重金属废水处理中膜分离技术的应用研究

2023-01-06黄文娟

皮革制作与环保科技 2022年11期

黄文娟

（佛山德蓝环保技术咨询有限公司，广东佛山 528000）

膜分离技术作为水处理行业的高新技术，其应用的广度和深度在不断提升，该技术因其高分离效率、没有相变、节能环保、设施简单、操作简单等特征，凸显出其在水处理领域的应用优势，已成为现代工业废水处理必不可少的技术。尤其是在重金属废水处理环节，膜分离技术更是发挥着不可替代的作用。

1 膜分离技术基本概述

1.1 膜分离技术原理

所谓膜分离技术即考虑膜的具体性质，受膜两侧压差的影响，运用不同组分在膜内传质的选择性差异，做好组分流体物质的分离、分级、提纯和富集。在水污染治理环节，膜分离技术扮演着重要角色，发挥了膜的渗透性特征，使水体中的污染物被有效分离出来。现阶段，膜分离技术对废水进行了有效地净化和过滤，所以在制备蒸馏水、食品消毒等方面有着广泛的应用。膜分离技术应用便捷，成本不高，因而减少了水处理成本，提高了水资源整体的使用效率，缓解了水资源的紧张局势，也为广大人民群众创造了更加舒适、安全的生活环境[1]。

1.2 应用优势

1.2.1 分离效果佳

分离效果佳是膜分离技术的优势之一，在对废水进行处理时，膜分离技术主要通过沉淀、挤压等方法将废水中的有害物质、细菌等分离出来，达到净化废水的目的，实现了理想的分离效果，并减少了资源浪费。而传统的水处理方法是直接采用蒸馏分离，如果环境条件满足蒸馏分离法的处理要求，那么存在于水体中的有机物状态就会发生变化，从而导致水结构被破坏，使处理工作开展起来难度较大[2]。但膜分离技术对外部环境没有太高要求，在常温条件下也可以分离水体中的杂质，且分离过程不会受环境因素太大的影响，自动化处理目标很容易实现，使整体工作质量及工作效率得到提高。

1.2.2 操作便捷

膜分离技术属于操作便捷、适应性强同时对环境要求不高的技术。该技术需要配备完善的设备设施，自动化水平比较高，所以工作人员的工作负担大大减少，整体操作相对便捷。一般情况下，分离过程在室内展开，所以对试验设备的磨损较小。操作者仅需要定时维护实验设施，明确其是否存在故障，是否需要保养等。随着现代社会的发展，技术力量不断增强，膜分离技术还将会不断优化改善，操作环节的优化水平也在不断提升。此外，分离后水质的洁净度提升，水质中的有机物不会受到太大干扰。

1.2.3 应用范围广

分离膜核心技术对膜分离技术的促进作用显著。二十世纪六零年代是分离膜核心技术的快速发展阶段，逐渐发展成为新型分离技术。膜分离技术凭借分离、浓缩、高效、节能、环保、操作简单、控制便捷等优势，能够满足分离、提纯、浓缩等多种要求而受到行业青睐[3]。运用半透明的分离模式，膜分离技术在常温下能够保障被分离物的特性，保障分离后的色香味形，所以在众多领域都可见其身影。正是由于其处理性质特征，使膜分离技术的应用空间更广，在生物、化工、冶金、水处理等领域有着广泛应用，对现代社会产生了巨大影响，使其成为现阶段分离技术的核心代表。

2 膜分离技术在重金属废水处理中的应用

2.1 电渗析法

电渗析法是在直流电场的作用下，使溶液内的带电离子有选择性地从离子交换膜中透过。电渗析膜装置由阳离子交换膜、阴离子交换膜组成。电渗析环节的金属离子从膜中透过之后存在于进料侧，通过金属离子及膜间的相互作用达到分离的目的。电渗析法属于成熟度较高的膜分离技术，在现代水处理工程中有着广泛应用，例如金属废水、放射性废水、造纸废水等。随着科技水平的提高，离子交换膜以及传统电渗析装置的革新速度也在加快。优化后的电渗析技术主要由无极水电渗析技术、无隔板电渗析器、填充床电渗析技术、液膜电渗析、双极膜电渗析技术等构成。特别是双极膜电渗析技术以及填充床电渗析技术的发展更使电渗析技术成为当下研究的热点[4]。

2.2 液膜法

液膜法使用的膜是将酸碱差或者浓度差作为助力，包括萃取以及反萃取两环节的界面膜。液膜萃取及反萃取发生在膜两侧界面，溶质从料液相直接萃入到膜相，然后扩散到膜相的另一端，反萃到接收相中，达到萃取和反萃取内耦合的目的，液膜过程本身也属于非均衡传质过程。液膜又可以进一步细分为BLM、ELM等几类。在满足动力学规律的前提下分析BLM对水体中铜离子的分离作用，发现铜离子和载体分离间发生的化学反应对于离子的传递速率直接产生影响，金属离子以及载体浓度比是对膜传递效率产生直接影响的条件，所以对于给定液膜而言，只要做好操作时物理化学条件的控制工作就可以达到理想的传递效率。SLM的出现使重金属废水处理工作变得轻松，SLM仅需要很少量的增溶性有机载体即可达到阳离子高效分离的目的。部分学者应用SLM将电镀洗水中的铜离子、锌离子、铬离子等分离出来，并分别应用特定的载体回收重金属。试验结果表明，高纯度渗透液很容易得到，但是此方法具有明显的局限性，例如流率不高、机械稳定性不高、载体的存在影响膜稳定性等，这些问题的存在使SLM在工业上的应用范围不广[5]。但是对比固膜，液膜的选择性更灵活，定向性更高同时渗透性更理想，膜表面积更大，成膜更简单，再加上液膜体系内载体浓度降低，液膜试剂架夹带的损失也会降低，使一些需要昂贵试剂或者处理量大的场合尝到了“甜头”。

2.3 纳滤法

纳滤膜表面由非对称性结构的高分子和微孔支撑体结合而成，纳滤和电渗析的区别是透过膜的物质并不是离子而是水，纳滤可用于从溶剂中分离高化合价的离子和有机分子。纳滤膜包括多孔膜以及致密膜，多孔膜主要是指无机膜，致密膜主要是指聚合物膜。纳滤膜分离环节不会损失太多溶质，属于应用效果理想的分离废水的方法，但是其传质机理还需要深入研究，以达到提高分离精度的目的。

2.4 超低压反渗透法

重金属废水处理中使用超低压反渗透法可以弥补传统反渗透膜使用成本高的缺点，同时获得的金属离子截留率较高，可以通过超低压反渗透膜将稀溶液中的铜离子、铬离子、镍离子等分离出来。截留率受到进料压力的直接影响，随着压力的增加截留率提升。当离子浓度相同时，随着压力差的增加，不同离子的截留率都将得到提升。截留率还会受到离子价态的影响，在相同压力条件下，铜离子和镍离子的截留率比铬离子低。此外实验研究表明，通量随着进料液浓度的降低而增加，截留率却随着进料液浓度的增加而增加。截留率随着进料pH值的增大而增加，当电位差为0时，截留率达到低谷，当pH在7～8范围内的时候，截留率相对较高。应用超低压反渗透膜处理工业重金属废水，大大降低了工作负担，操作成本也降低很多，且截留率相对较高，装置简单，对于溶液的理化性质不会产生影响，而且可以通过对透过液、浓溶液等的回收形成封闭的循环无排放体系，当然该项工作还需要展开广泛的研究[6]。

2.5 胶束增强超滤法

胶束增强超滤法作为表面活性剂与超滤膜耦合的新型技术手段，在表面活性剂浓度比临界胶束浓度高的情况下，形成较大的两性聚合物胶束。当超滤膜过滤溶液时，将吸附大部分金属离子以及有机溶质的胶束，从而达到截留的目的，使存在于透过液中的金属离子、有机溶剂、表面活性剂单体减少，因而处理后的水能够满足回收利用或者直排的标准。当前，胶束增强超滤法应用的表面活性剂主要由阴离子表面活性剂、非离子型表面活性剂等构成。部分离子型和非离子型表面活性剂混合后会有协同作用出现，产生较大的胶束，有利于提高金属离子的去除效率。同时，胶束增强超滤法处理重金属废水的工艺操作简单、处理成效较佳，适用于浓度不高的重金属废水处理。经处理的水可以重新回用，并可以在浓缩液中回收重金属，特别是应用混合型表面活性剂可以提升对重金属离子的去除成效，因此，此类方法的应用前景广阔。

2.6 水溶性聚合物络合超滤法

当聚合物中含有氮、硫、磷、羟基功能团时，能够与很多重金属离子发生络合反应。聚合物分子量比超滤膜切割分子量大时，聚合物被截留，被络合的重金属离子被分离出来，达到离子选择性分离的目的。对水溶性聚合物超滤络合反应产生影响的因素较多，包括pH值、金属离子、离子强度等。其中对金属离子截留率产生显著影响的因素就是溶液的pH值。一般情况下，在一定范围内，溶液的pH越高，截留率就越高，但是当pH值升高到一定程度后，金属离子会出现氢氧化物沉淀。对金属离子截留率产生影响的另一因素是金属离子和聚合物的浓度比，当浓度比升高到一定范围后，截留率会不断下降。对超滤环节产生影响的因素较多，例如温度、压差、料液流速、聚电解质浓度等。料液的粘度会随着温度的变化而发生改变，膜过滤通量随之受到影响，使络合平衡发生移动，导致金属离子的截留率发生改变[7]。压差以及料液的流速等也会对膜过滤通量产生直接影响，但是不会对截留率产生显著影响，所以优化这两大参数是提高膜通量、缩减成本的关键。金属离子截留率同金属离子和聚合物浓度之比有直接关系，随着聚电解质浓度的增大，膜通量越来越小。聚合物增强超滤工艺的应用优势主要表现为，应用有选择性的聚电解质将大大提升金属离子的分离效率，无需较多能耗就可以提升透过速率，耦合技术的研究工作还将持续推进。

2.7 微滤膜技术

常用的微滤膜技术是共沉淀－微滤。重金属常用的共沉淀剂是硫酸铁，配合微滤膜去除沉淀物，该方法对重金属的去除率较高。去除率受到铁和重金属比例的影响，比例越高对应的去除效果就越显著。富含重金属离子的废水往往含有有机成分，应用氢氧化铁与重金属离子共沉淀的同时还可以吸附一些螯合物。此外，在一定条件下氢氧化铁可以吸附一些不沉淀的阳离子。因此，将沉淀、吸附结合，并配合微滤膜分离技术，可以达到理想的重金属去除效果[8]。

3 目前膜分离技术存在的问题及发展动向

3.1 存在的问题

膜分离技术历经五十多年的发展，技术水平及成熟度不断提升。随着科技水平的提升，越来越多的新型膜分离技术走进污水处理领域。从90年代以来，全世界工业用膜分离装置年销售额突破十亿美元，呈现出连年递增的良好发展态势。得益于现代科技力量的增强，膜分离技术也朝着愈发完善、优化、科学的方向发展，其可行性将会进一步提升。但是从当前的发展情况看，膜技术在实际应用环节仍然存在弊端。首先作为高速发展起来的新型分离技术，膜分离技术自身存在的技术问题相对较多，例如高分离因子以及高渗透通量膜的制备，需要集中精力研发稳定性更强、污染后更容易清洗的膜组件。其次，很多研究工作开展不到位，也导致了该项技术的研究成果与具体应用之间存在较大差异，距离工业应用仍然有一定距离。再者膜很容易受到污染，因而增加了清洗的频率，影响了技术的整体应用效果。因此，促进以上问题的高效解决，是发挥膜技术在分离领域更大优势的关键。

3.2 发展动向

当前阶段，相关技术人员致力于新型膜材料的开发，优化膜体结构，做好超薄膜、复合膜等的研究显然成为国内外膜技术的全新发展动向。分离膜材料的发展趋势主要体现在开发功能性高分子膜材料，即依托膜的分离机制，深层次开展各类分子结构的功能性高分子合成均质膜的研制，明确分子结构和分离性能之间的具体关系，做好膜表面的改性工作，并考虑分离对象，有效引进不同类别的活化基团，使膜的表面真正活化起来，从而进一步提升高分子合金模的发展速度。同时，要专注于无机膜材料的开发，充分利用分子设计使其满足各种分离要求，从而使膜技术取得更大的发展。

4 膜分离技术的研究热点

膜分离技术的研究热点是新型膜材料以及膜污染控制，目的是优化膜性能，延长其使用寿命，净化水质，发挥膜技术进行污水处理的优势。膜材料研究的焦点为新型复合膜的构建，希望获得亲水性、高通量、高排斥性的膜材料。新型材料包括碳纳米管结构碳材料、氧化石墨烯膜材料等。而膜污染控制研究工作主要集中在膜污染机理的研究及降低膜污染的策略上，以最大限度地发挥膜技术的应用优势。膜污染的原因是浓度极化、表面结垢、膜孔堵塞等，现阶段借助试验、模型建立等对膜污染机理展开研究。膜污染清洗也是当前的研究热点，膜的材质以及处理对象不同，选择的最优化清洗方式也不同，需要通过实验详细确定，一般情况下配合药剂进行清洗可以取得显著效果。