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膜蒸餾技術處理RO濃水的研究現(xiàn)狀與進展

發(fā)布時間：2019/10/29 10:06:51     瀏覽次數(shù)：2284

反滲透脫鹽技術目前已經(jīng)廣泛用于海水淡化、工業(yè)循環(huán)水除鹽、污水處理回用等領域，但是反滲透的回收率最高約75%，其剩余濃水中含有大量有機污染物且TDS高，不易降解，直接排放將對生態(tài)環(huán)境造成危害，因此反滲透濃水處理是亟待解決的難題，文章對反滲透濃水處理的工藝方法進行了總結分析，其中重點探討現(xiàn)階段膜蒸餾技術處理反滲透濃水的優(yōu)勢與存在問題，并對其應用前景進行了展望。

　　隨著城市規(guī)模的擴大，人口的急劇增加以及生活水平的不斷提高，水資源短缺問題已成為影響社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的嚴重制約因素。近年來，反滲透技術(RO)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于海水淡化、工業(yè)循環(huán)水除鹽、污水處理回用等領域，主要用于水的軟化和脫鹽。

　　在海水淡化中，反滲透脫鹽成本逐年下降，工藝在經(jīng)濟、技術上的競爭力不斷增強，將成為21世紀脫鹽領域的主要技術之一。然而，反滲透在制備除鹽水過程中通常會有20%~60%的濃鹽水排放，該濃鹽水不僅具有很高的鹽濃度，還含有各種有機和無機污染物。

　　RO濃鹽水主要包括鹽、總溶解性固體(TDS)和溶解性有機質(DOM)等對環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害的優(yōu)先控制污染物。因此，RO濃鹽水如果不經(jīng)處理直接排放不僅影響水的回收率，造成水資源的浪費，而且還會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

　　1、RO濃鹽水處理的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

　　目前國內外對RO濃鹽水的處理有回流、綜合利用、脫鹽、直接排放等途徑。

　　1.1回流法

　　對RO濃鹽水進行回流可提高回收率，對膜表面增大沖洗流速，減少污堵;但回流率過高，又會使進水鹽度升高，增加膜的負擔，從而影響膜壽命。

　　NingRY等指出當回流率為80%時，膜裝置運行正常，反滲透的回流率最高可達90%，但容易導致結垢現(xiàn)象。Figueruelo的試驗表明當體積濃縮因子為2.5(濃水回流比為60%)時，可以維持穩(wěn)定的出水量。

　　1.2綜合利用

　　RO濃鹽水可以進行資源回收，常用壓力驅動膜來濃縮有機溶劑。海水淡化廠的RO濃鹽水可以用于制鹽，節(jié)約鹽田，縮短曬鹽周期;Allegre等用過濾、中和、納濾、反滲透工藝來處理染料廢水，由納濾排出的濃縮染料和反滲透排出的濃縮鹽水可被多次回用，這樣既減少了原料投入，又降低了廢水排放量。濃鹽水還可作為灌溉用水：對耐鹽度高的植物、產(chǎn)籽類作物，可用濃鹽水灌溉，還可作為生態(tài)景區(qū)的補充水，但必須綜合考慮當?shù)氐牡刭|，即適合濃鹽水灌溉，并密切監(jiān)測地下水或受納水體的污染情況。

　　1.3濃鹽水脫鹽

　　目前濃鹽水脫鹽處理工藝研究較多的有正滲透、冷凍法、噴霧脫水法、膜

蒸餾等。

　　1.3.1正滲透

　　利用正滲透濃縮RO濃鹽水的原理是：靠濃鹽水與驅動液分別在正滲透膜的兩側，驅動液的滲透壓高于濃鹽水，則滲透壓低的濃鹽水中的水流入滲透壓高的驅動液中，從而濃鹽水被濃縮達到近零排放。

　　Elimelech等以混合銨鹽溶液為驅動液，利用正滲透膜濃縮濃鹽水進行研究，工藝流程圖如圖1所示。

　　該驅動溶液是將碳酸氫氨與氨水以一定比例混合溶于水中，具有較高的滲透壓。當濃鹽水中的水通過正滲透膜(HTI公司的三乙酸纖維膜正滲透膜)后，濃鹽水被濃縮，而驅動液同時被稀釋，鹽的截流率可達到95%以上。

　　正滲透膜分離技術最顯著的特點就是不需要外加壓力或者在很低的外加壓力下運行，而且膜污染情況較輕，可以連續(xù)長時間運行而不需要清洗，同時具有較高的水回收率。但正滲透過程中濃差極化現(xiàn)象較為嚴重、實際通量與預期值相比有一定的差距(海水淡化中)，正滲透膜和汲取液還需要進一步篩選改進。

　　1.3.2冷凍法

　　利用冷凍法濃縮濃鹽水的原理是在濃鹽水結冰的過程中，能夠產(chǎn)生鹽水分離的現(xiàn)象，大量的鹽分被排出在冰晶以外，這樣就達到了濃鹽水濃縮的目的，但還須和離心法、融凍法等結合才可使高濃度鹽水易從冰晶中排出。張寧等以原濃鹽水的鹽度為5.2%為原料對冷凍法進行了研究，研究結果表明在-20℃下冷凍，離心冷凍后鹽度可達0.5%，占原體積的40%，而二價離子含量如Ca、Mg等同時下降，工藝流程圖如圖2所示。

　　近兩年，李憑力等利用冬季的自然冷能對霧化冷凍脫鹽技術進行了研究，結果表明利用該技術海水的脫鹽率能達到88.63%，并且在冬天利用自然界的冷能進行噴霧分離鹽水使冷凍法處理濃鹽水技術成為節(jié)能環(huán)保的技術。

　　1.3.3噴霧脫水法

　　噴霧脫水的技術原理是使?jié)恹}水通過霧化噴頭，形成微米大小的霧滴噴入干燥塔內，與干燥塔內的熱空氣相接觸，進行熱量傳遞，由于霧滴體積小而其比表面積大，在塔內霧滴的水分迅速蒸干、濃鹽水霧滴結晶，達到濃鹽水的近零排放。噴霧脫水工藝流程圖如圖3所示。

　　噴霧脫水技術消耗能量有可能是常規(guī)技術的40%或更低，并且溶液濃度越高越能避免結垢和實現(xiàn)液體近零排放。因而在特定的淡化環(huán)境中高溫常壓太陽能蒸發(fā)噴霧高濃度鹽水技術將大有用武之地，具有顯著的發(fā)展趨勢。

　　1.3.4電滲析法

　　電滲析法濃縮技術(ED)的核心為離子交換膜，在直流電場的作用下對溶液中的陰陽離子具有選擇透過性，即陰膜僅允許陰離子透過，而陽膜只允許陽離子透過[20]。通過陰陽離子膜交替排列形成濃、淡室，從而實現(xiàn)物料的濃縮與脫鹽。

　　電滲析法具有裝置使用壽命長、對進水預處理要求低、環(huán)境污染少、能量消耗低等優(yōu)點。王郁考察了電滲析體系對不同離子的脫除性能，發(fā)現(xiàn)在初始濃度和操作電壓相同時，陽離子傳質通量由鉀離子、鈉離子、鎂離子依次增大，陰離子傳質通量由大到小順序為氯離子、碳酸氫根離子、硫酸根離子;針對實驗含鹽廢水，經(jīng)過160min電滲析脫鹽處理后，廢水總含鹽量由21380mg/L降至1583mg/L，總脫鹽率達到92.6%。

　　1.3.5膜蒸餾法

　　膜蒸餾(MembraneDistillation，MD)是一種用于處理水溶液的新型膜分離過程。MD中采用的膜為疏水性微孔膜(如PTPE，PP等)，膜將兩側溫度不同的料液分隔，膜熱側料液的蒸氣壓高于其冷側的蒸氣壓，在蒸氣壓差的驅動下，揮發(fā)性組分如水，透過膜孔轉移到膜冷側，冷凝液化為餾出液;而液相非揮發(fā)組分如鹽，和大分子無法透過膜孔而被截留，從而達到分離提純的目的。這種傳遞過程包括三個步驟：

　　(1)水在料液(高溫)側膜表面汽化;(2)汽化的水蒸氣通過疏水膜孔進行傳遞;(3)水蒸氣在膜的低溫側冷凝為水。

圖4膜蒸餾類型

　　根據(jù)蒸氣冷凝方式不同，膜蒸餾可分為直接接觸式、氣隙式、真空式和氣掃式四種形式，如上圖(圖4)所示。在具體應用中，選用哪一種膜蒸餾要視具體情況而定，比如原料液的揮發(fā)性、成分以及對通量的要求等。

　　與冷凍法、正滲透等濃鹽水處理工藝相比，MD具有可利用低品質熱源，膜通量大，占地面積小，操作方便，對環(huán)境污染低等優(yōu)點，故其應用前景廣闊。膜蒸餾過程與傳統(tǒng)的分離過程相比，具有如下優(yōu)點：

　　(1)理論上100%分離各種離子、大分子、膠體、細胞及其他不揮發(fā)性物質;(2)操作溫度比傳統(tǒng)蒸餾過程低;(3)操作壓力比其他壓力驅動的脫鹽膜分離過程(NF、RO)低;(4)與傳統(tǒng)蒸餾過程相比，操作所需的空間小。

　　綜上，MD是一種值得推廣應用于解決濃鹽水問題的水處理技術，目前主要的限制因素是其投資成本及運行成本較高。

　　1.4膜蒸餾處理濃鹽水研究現(xiàn)狀

　　膜蒸餾可以處理濃度極高的水溶液，且當溶質較易結晶時，膜蒸餾技術可直接從溶液中分離出結晶產(chǎn)物，這是其它膜分離技術所難以做到的。膜蒸餾可對海水進行深度濃縮，王奔等通過采用離子交換法選擇性除鈣后的海水，由多效膜蒸餾過程進行深度濃縮，可將海水含鹽量從34g/L濃縮至250g/L以上，并且在該過程中最大膜通量和造水比分別能達到6.07L/m2h和13.2，高濃縮倍數(shù)時餾出液產(chǎn)品的電導率比一般自來水的電導率要小，離子交換法與多效膜蒸餾過程相結合用于海水深度濃縮是可行的。

　　唐娜等采用PVDF中空纖維膜及PTFE微孔平板膜組件對反滲透海水淡化濃鹽水進行了真空膜蒸餾過程研究。結果表明：溫度對海水淡化濃鹽水膜蒸餾過程的膜通量影響較大。在真空側壓力為2kPa，濃鹽水流量為24L/h時，進料側濃鹽水溫度為346.35K時，PVDF中空纖維膜組件的膜蒸餾通量為13.26kg/(m2·h)。而在真空側壓力為2kPa，濃鹽水流量為120L/h，進料側濃鹽水溫度為340.15K時，PTFE平板膜組件的膜蒸餾通量為24.8kg/(m2·h)。

　　工業(yè)產(chǎn)生的濃鹽水現(xiàn)在已經(jīng)成為制約各企業(yè)近“零排放”的主要因素。國際上處理工業(yè)濃鹽水的技術工藝主要采用了熱法蒸餾與膜法。經(jīng)過許多專家學者的研究，憑借其高通量，低能耗的優(yōu)勢，膜蒸餾過程中的真空膜蒸餾技術有望成為低污染、低能耗的濃鹽水水處理技術。

　　2結語與展望

　　隨著國家零排放政策的實施，污水處理標準的提高，反滲透濃水亟需妥善利用與處理，膜蒸餾技術可以作為新興的濃水處理工藝，具有以下優(yōu)勢：

　　(1)與傳統(tǒng)的壓力驅動膜分離過程相比，膜蒸餾的操作壓力較低，且對膜與原料液之間的相互作用和機械性能要求不高。

　　(2)該過程可以處理極高濃度廢水，如果溶質是容易結晶的物質，可以把溶

液濃縮到過飽和狀態(tài)而出現(xiàn)膜蒸餾結晶現(xiàn)象，是目前唯一能從溶液中直接分離出結晶產(chǎn)物的膜過程。

　　(3)膜蒸餾組件很容易設計成潛熱回收形式，并具有以高效的小型膜組件構成大規(guī)模生產(chǎn)體系的靈活性。

　　(4)在該過程中無需把溶液加熱到沸點，只要膜兩側維持適當?shù)臏夭罴纯蛇M行，如果能就地利用太陽能、地熱、溫泉、工廠的余熱和溫熱的工業(yè)廢水等廉價能源，則其運行成本大大降低。

　　膜蒸餾其應用的推廣仍需要改進其不足：

　　(1)當前主要的膜材料為PTFE、PVDF、PP等，膜及其膜組件成本較高，因此選擇合適的膜材料，研制出價格低廉、性能優(yōu)良、且易于工業(yè)化生產(chǎn)及應用的優(yōu)質膜產(chǎn)品，提升其競爭力。

　　(2)改進膜蒸餾組件裝置的設計，開發(fā)熱能回收裝置，提高熱能利用率，降低成本。

　　(3)從工程應用上來看，膜蒸餾工藝系統(tǒng)設計的改進，包括其配套的軟硬件，同時提高其系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，降低運營成本。

《廣東化工》作者：程方琳，劉宇堅，胡永健，王眾眾，谷維梁，張松建