馏组件壳程内的气相组成沿中空纤维膜的轴向呈梯度变化,而收集到的渗透液组成为其平均值,因此采用膜的平均分离因子α,表征膜对水和DMSO两者分离效果,其计算公式为式中:yDMSO的回收率R,表征多效膜蒸馏过程中DMSO的损失情况,其计算公式为:式中,C1.6.2mtso浓度的测量配制DMSO浓度梯度为0、20、40、60、80和100mg/L的标准液。采用紫外分光光度计在208nm2结果与分析多效膜蒸馏过程中的影响因素包括冷料液进料温度T2.1进料浓度控制实验运行过程中渗透液和浓缩液全部返回至料液槽,以保证进料浓度的恒定。料液初始体积为5L,待实验操作条件稳定1h后开始测定数据,每组实验重复3次。2.1.1进口温度为t在料液DMSO浓度C如图3(a)所示,膜通量随着进料温度T图3(b)表明,分离因子随进料温度T2.1.2进料流量对膜蒸馏过程的影响在料液DMSO浓度为6.2g/L,进料温度T图4(a)表明,膜通量随进料流量的增加而增加,造水比则随之下降。膜通量增大的原因是料液流量的增加使得膜管程及实壁管管程的传质传热边界层厚度减小,即削弱了浓差极化和温差极化现象,降低了膜蒸馏过程中传质和传热阻力如图4(b)所示,分离因子随进料流量增加而减下,而DMSO的回收率变化幅度不大,基本维持在99.8%附近。分离因子降低原因是伴随着进料流量增加,削弱了温差和浓差极化现象,使膜-液界面处的DMSO浓度和料液温度更接近料液主体,由于水/DMSO的相对挥发度随温度和料液浓度升高而有所降低2.1.3膜侧入口温度t在料液DMSO浓度C图5(a)表明,随着膜侧进口温度T如图5(b)所示,分离因子随膜侧进口温度T2.2dmso初始浓缩浓缩实验的操作条件选择为T如图6所示,浓缩初始阶段,由于渗透液的产量相对于料液体积比较小,浓缩液中DMSO浓度上升缓慢;当浓缩进行3h之后,料液中DMSO浓度出现大幅增大是因为料液体积相对较少而同时膜通量下降缓慢。浓缩初始阶段,由于料液浓度增幅不大,膜通量、造水比以及分离因子随浓缩时间而小幅下降,但当料液中DMSO浓度达到50~60g/L后,膜通量、造水比以及分离因子均随之出现了明显降低。DMSO的回收率在整个浓缩过程受料液浓度变化影响不大,基本维持在99.6%附近。由于浓缩过程中DMSO浓度增大,同等温度下水的蒸汽分压出现下降,进而造成水的渗透通量下降,虽然此时DMSO的渗透通量会随之增大,但由于DMSO蒸汽通量和潜热值远小于水蒸汽的通量和潜热值,结果导致膜通量和造水比的降低。此外,料液浓度的增大增加了膜程以及管程的边界层厚度,增大了传热传质阻力,对膜通量和造水比的降低也产生影响2.3膜组件的造水比和dmso回收率试验结果实验条件:分别以DMSO浓度6.2g/L和246g/L的5L化纤废水为原料液,进口流量F固定为30L/h,进料温度T如图7所示,随着操作时间延长,膜组件的膜通量、造水比和DMSO回收率基本保持稳定;在实验所用的2种浓度的化纤废水下,DMSO回收率在实验阶段内分别基本维持99.7%和99.4%左右;当料液浓度为6.2g/L时,分离因子在实验阶段内变化不大,而当料液浓度为246g/L时,分离因子在实验后期出现小幅度地降低,从29.8降至26.3。由表1可知,DMSO浓度增大会降低料液的表面张力,在稳定性实验中DMSO溶液与膜的长期接触,造成极少数的大孔径膜孔被润湿3dmso回收率和所需操作变量的影响本文采用具有内部潜热回收功能的自制多效膜蒸馏组件,以含DMSO的化纤废水为原料进行了浓缩实验研究,考察了进料温度、进料流量、膜侧热料液进口温度和料液浓度对多效膜蒸馏组件操作性能的影响,并对料液进行了深度浓缩及操作稳定性研究,得到如下主要结论:(1)多效膜蒸馏过程可以把6.2g/LDMSO化纤废水浓缩至200~300g/L。该过程呈现出高造水比和高选择性的优点。虽然在浓缩过程中膜通量、造水比以及分离因子随DMSO浓度上升会有所降低,当DMSO浓度为200g/L时,膜通量、造水比以及分离因子依然可分别高达3.74L/(m(2)膜侧热料液进口温度的升高会促使膜通量和造水比显著地提高,但分离因子则随之下降;料液进口温度的增大,造水比随之增大,但膜通量和分离因子则会随之下降;膜通量随进料流量的增大而增加,但是造水比以及膜分离因子都随进料流量的增大而下降;当料液中DMSO浓度达到50~60g/L后,膜通量、造水比以及分离因子都随进料浓度增大而呈明显下降趋势。单因素操作变量对DMSO的回收率影响不大,回收率基本保持在99.8%附近。实验过程中膜通量、造水比和分离因子的最大值分别为6.28L/(m(3)稳定实验表明,多效膜蒸馏过程在处理低浓度DMSO废水时具有良好的操作稳定性,对于处理20