膜分离技术在聚乙烯醇纤维生产过程中的应用

文/沈 瑞（安徽皖维高新材料股份有限公司）

工业生产中会产生大量的废水，其中含有各种重金属等有毒有害物质，工业废水的处理是实现绿色环保和可持续发展必须要解决的问题。20 世纪60 年代，膜分离技术开始实现工业化，相继出现了超滤膜、微孔过滤膜和反渗透膜等，膜分离技术在海水淡化、工业废水处理、城市废水资源化、燃料电池、食品、生物质利用、制药等领域得到广泛的应用。合理地利用膜分离技术对工业废水进行有效处理，对实现工业废水的循环利用意义重大[1]。

一、膜分离技术原理

膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时实现选择性分离的技术。半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离采用错流过滤或死端过滤方式[2]。在过滤过程中通过泵的加压，料液以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜形成透析液，以上过程称为反渗透。所以膜系统都有两个出口，一个是浓缩液出口，另一个是透析液出口。反渗透是将料液分为两个部分，透过膜的是含溶质很少的溶剂，称为渗透液，未透过膜的液体溶质浓度增高，称为浓缩液。反渗透是以压力差为推动力的分离操作，其主要作用就是截留离子物质而仅让溶剂透过。

二、 反渗透膜处理聚乙烯醇纤维生产过程中产生的废水

反渗透膜很容易被无机盐类、胶体、微生物、金属氧化物等污染，这些物质容易沉积在膜表面引起膜通量下降或脱盐率下降，导致段间压差升高，甚至对膜造成不可恢复的损伤。国内科研机构和生产企业先后开发出在物理化学稳定性、脱盐率、产水量等方面表现出高性能的反渗透膜元件，并成功应用，说明目前的反渗透膜技术已经相当成熟[3]。

聚乙烯醇纤维是由聚乙烯醇通过溶解、过滤、脱泡、纺丝、凝固、热处理等工艺制造而成的。聚乙烯醇纤维的生产过程中会产生大量的含有硫酸钠、聚乙烯醇短纤维及微量聚乙烯醇固体颗粒等的废水，目前这些废水基本直接进入现有污水处理场的生化系统，由于硫酸根离子对生化系统有抑制作用，导致生化处理难度增加，污水处理成本增加。而且废水中的硫酸钠、聚乙烯醇短纤维及颗粒未能作为原料回用，造成了资源的浪费，增加了聚乙烯醇纤维的生产成本。

通过设置废水浓缩系统对含硫酸钠的废水进行回收，废水浓缩系统依次包括自清洗过滤器、一级过滤器、一级反渗透膜浓缩装置、二级过滤器和二级反渗透膜浓缩装置，具体处理过程如下：

（1）将含硫酸钠的废水引入废水浓缩系统，经增压泵增压提升进入自清洗过滤器，过滤去除聚乙烯醇短纤维及部分聚乙烯醇颗粒。

（2）自清洗过滤器出水经增压泵增压提升进入一级过滤器中进行过滤，所得滤液经增压泵增压提升进入一级反渗透膜浓缩装置，处理后产生的浓水进入一级浓水箱。

（3）一级浓水箱内的浓水经增压泵增压提升进入二级过滤器中进行过滤，所得滤液经增压泵增压提升进入二级反渗透膜浓缩装置，处理后产生的浓水进入二级浓水箱。

（4）一级反渗透膜浓缩装置和二级反渗透膜浓缩装置产生的透过液流回用水池。

（5）在废水浓缩系统运行15～20 天后，对系统进行清洁和养护。

步骤（1）中，过滤去除的聚乙烯醇短纤维及部分聚乙烯醇颗粒作为聚乙烯醇原料继续使用；步骤（3）中的浓水主要成分为硫酸钠溶液，返回车间作为原料继续使用；步骤（4）中的透过液返回车间作为聚乙烯醇原料的洗涤水使用。步骤（5）中的清洁是对整个废水浓缩系统采用软水低压冲洗，可将两级膜浓缩装置浓水侧内的高浓度盐冲洗干净，不仅可以将膜元件浓水侧的高含盐量的离子置换掉，而且可以防止系统中微生物的滋生；步骤（5）中的养护主要是对两级膜浓缩装置采用化学清洗的方法进行处理，以恢复膜的性能，根据不同的污染物和膜性质采取不同的清洗措施。

步骤（3）所获得的二级浓水，可重新用于聚乙烯醇纤维的生产，具体方式为：取样浓水并检测其浓度，若浓度不低于390 g/L，则合格，可直接加入凝固浴液中，且加入量不超过凝固浴液体积的10%；若浓度低于390 g/L，则送入凝固浴液蒸发系统，待浓度合格后使用。

三、延长反渗透膜使用寿命

反渗透装置在使用过程中会由于污染而导致分离效率降低，污染是影响反渗透膜使用寿命的最常见因素，污染物主要有化学垢、有机物胶体污染及微生物等。为了延长反渗透膜的使用寿命，通常采取淡水冲洗、化学清洗、加阻垢剂三种措施。

1.淡水冲洗

反渗透装置在运行前后，通常采用淡水将反渗透系统浓水侧内的高浓度盐冲洗干净，这样不仅可以置换反渗透膜元件浓水侧的高含盐量的离子，而且可以防止系统中微生物的滋生。淡水冲洗可以有效减缓反渗透系统膜过滤表面浓差极化，减轻反渗透膜首端有机胶体、高分子污染物等常规化学药剂难以清除的污染物的污染问题，提高反渗透膜系统运行的稳定性，有助于延长膜系统稳定运行周期、增强化学清洗效果、提高膜使用寿命[4]。

2.化学清洗

反渗透装置运行一段时间后，物料中的微粒、胶体粒子或者溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用，会在膜表面或膜孔内吸附、沉积，造成孔径变小、堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化，这就是膜污染现象[5]。膜污染严重影响目标产物的回收率，及时清洗可以确保反渗透产水量和产水水质；另外某些污染物若不及时清洗则很难清洗彻底，影响清洗效果。清洗方法的选择对延长膜的寿命及膜的应用推广至关重要[6]。

3.加阻垢剂

含硫酸钠废水经浓缩后，离子的浓度积可能大大超过平衡常数，会产生严重的结垢现象，难溶性盐类在反渗透膜元件内不断浓缩且超过其溶解度极限时，就会在膜表面发生结垢。为了减少结垢现象，一般在反渗透膜的使用过程中设置阻垢剂加药单元。

四、结语

通过膜分离技术的应用可以将废水中的聚乙烯醇短纤维、聚乙烯醇颗粒分离出来作为聚乙烯醇原料使用，同时也可将废水转化为一定浓度的硫酸钠溶液及回用水，二者都可以作为生产原料回车间使用，提高资源的利用效率，减少污染物排放，具有良好的环境效益和经济效益。