粘胶纤维废碱液纳滤回收装置技术运行分析

2013-11-16张化文

绿色科技 2013年6期

张化文

（凯能高科技工程有限公司，上海201203）

1 引言

粘胶纤维是我国化纤行业中仅次于涤纶的重要品种，据统计2011年，中国粘胶纤维年产量达200万t，约占世界总产量的60%。粘胶纤维生产过程包括粘胶制备、纺丝、后处理和后加工4个阶段，其中在粘胶制备过程中需要消耗大量的烧碱，并产生大量的高浓度废碱液，其废碱液的主要成分是水、NaOH和半纤维素，其中NaOH的含量高达17%～20%。在粘胶纤维生产过程中当碱液中的半纤维素浓度升高到一定程度时就不能再应用于生产，否则将会影响粘胶的制备过程，以及粘胶性质、成形条件和制得的纤维质量［1］。目前一般企业为了控制碱液中半纤维素的含量往往采取废碱液部分排放的方式调整碱液中半纤维素的含量，排放的高浓度废碱液多数厂家直接排入污水处理厂进行处理，这样需要消耗掉大量的酸进行中和，既增加污水处理厂的运行成本，同时造成资源的极大浪费。因此，降低生产成本，减轻环保压力，进行废碱液净化回收处理是粘胶纤维生产企业持续发展必须解决的问题［2］。

由于半纤维素是由不同单糖基组成的复合多糖，分子量较小，结构复杂，同时废碱液的NaOH含量较高，采用常规工艺很难回收处理［3］。目前我国主要采用透析工艺和膜分离工艺来分离半纤净化回收废碱液，但透析工艺回收碱液效率低下，用水量大，占地面积大，已逐步淘汰。而采用先进的耐酸碱纳滤装置可以对高浓度废碱液中的半纤和碱液进行有效分离，高效经济地实现碱液的回收处理，在工业化生产中得到了快速推广应用。

2 纳滤装置介绍

随着膜技术的发展，膜技术越来越多地应用到各个领域［4］。其中介于超滤与反渗透间的纳滤技术，由于其自身独特的性能使它在许多领域具有其他膜技术无法替代的地位，在工业生产中得到了广泛的应用，并显示出了广阔的发展前景［5］。近年来可耐受强碱、强酸的有机纳滤膜相继开发成功并陆续成功应用于化纤、化工等行业，为粘胶纤维生产企业的废碱液纳滤纯化回收提供了有力的技术支持［6］。本文以某集团公司粘胶纤维生产车间废碱液纳滤回收装置为例进行分析，膜装置包含6只8040膜壳，每只膜壳装4支纳滤膜元件。

2.1 纳滤膜

纳滤是在压差推动力作用下，盐及小分子物质透过纳滤膜，而截留大分子物质的一种具有选择性的分离方法，又称选择性反渗透。纳滤膜截留分子量为150～1000MWCO，其特殊的孔径范围和制备的特殊处理化（如复合化、荷电化）使纳滤膜具有特殊的分离性能，可用于对有机物、无机物及带不同电荷的粒子的分离，用于溶液中大分子物质的浓缩和纯化［7］。用于纯化回收废碱液的纳滤膜相关性能指标如下：

膜材质：卷式专用复合材料；截留分子量：200道尔顿；操作运行压力：12～35bar；允许连续运行pH值：0～14；允许CIP清洗pH值：0～14；单个元件最大跨膜压差：0.7bar。

2.2 工艺流程

纳滤碱回收装置中选用专用耐酸碱膜，采取错流的过滤方式。粘胶纤维生产过程中排出的高浓度废碱液首先选用板框过滤机和微孔过滤器作为膜设备的预处理工序，将废碱液中的纤维进行过滤去除，然后送入纳滤回收装置进行分离处理，废碱液中的半纤维素等杂质得到过滤分离，滤出半纤维素的净碱液进行回收或直接回用于生产，含有半纤维素的浓缩废碱液定期排出系统另行处理。工艺流程如图1所示。

图1 粘胶纤维废碱液回收处理工艺流程

2.3 工艺指标

工作温度：45～55℃；工作压力：15～18bar；净碱回收率：≥50%；纳滤处理前的废碱液指标：NaOH含量：220g／L；半纤维素含量：≤35g／L；纳滤纯化回收的净碱液技术指标：NaOH含量220g／L，半纤维素含量≤5.0g／L。

3 运行分析

在应用膜分离技术时，总是希望装置对某种成分有较高的分离效果、平稳的滤出通量、较稳定的运行状态、清洗前后膜通量的彻底恢复和较低的运行费用［8］。

3.1 废碱液纳滤回收装置净化效果

粘胶纤维生产车间纳滤回收装置的进料指标为废碱液中NaOH含量为200～220g／L，半纤维素含量为30g／L左右，膜装置在恒温48℃恒压15bar恒定碱浓的条件下稳定运行，滤出液半纤含量＜3mg／L，半纤截留率均在94%以上，对NaOH的截留率为零，净碱液的回收率60%左右，过滤后的碱液质量好，可完全回用于生产。图2为纳滤回收装置连续运行第六个月的监测数据，如需提高净碱液回收率可加水透析降低碱液浓度。

图2 膜回收设备半纤截留率和净碱回收率的变化情况

3.2 纳滤回收装置系统运行的稳定性

碱回收过程中，膜设备通量的衰减速度和进出膜运行压差的变化是考察膜装置运行稳定性的重要指标。采用膜设备依次处理三个批次同样体积的粘胶纤维高浓度废碱液，操作参数控制在恒温48℃恒压15bar的运行条件下，发现三批次滤出净碱液的质量相同，半纤维素含量均在3g／L以下。运行过程中每批次进出膜运行压差和滤出液通量的变化曲线基本相似，每批料液的运行周期相同，随着过滤时间的延长，滤出液通量平稳降低，进出膜压差逐渐升高，运行结束后经过简单清洗都能够使膜恢复至运行前的状态，每批料运行过程基本相同，可见回收装置可以进行长期稳定运行。

3.3 膜装置的运行参数分析

根据膜的运行规律，运行过程中膜的性能逐渐下降，这一方面可能是由于随着系统运行时间的增加，膜表面开始污染，导致通量下降；另一方面，浓缩过程导致的浓差极化也使通量开始下降。为了弄清导致膜通量及进出膜压差变化的最主要影响因素，保证膜回收装置更高效的运行状态，笔者进行了试验分析。

3.3.1 膜设备滤出通量和进出膜压差变化的影响因素分析

膜设备投入运行后，随着工作时间延长膜设备通量缓慢降低，进出膜运行压差不断升高，当进出膜运行压差达到最大允许运行压差时更换一批半纤维素浓度较低的新鲜废碱液继续过滤分离，如图3，发现膜设备滤出液通量基本没有太大变化，但进出膜运行压差突然下降。随着膜装置运行时间的延长，料液的浓缩倍数增加，碱液中的半纤维素含量逐渐升高，因此可判定膜通量下降是由于膜受到污染造成的，而进出膜运行压差的突变是由于料液中半纤维素浓度的变化引起的，碱液中半纤维素含量的高低和膜的污染程度都是影响膜回收装置运行效率的主要因素。

图3 料液不同浓度运行时滤出液量和压差变化对比（一）

为了更好地分析膜装置高效运行的条件，对不同半纤浓度的废碱液运行时参数变化进行了对比分析，如图4。

图4 料液不同浓度运行时滤出液量和压差变化对比（二）

将膜设备运行至进出膜压差达到允许最大值时停车进行清洗，清洗后使膜设备重新过滤此批次浓缩碱液，发现膜过滤通量有较高的提升，但进出膜的压差仍然处于较高值。连续运行2h后进出膜压差达到膜的允许最大值，然后清洗膜设备。清洗后的膜设备进行过滤另一批次的新废碱液，发现膜通量较高，进出膜压差也得到降低，膜的运行状态恢复至初始运行状态。由此可见，碱液中半纤维素等杂质含量升高引起的膜表面浓差极化，是膜设备运行过程中膜通量降低和进出膜压差升高的最主要因素，膜表面污染影响因素次之。

3.3.2 半纤维素含量的高低与膜装置运行参数的相关性

随着膜装置运行时间的延长，料液的浓缩倍数增加，碱液中的半纤维素含量逐渐升高，致使进出膜运行压差也逐步升高，膜过滤通量逐渐降低。从图5分析可知，废碱液中半纤维素浓度的高低与进出膜运行压差和膜过滤通量有一定的线性关系。半纤维素的含量变化曲线与进出膜运行压差变化曲线和滤出液量的倒数变化曲线近似平行，半纤维素含量与进出膜压差呈近似正相关，与滤出液量大小呈近似负相关。

图5 运行过程中料液半纤浓度与进出膜压差、滤出量的相关性

3.3.3 半纤维素浓度的高低对膜装置滤出净碱液质量的影响

通过对膜装置运行过程中净碱液和浓缩碱液的半纤维素含量跟踪分析可知，随着运行时间的延长，浓缩液中半纤维素浓度升高，而滤出净碱液中半纤维素含量基本稳定，可见废碱液中半纤维素浓度的高低对纳滤回收的净碱液质量影响不大，如图6。

图6 运行过程中料液半纤浓度与滤出液半纤浓度的变化

3.4 膜污染及清洗状况分析

膜设备在运行过程中随着工作时间的延长滤出液通量下降，进出膜压差逐步升高，但经过氢氧化钠溶液简单清洗后通量可以得到很好恢复，将多批次运行清洗前后的膜设备过滤通量恢复效果进行比对，如图7。清洗恢复比较彻底，可保证纳滤膜回收装置长期稳定运行。

图7 膜设备清洗前后通量变化

4 经济效益分析

4.1 回收碱液效益

根据膜设备的运行情况，取设备每日运行时间为20h，过滤通量为65L／min，每年运行330d，则每年可回收净碱液量为：65×60／1000×20×330＝25740m3。将回收的碱液按浓度折换为纯碱，按购买纯碱的价格估算回收价值。由表1可以看出，采用膜装置系统回收废碱液每年的回收价值为1181.5万元。