摘要:随着我国在膜材料研发水平的不断提升,膜技术的应用范围越来越广泛。本文重点介绍了不同膜技术的基本原理及应用情况。
关键词:膜技术;水处理
近年来,国家对污水深度处理标准和资源化利用的要求日益提高,膜技术在水处理领域的优势逐步显现。随着我国在膜材料研发水平的不断提升,膜技术的应用范围越来越广泛[1]。目前应用较多的膜技术主要可分为:微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜、电渗析和正渗透膜。本文对各种膜技术的原理及应用领域进行介绍和总结。
一、微滤(MF)膜技术
1、微滤的基本原理
微滤膜能截留0.1-1微米之间的颗粒。微滤膜允许大分子和溶解性固体(无机盐)等通过,但会截留悬浮物,细菌,及大分子量胶体等物质。微滤膜的运行压力一般为:0.3-7bar。
2、微滤膜的应用
微滤膜在水处理行业中用于去除水中悬浮物、微小粒子和细菌;在电子工业中,用于半导体工业超纯水、集成电路清洗用水终端处理;在制药行业,应用于医用纯水除菌、除热原、药物除菌;在医疗行业中,用于除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体;在食品工业,如饮料、酒类、酱油、醋等食品,用于去除食品中的悬浊物、微生物以及异味杂质、酵母和霉菌的去除,也用于果汁的澄清过滤工艺;在化工行业,则主要用于各种化学品的过滤澄清。
二、超滤(UF)膜技术
1、超滤的基本原理
超滤膜系统是以超滤膜丝为过滤介质,膜两侧的压力差为驱动力的溶液分离装置。超滤膜只允许溶液中的溶剂(如水分子)、无机盐及小分子有机物透过,而将溶液中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质截留,从而达到净化和分离的目的。超滤膜的过滤孔径为0.001-0.01微米,截留分子量为1,000-300,000 Dalton。
2、超滤膜的应用
超滤膜的应用范围极其广泛,基本上涉及过滤的行业都可以用到:
纯水与超纯水制备工艺中作为反渗透预处理以及超纯水的终端处理;工业用水中用于分离细菌、热源、胶体、悬浮杂质及大分子有机物;饮用水、矿泉水净化;发酵、酶制剂工业、制药工业的浓缩、纯化与澄清;果汁浓缩、分离;大豆、乳品、制糖工业、酒类、茶汁、醋等的分离、浓缩与澄清;工业废水与生活污水的净化和回收;电泳漆的回收等等[2]。
超滤膜分离可取代传统工艺中的自然沉降、板框过滤、真空转鼓、离心分离、溶媒萃取、树脂提纯、活性炭脱色等工艺过程。该过程为常温操作,无相态变化,不产生二次污染。
三、纳滤(NF)膜技术
1、纳滤原理
纳滤是一种分子级膜分离技术。纳滤膜孔径在1nm以上,一般在1-2nm;对溶质的截留性能介于RO与UF膜之间。纳滤膜只对特定的溶质具有高脱除率,能够去除二价、三价离子,Mn≥200的有机物,以及微生物、胶体、热源、病毒等。纳滤膜的一个很大特征是膜本体带有电荷,这使得它在很低压力下(仅0.5MPa)仍具有较高脱盐性能,也是纳滤运行成本较低的主要原因。纳滤适合各种含盐水源,水利用率一般为75%~85%,海水淡化时在30%~50%,没有酸碱废水排放。
2、纳滤膜的应用
纳滤技术能够去除绝大部分的Ca、Mg等离子,因此脱盐是纳滤技术应用最多的领域。纳滤操作压力小,是饮用水制备和海水淡化的首选工艺。
在废水处理方面,纳滤工艺可用于生活污水的回用,对纺织废水中的染料截留效果很好,在制革废水、造纸废水的回用上应用广泛。
纳滤产水仍然含有一定量的一价盐,需要再增加低压反渗透装置脱除盐类才能保证循环水的质量[3]。
四、反渗透(RO)膜技术
1、反渗透的原理
反渗透是一种压力驱动的膜分离过程,在使用中为产生反渗透压,需用水泵给含盐水溶液或废水施加压力以克服自然渗透压及膜的阻力,使水透过反渗透膜,将水中溶解盐或污染杂质阻止在反渗透膜的另一侧。反渗透是膜技术中过滤精度最高的,系统复杂,对操作压力有很大的要求,运行难度较高[4]。
2、反渗透膜技术的应用
反渗透膜在城市污水深度处理方面的应用尤其是污水处理厂二级出水回用及中水回用上已受到高度重视和广泛应用。在工业废水处理方面,垃圾渗滤液、重金属污水、含酸、含碱废水的应用数量非常多,应用效果理想。反渗透设备还被用于火电厂纯水制备,近年来在火电厂零排放的政策要求下,纯水制备所产生的浓水回收以及脱硫废水也开始采用反渗透技术处理,展现出一定的效果[5]。
五、电渗析技术
1、电渗析(EDI)技术原理
电渗析是在直流电场的作用下,以电位差为推动力,利用离子交换膜对溶液中的阴阳离子的选择性,把电解质从溶液中分离出来,从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。
2、电渗析技术的应用
电渗析可用于电镀废水、重金属废水等的处理,提取废水中的金属离子等,既能回收利用水和有用资源,又减少了污染排放;对于碱性废水,电渗析技术可有效去除水中的COD,同时可对废碱进行回收,回收率可达70%,为后续生化单元起到良好的预处理作用;在有机废水的处理上,可以应对高有机浓度污水,并将酸液回收,回收率较高[6]。
六、正渗透(FO)技术
1、正渗透的原理
正渗透过程是以选择性分离膜两侧的渗透压差为驱动力,溶液中的水分子从高水化学势区(原料液侧)通过选择性分离膜向低水化学势区(汲取液侧)传递,而溶质分子或离子被阻挡的一种膜分离过程。该过程是通过跨膜渗透压差,而不是通过外加压力(如反渗透膜过程)作为驱动力使水通过分离膜,最终会导致原料液的浓缩和汲取液的稀释。
正渗透技术是相对于反渗透技术而提出来的,与反渗透技术相比,正渗透技术不需要借助外界的压力推动分离过程,能耗低;材料本身亲水,没有外加压力推动,可以有效防止膜污染;在脱盐过程中,回收率高,没有浓盐水的排放,从而实现了零排放,是环境友好型技术[7]。
2、正渗透膜在水处理中的应用
正渗透技术作为一项新兴工艺,在废水领域的应用得到了较为广泛的研究。主要包括高浓度工业废水的浓缩、垃圾渗滤液的处理、生活污水的处理、市政污水处理厂污泥厌氧消解液的浓缩和空间站上直接将污水处理成饮用水的生命支持系统等。在研究中正渗透过程不是终端工艺,但其在预处理阶段体现出具有很高的脱盐性能。将其与传统的膜分离技术相结合,更是近几年的研究热点[8]。
在海水淡化领域,正渗透技术还处在研究实验阶段,与传统的压力驱动膜分离过程类似,浓差极化现象严重影响正渗透过程,成为了该技术的发展瓶颈[9]。
七、结语
膜法水处理技术在水环境保护工作当中的应用效果非常明显,对城市内部的污水处理工作效果相对较高,受到了人们广泛的关注和重视,因此,针对全膜法水处理工艺技术的有效应用,对保护城市内部水环境和自然环境都有着重要的意义。
参考文献:
[1]尚光旭,刘媛,柴蔚舒.水处理膜技术的发展现状及趋势[J].中国环保产业,2016,(12):54-56.
[2]刘志强.超滤膜技术在环境水处理中的应用[J].化工管理,2019,(12):117-118.
[3]时雅滨,张学彬,田明,等.纳滤膜的制备及其应用现状[J].化工时刊,2018,32(10):35-38.
[4]卢斯煜,陈凯.反渗透技术在污废水深度处理中的应用[J].智能城市,2019,(23):149-150.
[5]丁丽娜.反渗透水处理设备在工业污水处理中的应用分析[J].环境与发展,2019,31(9):39-40.