《武汉工程大学学报》 2018年03期
284-287
出版日期：2018-06-26
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
碳化硅陶瓷膜处理工业废水的工艺特性研究
工业废水的来源非常广泛，其组成成分也极其复杂。有些工业废水如果未经处理直接排放，对环境的危害非常巨大［1］。若这些废水直接排放到水中会污染水质，阻止空气中的氧向水中扩散，使水体变质；若含油废水向土壤深层渗透，会直接影响地下水水质，造成严重的污染。更严重的是这些废水会通过食物链危害人体健康。国民经济快速发展，对石油化工产品的需求越来越大，在石油的大规模勘探、开采过程中产生的废水对环境造成的危害极大［2］，所以学者们致力于研究如何更好地处理这些工业废水。含油和含酸工业废水的处理极其困难，用传统的方法处理含油废水时滤出水油含量很难达到排放标准；用传统方法处理含酸废水时因腐蚀性强，设备使用寿命缩短。鉴于无机陶瓷膜的耐酸碱腐蚀性强，王怀林等［3］研究了氧化锆陶瓷膜对油田采出水的处理，Ramesh［4］介绍了Alcoa公司的Chen等研究无机陶瓷微滤膜在美国墨西哥湾采油平台上进行的试验，Chen等［5］用氧化锆超滤膜和氧化铝微滤膜处理金属洗液，Lhaiere等［6］用0.2 μm~0.8 μm的氧化铝膜处理石化企业含芳烃和石蜡油废水。但是含酸、含碱和含油等难处理的废水易腐蚀陶瓷膜且易堵塞膜孔，降低陶瓷膜的使用寿命。而碳化硅陶瓷膜具有优良的抗氧化性、耐磨损性、耐高温高压、耐酸碱腐蚀和抗热震性能，并且热膨胀系数低、热导率高［7-12］，是一种理想的膜过滤材料。叶世威等［13］采用死端过滤的方法利用碳化硅陶瓷膜处理含油废水，研究了跨膜压差和温度对膜通量的影响。国内外的学者对碳化硅陶瓷膜的制备和性能研究相对成熟，但对其用于处理工业废水的工艺特性研究较少。本文采用错流过滤［14-16］的方法，研究了碳化硅陶瓷膜在工业废水处理中的工艺特性，讨论了过滤时间、操作压力对膜通量和滤液的影响，并研究了反冲洗次数对污染后膜通量恢复程度的影响。1 实验部分1.1 实验材料碳化硅陶瓷膜（实验室自制，膜面积为0.2 m2，平均孔径为0.5 μm，37孔），某化工厂制酸产生的稀磷酸＋矿浆溶液（稀磷酸为0.851 m3，矿浆为0.042 6 m3，矿浆稀酸比为5%，pH为1），某化肥厂制磷肥产生的氨化料浆（磷酸一铵）（密度为1.23 g/mL、pH为3），西安某切屑液厂一种用在金属切削、磨加工过程中用来冷却和润滑刀具和加工件产生的含油切削液（油含量为293 mg/L，pH为7）。1.2 实验方法采用错流过滤法，使混合液在泵的推动力下流动方向与膜面相切，液体在膜面产生的剪切力将滞留在膜面的颗粒物带走，使形成的滤饼层不会很快变厚，可以大大延长膜的使用周期。错流过滤流程如图1所示。在跨膜压差为0.14 MPa时，讨论过滤时间对陶瓷膜膜通量的影响。选定含油切削液废水，讨论跨膜压差对膜通量的影响；在0.5 MPa的压力下进行气水反冲洗，讨论反冲洗次数对膜通量恢复情况的影响。2 结果与讨论2.1 过滤时间对膜通量的影响图2（a）是3种废水在0.14 MPa的跨膜压差下膜通量随过滤时间的衰减曲线图。从图2（a）中可以看出随着过滤时间的延长，陶瓷膜的膜通量逐渐降低，而后趋于平缓。过滤含油切削液的碳化硅陶瓷膜，在0 min~2 min膜通量衰减的较快，从417 L/（h·m2）直接降到250 L/（h·m2），在2 min以后，衰减速度降低；在12 min以后逐渐趋于平缓，膜通量变化不大。这是因为随着时间的延长，含油切削液中的油类物质逐渐发生富集、吸附，造成膜污染，使膜通量降低；12 min以后，膜孔被堵塞的越来越严重，浓差极化对过滤效果基本没有影响，膜通量基本保持稳定状态。过滤稀磷酸+矿浆和磷酸一铵料浆的碳化硅陶瓷膜，在0 min~2 min膜通量下降的较慢，从625 L/（h·m2）降至500 L/（h·㎡）；在2 min以后，稀磷酸+矿浆膜通量下降的较快，磷酸一铵料浆膜通量较稀磷酸+矿浆衰减的慢；在16 min以后膜通量分别保持在292 L/（h·m2）和300 L/（h·m2）不变。在2 min~16 min之间由于稀磷酸+矿浆、磷酸一铵料浆受温度影响分子间摩擦增大，黏度变大，导致液体流动速率降低，过滤速度变小，膜通量降低，并且由于稀磷酸+矿浆、磷酸一铵料浆具有强酸性，在实验过程中腐蚀一部分堵塞物，也会使膜通量衰减速度降低；在16 min以后，膜孔被堵塞的越来越严重，膜表面的颗粒物质逐渐累积成滤饼层，堵塞膜孔，膜通量逐渐达到稳定，此时液体的黏度和酸性对膜通量没有显著的影响。工业废水经碳化硅陶瓷膜过滤前后的悬浮物含量列于表1中。从表1中可以看出，碳化硅陶瓷膜对稀磷酸＋矿浆和磷酸一铵料浆的悬浮物的去除率分别为84%和87%，而对含油切削液的悬浮物去除率可以达到94%。由于碳化硅陶瓷膜的亲水疏油性能导致其对含油废水的过滤效果更好，可见膜分离法是对工业废水进行深度处理的有效方法。2.2 跨膜压差对膜通量的影响选取含油切削液，研究跨膜压差对膜通量的影响，如图2（b）所示。由图2（b）可知，适当增加跨膜压差，挤压溶液穿过膜孔，使膜通量快速增加，继续增大跨膜压差，膜通量逐渐趋于平缓。当跨膜压差从0.14 MPa升至0.20 MPa时，膜通量从213 L/（h·m2）升至337 L/（h·m2），此时为压力控制区。跨膜压差继续升至0.22 MPa，膜通量从337 L/（h·m2）升至345 L/（h·m2），曲线趋于平缓，膜通量的变化不大，此时为传质控制区。继续增大跨膜压差，挤压大分子油滴堵塞在膜孔内部，进而引起膜污染，使膜通量增加趋势变缓；增大跨膜压差会增大能耗；过大的跨膜压差也会使膜发生破裂，使膜孔变大，过滤效果降低。而且由于凝胶层的逐渐形成，使过滤过程转化为由物质传递所控制的微滤过程，通量也就逐渐变得与压力无关。2.3 滤液性能分析检测含油切削液在不同跨膜压差下的出水水质，如表2所示。由表2可知，随着跨膜压差的逐渐增大，滤液中油含量和悬浮类物质含量逐渐减少：在跨膜压差为0.20 MPa时，滤液中油含量为0.78 mg/L，悬浮物含量为9.35 mg/L，满足《污水综合排放标准》中的一级排放标准，且陶瓷膜对油的去除率较悬浮物的去除率高，可见碳化硅陶瓷膜对含油废水进行油水分离的效果显著。2.4 反冲次数对膜通量的影响在过滤过程中，膜通量衰减的原因主要是膜污染。膜污染是指在过滤过程中，溶液中的颗粒物质吸附在膜表面或者在膜孔内沉积造成膜孔径变小或膜孔堵塞，使膜通量和膜的分离特性发生不可逆的变化。含油切削液的膜污染情况如图3所示，随着过滤时间的延长膜孔堵塞的越来越严重，直至膜孔完全被堵塞，如图3（c）所示。为了提高陶瓷膜的使用效率，在0.5 MPa的跨膜压差下采用空气和水混合冲洗法，利用压力将堵塞膜孔的物质冲出来，使油滴随气流和水流排出，图4是反冲洗5次后膜通量恢复的百分比，随反冲洗次数的增加，膜通量逐渐增大。恢复率逐渐升高，达到97%。3 结 语1）碳化硅陶瓷膜抗酸腐蚀性强，具有高亲水疏油性，对含强酸和含油的废液也能有效地进行过滤，解决了氧化铝、氧化锆陶瓷膜等易被腐蚀污染、膜通量小的问题。滤液中各物质低于《污水综合排放标准》中的一级排放标准。2）孔径为0.5 μm的碳化硅陶瓷膜在跨膜压差为0.14 MPa时，过滤含油切削液、稀磷酸+矿浆和磷酸一铵浆料，陶瓷膜通量随过滤时间的延长逐渐降低，在过滤时间为12 min和16 min时逐渐达到平衡；对于含油切削液，适当地提高跨膜压差可以快速地增大膜通量，但随着跨膜压差的继续增大，膜通量逐渐趋于平缓，滤液中含油量和悬浮物含量均随跨膜压差的增大先降低而后略微上升。3）在0.5 MPa的跨膜压差下采用气水混合反冲洗法冲洗污染后的陶瓷膜管，经过5次反冲洗后，膜通量恢复至406 L/（h·m2），恢复率达到97%，避免采用化学物质清洗的二次污染和水的排放污染。