陶瓷膜用于有机硅废水除油纯化研究

2017-10-30白祖国彭文博刘爱国

湖北农业科学 2017年18期

白祖国　彭文博　刘爱国

摘要：采用陶瓷膜对有机硅废水进行除油纯化研究，分析膜通量随运行时间的衰减变化趋势，考察跨膜压差、膜面流速、浓缩倍数对膜通量的影响，确定恢复膜通量的方法，并比较两种陶瓷膜管的不同分离效果。结果表明，50 nm陶瓷膜能有效截留有机硅废水中的油类，过滤有机硅废水时平均通量达到340 L/（m2·h），油去除率99%以上，满足后续生化处理需求。

关键词：陶瓷膜；有机硅废水；除油纯化

中图分类号：O69 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）18-3455-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.18.016

Abstract： The study on oil removal and purification treatment of organic silicon wastewater by ceramic membrane technology were carried out. The membrane flux with attenuation changetrend of the running time was analysised. The effects of transmembrane pressure， crossflow velocity and cycles of concentration on permeate flux were systematically investigated. The membrane flux recovery method was decided. The separation effect of different membrane tubes were compared. Experimental results showed that 50 nm ceramic membrane could effectively get rid of oil in the organic silicon wastewater. The average flux was 340 L/（m2·h）. After ceramic membrane technology， oil removal rate was over 99%. It could meet the requirement of follow-up biochemical treatment.

Key words： ceramic membrane； organic silicon wastewater； oil removal purification

陶瓷膜具有良好的耐酸堿、腐蚀性及机械稳定性等特点，其良好的亲水疏油性导致该技术日益成为含油废水处理中有效的分离技术，被广泛应用于石油化工等各种领域[1-3]。

有机硅废水具有COD波动大、水质不稳定的特点，同时其含油的特性需要进行投加大量破乳剂并沉降分离。因出液含油量大且不稳定导致废水处理生化系统难以运行，故而废水中油类的去除成为有机硅废水处理工艺中极为关键的一环，影响着后续生化系统的稳定性。实际的有机硅废水过滤体系较为复杂，相关报道较少。

以浙江某公司的有机硅废水为过滤对象，采用江苏久吾高科技股份有限公司生产的陶瓷膜及设备进行纯化除杂，收到了很好的效果。

1 试验部分

1.1 试验原料

浙江某公司有机硅废水具体指标为pH 10～11，COD为2 100～7 300 mg/L，油含量为120～11 500 mg/L，温度为20～30 ℃，氯离子为10 700～15 600 mg/L。

1.2 试验设备

0.2 m2陶瓷膜设备及工艺流程见图1。主要采用内循环结构，经过破乳并沉降槽沉降后的有机硅混合废水经供料泵进入内循环回路中，再通过循环泵，以高速流动的方式在陶瓷膜组件内部不断的循环、浓缩，清液从渗透侧出来，一小部分浓缩液回到缓冲罐，与来料混合后继续参与循环，当循环回路中的浓缩液达到一定浓度时，即陶瓷膜的清液通量低于设计值时，停止分离操作，关闭清液出料阀，进入清洗程序。

试验用陶瓷膜和设备均为江苏久吾高科技股份有限公司自产。陶瓷膜的平均孔径为50 nm，膜管有效长度为1 016 mm，支撑体和过渡层材质为氧化铝，分离层材质为氧化锆。

1.3 检测方法

采用HACH测定仪测定废水COD的含量，采用氯离子测定仪测定废水氯离子含量，采用紫外分光光度法测定废水油含量。

2 结果与分析

渗透通量是评价膜分离效率的关键指标，而操作条件变化对渗透通量影响很大；试验考察了跨膜压差、膜面流速、浓缩倍数对渗透通量的影响。

2.1 跨膜压差的影响

膜面流速为3 m/s，不同跨膜压差下进行的50 nm陶瓷膜过滤试验，膜通量随着过滤时间的延长的变化情况见图2。由图2可知，通过对4条曲线对比分析，随着跨膜压差的增加，膜通量增大，但并非线性关系，且膜通量都随着过滤时间的延长而逐渐递减并趋于稳定。在低跨膜压差（0.05 MPa）下，膜通量十分稳定；而在跨膜压差0.15、0.2 MPa时连续进料初期，膜通量迅速衰减，体现了浓差极化作用和膜芯表面凝胶层等污染过程，在100～120 min逐渐趋于稳定。因为在高跨膜压差下，随着过滤时间的增加，膜表面不断地沉积截留物，膜表面沉淀的溶质浓度越来越高，浓差极化加重，膜通量不断下降。此时浓差极化是影响膜通量的主要因素，操作压力增加，膜通量增加，但同时也加重了浓差极化。增大压力，凝胶层阻力增大，操作压力的增大为阻力的增大所抵消，此时膜透过量增加甚微，保持一个稳定的状态。因此膜的操作压力是有一定范围的。endprint

对渗透液取样分析检测结果见表1。由表1可知，本试验选择合适的操作压力应控制在0.10 MPa左右为宜。

2.2 膜面流速的影响

在跨膜压差0.1 MPa，不同膜面流速下进行的50 nm陶瓷膜过滤试验，膜通量随着过滤时间的延长的变化情况见图3。由图3可知，不同膜面流速下，膜通量都随着过滤时间的延长而逐渐递减并趋于稳定。在考察的范围下，随着膜面流速的增加，膜稳定通量有些许上升。在相对低的膜面流速（2 m/s）下，膜通量衰减迅速；而在3～4 m/s膜面流速下，膜通量衰减后迅速趋于稳定。其原因为膜面流速增加，流体对膜面剪切力增加，杂质不易停留于膜表面而被错流料液带走，膜污染减轻，故而最终较快达到稳定[4]。如果此时进一步提高膜面流速，将会显著地增大能耗。鉴于此，较适宜的膜面流速为3 m/s。

2.3 浓缩倍数的影响

在膜面流速3 m/s，跨膜压差0.1 MPa条件下进行50 nm陶瓷膜过滤试验，膜通量随着过滤时间的延长的变化情况见图4。由图4可知，随着浓缩倍数的增加，渗透通量的变化呈现先缓慢下降后急速衰减的趋势。在相同的温度下浓缩倍数越高，通量越小，则通量降得越快。其原因为浓缩倍数增加导致膜面污染物浓度增加，进而导致膜面阻力增大，膜通量下降。总体上，膜通量的变化趋势基本相同，表明膜运行比较稳定。

对批次一渗透液取样分析检测，结果见表2。结合表2的分析结果及设备投资问题，本试验选择合适的浓缩倍数应控制在50倍左右为宜。

2.4 陶瓷膜管清洗

由表3可知，碱洗+酸洗可大幅度恢复陶瓷膜通量。碱洗时，高温碱与有机硅废水中的有机物、硅粉等进行快速有效的反应，并控制设备进行高流速运行，使浓差极化[5-7]形成的动态膜上的凝胶等得以脱落，使陶瓷膜得以再生。而酸洗时，酸与有机硅废水中盐垢等进行快速反应，使陶瓷膜得以再生。清洗过程中，操作方式的影响并不明显。

2.5 50 nm和20 nm陶瓷膜纯化除杂效果

由表4可以看出，陶瓷膜过滤有机硅废水后，清液油去除率可达99%以上，可保证后续生化系统的稳定性，且浓缩倍数较高，可达50倍的水平。

3 小结

以平均孔径为50 nm的陶瓷膜脱除有机硅废水中的油类，可得到较高的膜通量和清液品质。本研究得出如下结论。

1）用陶瓷膜進行有机硅废水除油纯化是可行的。采用50 nm的陶瓷膜进行过滤时，膜通量都随着过滤时间的延长而逐渐递减并趋于稳定。较适宜的跨膜压差为0.1 MPa，较适宜膜面流速为3 m/s，较适宜浓缩倍数为50倍，清液的油去除率达到99%以上，平均膜通量在340 L/（m2·h）左右。

2）在试验范围内，随着跨膜压差、膜面流速、浓缩倍数变化，油去除效果比较稳定，清液品质的稳定保证了后续生化处理的稳定性。

3）由于陶瓷膜在化工行业具有有机膜无可比拟的优势，必将成为化工行业不可替代的分离纯化技术和手段。

参考文献：

[1] 徐南平.无机膜的发展现状与展望[J].江苏化工，2000，28（1）：14-17.

[2] 黄肖容，黄仲涛.不对称氧化铝膜管的微滤性能研究[J].环境科学学报，1998，18（5）：466-470.

[3] 王学松.膜分离现状及发展趋向[J].化学进展，1994，6（4）：322-338.

[4] 李梅，高能文，范益群.疏水陶瓷膜脱除油中水分的研究[J].膜科学与技术，2012，32（3）：86-90.