滲透模式影響納米涂層修飾陶瓷微濾膜分離性能的研究＊

王 霞 常啟兵 汪永清 鐘林燕 周健兒 張小珍

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 江西景德鎮(zhèn) 333403）

滲透模式影響納米涂層修飾陶瓷微濾膜分離性能的研究＊

王 霞 常啟兵 汪永清 鐘林燕 周健兒 張小珍

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 江西景德鎮(zhèn) 333403）

研究了膜分離技術(shù)處理含油廢水存在因油滴變形引起的膜堵塞問(wèn)題。為減少膜污染，使用在市場(chǎng)上銷(xiāo)售氧化鋁微濾膜孔道表面制備納米Zr O2涂層，利用納米涂層改變微濾膜的表面親水憎油性，具有良好的效果。考慮其工業(yè)應(yīng)用條件，重點(diǎn)研究了循環(huán)模式（模擬大量廢水處理）和濃縮模式（模擬少量廢水處理）對(duì)膜滲透通量的影響。結(jié)果表明：循環(huán)模式下料液的油濃度為恒定的，納米涂層能有效提高微濾膜的滲透通量。膜面流速的增加在一定程度上能提高膜滲透通量，但超過(guò)一定程度后，增加不明顯。當(dāng)膜面流速為7 m／s時(shí)，修飾陶瓷膜的最大滲透通量為280 L／（m2·h），油截留率為96．4%。在濃縮模式下，料液的油濃度隨滲透液的排出呈指數(shù)性增加，隨著油濃度的增加，滲透通量持續(xù)衰減，油截留率持續(xù)上升。當(dāng)油濃度達(dá)到一定程度后，修飾陶瓷微濾膜不能有效地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定含油廢水的油水分離。

微濾膜 膜修飾 膜污染 廢水處理

在膜分離技術(shù)中，微濾膜（Microfiltration，孔徑為0．1～100μm）和超濾膜（Ultrafiltration，孔徑為10～100 nm）常被用于含油廢水處理。超濾膜的產(chǎn)出水質(zhì)量高，但所需操作壓力高，膜滲透通量小，廢水處理成本較高。微濾膜的滲透通量較大，但是較大的孔徑使得小粒徑油滴容易穿透膜孔道進(jìn)入并污染滲透液，膜的油截留率較低。若進(jìn)一步降低含油廢水的處理費(fèi)用，提高處理效率，就必須尋求一種在保持較大滲透通量的前提下，提高微濾膜的截留率，并實(shí)現(xiàn)微濾膜替代超濾膜功能的方法［1～3］。采用超濾膜和微濾膜處理含油廢水，處理后水質(zhì)均可達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》COD一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。從污水處理能力看，顯然采用微濾膜最為經(jīng)濟(jì)。R J Lahiere等［4］用孔徑0．2～0．8μm的氧化鋁膜處理烷基苯廠的含油廢水，通過(guò)化學(xué)預(yù)處理再經(jīng)過(guò)微濾處理，油脂質(zhì)量濃度從15～500 mg／L降低到5 mg／L以下。張國(guó)勝等［5］采用0．2μm的氧化鋯膜處理鋼鐵廠冷軋乳化液廢水，膜通量為100 L／（m2·h），滲透液中油質(zhì)量濃度小于10 mg／L。J L Humphcry等［6］采用Membralox陶瓷膜進(jìn)行了陸上和海上采油平臺(tái)的采出水處理研究，處理后油質(zhì)量濃度由8～583 mg／L降低到5 mg／L以下。宋航［7］用PVDF和復(fù)合陶瓷微濾膜處理乳化含油廢水，微濾處理后的水通量和油的截留率均很高，原水中乳化油質(zhì)量濃度為1 000 mg／L左右，處理后透過(guò)液中的油質(zhì)量濃度小于20 mg／L。因此，微濾膜完全能夠滿足含油廢水的處理。

但是，從上述研究的滲透通量的變化來(lái)看，微濾膜的滲透通量在較短的時(shí)間內(nèi)急劇下降，相比超濾膜而言，所得穩(wěn)定滲透通量?jī)?yōu)勢(shì)并不明顯，其主要原因是微濾膜和超濾膜都主要是利用“篩分效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。對(duì)油滴而言，液體的易變形性使得油滴可以進(jìn)入比其粒徑更小的膜孔道內(nèi)，會(huì)造成嚴(yán)重的不可逆污染。對(duì)此，周健兒等［8～9］提出使用納米氧化物涂層修飾陶瓷膜，在陶瓷膜的膜表面及膜孔道表面制備一層納米涂層，利用納米涂層的強(qiáng)親水憎油性和合適的孔道結(jié)構(gòu)提高對(duì)油滴的排斥作用，減少膜污染。

為了研究納米涂層修飾陶瓷膜在中試規(guī)模條件下的滲透性質(zhì)，筆者采用納米Zr O2修飾氧化鋁微濾膜處理廢冷卻液（昌河飛機(jī)工業(yè)公司），研究了循環(huán)模式（模擬大量廢水處理）和濃縮模式（模擬少量廢水處理）對(duì)膜滲透通量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1．1 修飾膜的制備

將25 cm長(zhǎng)的氧化鋁微濾膜放入250 ml量筒內(nèi)，然后緩慢加入Zr Cl4無(wú)水乙醇溶液至完全浸沒(méi)微濾膜為止。使用保鮮膜密封量筒，靜置12 h。取出微濾膜，用無(wú)水乙醇清洗膜表面，去除過(guò)量的溶液，自然干燥或者置于30℃烘箱內(nèi)干燥至無(wú)乙醇?xì)馕?。使用變壓器調(diào)整盤(pán)式電阻絲爐的加熱功率，使廣口燒杯內(nèi)的水微沸，將干燥后的微濾膜置于燒杯上方，使水蒸氣均勻包圍微濾膜。視水蒸氣量的多少，確定該過(guò)程持續(xù)的時(shí)間（2～4 h）。將處理后的微濾膜置于60℃烘箱內(nèi)干燥2 h，在馬弗爐中，以1℃／min的升溫速率升至550℃，保溫2 h，隨爐降溫后即制得修飾微濾膜。

1．2 修飾膜處理冷卻廢液的操作條件

滲透通量測(cè)量陶瓷膜過(guò)濾裝置（江蘇久吾高科技股份有限公司）。膜過(guò)濾操作條件為：操作壓力為0．09 MPa；反沖間隔時(shí)間為600 s，反沖時(shí)間為5 s；料液溫度為34℃，膜面流速為3～7．9 m／s。在循環(huán)模式條件下，滲透液返回料液罐中，保持料液中油濃度恒定，以模擬大批量廢水處理的情況。在濃縮模式條件下，滲透液不返回料液罐，料液中的油濃度不斷增加，以模擬少量廢水處理的情況。

1．3 性能表征

廢冷卻液的油濃度采用萃取法測(cè)定，COD值采用重鉻酸鉀法測(cè)量。滲透液中的油濃度采用紫外－分光光度計(jì)（北京瑞利分析儀器公司，WFZ800－D3B）測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2．1 廢冷卻液（昌河飛機(jī)工業(yè)公司）

昌河飛機(jī)工業(yè)公司的廢冷卻液呈略帶茶色的乳白色，主要是由Fe3＋的存在所致。廢冷卻液的油濃度為1．69 g／L左右，油滴粒徑分布如圖1所示，油滴平均粒徑為2．049μm（d50），油滴粒徑大部分小于20μm，顯示廢冷卻液為穩(wěn)定的水包油乳化液。重鉻酸鉀法測(cè)定的CODCr值為9 713 mg／L。

圖1 廢冷卻液中所含油滴的粒度分析圖Fig．1 Particle size distribution of the oil droplets in the waste coolant

2．2 循環(huán)過(guò)濾模式下膜面流速對(duì)滲透通量的影響

如果廢冷卻液處理量較大時(shí)，在短時(shí)間的膜過(guò)濾過(guò)程中，料液的濃度可視為恒定，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用循環(huán)模式，即滲透液重新返回料液中，用以研究某一濃度的料液的膜過(guò)濾狀況。

圖2（a）顯示了在循環(huán)模式下，不同膜面流速對(duì)氧化鋁微濾膜（未修飾膜）處理廢冷卻液的滲透通量變化曲線。圖2（a）顯示了滲透通量隨著膜面流速的增加而增加。這是因?yàn)殡S著膜面流速的增加，料液的湍流程度也隨之增加，這就有效地降低了油滴的濃差極化，減少了膜污染。就整體而言，未修飾膜的滲透通量較小，穩(wěn)定滲透通量只有130 L／（m2·h），說(shuō)明未修飾膜存在相對(duì)較嚴(yán)重的膜污染。

圖2（b）顯示了6 g／L的Zr Cl4修飾膜在不同膜面流速下的滲透通量變化曲線。從圖2（b）可以看出，滲透通量也呈現(xiàn)隨著膜面流速的增加而增加的規(guī)律，但是，當(dāng)膜面流速超過(guò)7 m／s時(shí)，膜滲透通量反而隨著膜面流速的增加而減小。修飾膜滲透通量遠(yuǎn)高于未修飾膜的滲透通量。這可解釋為經(jīng)納米涂層修飾的微濾膜膜孔道表面形成了一層均勻的納米涂層，強(qiáng)親水憎油性的納米涂層阻止了油滴在膜孔道表面的吸附或沉積作用，在料液的湍流作用下，難以形成連續(xù)的污染層，因而膜滲透通量較大。并且，濃差極化層和膜污染厚度均隨著膜面流速的增加而減小，表現(xiàn)為膜滲透通量隨著膜面流速的增加而增加［5～10］。由于納米涂層不僅涂覆在膜表面，也涂覆在膜孔道表面，這樣微濾膜滲透孔道可視為強(qiáng)親水性的毛細(xì)管，這種毛細(xì)管作用可有效地阻止了油滴變形，防止油滴通過(guò)變形而進(jìn)入比其粒徑更小的膜孔道內(nèi)，避免不可逆污染的產(chǎn)生。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)使用微濾膜有效的處理穩(wěn)定含油廢水的目的。但是，如果膜間壓力過(guò)大，超過(guò)了阻止油滴變形的毛細(xì)管作用力時(shí)，油滴就會(huì)被擠壓進(jìn)入膜孔道內(nèi)，形成不可逆污染。因此，膜面流速過(guò)大也會(huì)使油滴進(jìn)入到膜孔道內(nèi)，加重膜污染，致使膜滲透通量減小。

圖2（c）、2（d）分別顯示了12 g／L和24 g／L的Zr Cl4修飾膜在不同膜面流速條件下的滲透通量變化。與圖2（b）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較可以看出，修飾膜的滲透通量與膜面流速的變化規(guī)律是一致的，說(shuō)明納米涂層能有效的減少油滴在膜表面的污染。在相同條件下，12 g／L的ZrCl4修飾膜，膜面流速為7 m／s時(shí)的滲透通量最大，顯然這與納米涂層的表面結(jié)構(gòu)和修飾膜的孔徑大小有關(guān)。當(dāng)修飾液濃度增大時(shí)，納米涂層的厚度也會(huì)隨著增加，納米涂層均勻地涂覆于膜孔道表面，使得料液－膜孔道表面轉(zhuǎn)變?yōu)榱弦海{米涂層表面，使修飾膜有較強(qiáng)的親水性；當(dāng)修飾液濃度繼續(xù)增大時(shí)，納米涂層的厚度就會(huì)增加，導(dǎo)致膜孔徑變小，從而使得膜的滲透通量減小。

圖2 膜面流速對(duì)不同修飾膜滲透通量的影響Fig．2 Effects of the velocity of the feed on the permeating flux of the modified membrane with different concentration of ZrCl4solution

圖3顯示了廢冷卻液與修飾微濾膜處理后的滲透液的光學(xué)照片。

圖3 廢冷卻液與滲透液的光學(xué)照片F(xiàn)ig．3 Photos of the feed and the filtrate

從圖3中可以看出，廢冷卻液是呈現(xiàn)略帶茶色的白色乳濁液。廢冷卻液非常穩(wěn)定，靜置1周，無(wú)明顯的油層浮在冷卻廢液面上，這與油滴平均粒徑為2．049μm是相一致的。原始料液的CODCr值為9 713 mg／L，說(shuō)明廢冷卻液中含有較高濃度的有機(jī)成分，包括表面活性劑和礦物油。經(jīng)微濾膜處理后的滲透液變得清澈，油截留率為96．4%，這表明修飾微濾膜能夠除去廢冷卻液中絕大部分的油滴。同時(shí)滲透液還呈現(xiàn)一定的顏色，CODCr值為1 313 mg／L，這與溶解于水中的大分子表面活性劑和Fe3＋有關(guān)。這些物質(zhì)呈分子狀態(tài)溶解于廢冷卻液中，微濾膜的孔徑較大，無(wú)法有效截留。因此，納米修飾陶瓷微濾膜能有效實(shí)現(xiàn)油水分離，但CODCr去除率僅為86%，還不能實(shí)現(xiàn)滲透液的直接達(dá)標(biāo)排放。

2．3 濃縮過(guò)濾模式下膜面流速對(duì)滲透通量的影響

針對(duì)工業(yè)廢冷卻液處理量相對(duì)較小的情況下的膜過(guò)濾狀況，研究了濃縮處理工業(yè)廢冷卻液的情況，實(shí)驗(yàn)操作條件為：膜間壓力為0．09 MPa，膜面流速為7 m／s。

圖4顯示了12 g／L的Zr Cl4修飾膜濃縮處理工業(yè)廢冷卻液的滲透通量變化曲線。

圖4 納米Zr O2修飾微濾膜濃縮處理工業(yè)廢冷卻液滲透通量變化曲線（圖中數(shù)字代表相應(yīng)時(shí)間的料液中油濃度）Fig．4 Permeating flux of modified microfiltration membrane with nano Zr O2treating industrial waste coolant，the figures represent the oil concentration in the feed

從圖4中可以看出，用12 g／L的ZrCl4修飾微濾膜濃縮處理工業(yè)廢冷卻液的初始最大滲透通量為270 L／（m2·h），與圖2（c）所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。但是，隨著料液油濃度的增加，膜滲透通量急劇衰減。顯然，隨著滲透液的排出，料液的油濃度呈指數(shù)性上升，這將會(huì)導(dǎo)致膜污染程度加劇，使膜滲透通量直線下降。

圖5顯示了滲透液中的油濃度的變化曲線。從圖5中可以看出，滲透液中的油濃度在起始階段先下降，然后呈指數(shù)性增大，到后期則保持線性增加。這可解釋為，對(duì)微濾膜而言，滲透初期陶瓷膜表面的缺陷使得較小粒徑的油滴能夠透過(guò)陶瓷膜進(jìn)入滲透液中，不過(guò)這些缺陷很快就被大粒徑的油滴所堵塞，從而降低了滲透液中的油濃度。但是，隨著滲透過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，料液中的油濃度快速增大，促使吸附在膜表面的油滴之間聚合成大粒徑的油滴。形成連續(xù)相的油滴在膜間壓力的作用下，通過(guò)變形“擠入”膜孔道內(nèi)，直至油滴進(jìn)入滲透液，導(dǎo)致滲透液中油濃度的快速增大。同時(shí)，這種堵塞以及在膜表面的吸附，形成了膜污染，明顯增加了水的滲透阻力，使陶瓷膜的滲透通量降低，對(duì)料液的濃縮速率則逐漸降低，隨之導(dǎo)致陶瓷膜滲透液中油濃度的增加速率放緩。此時(shí)，滲透液中的油濃度明顯超過(guò)含油廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)，從這個(gè)角度判斷，當(dāng)油濃度達(dá)到一定時(shí)，修飾陶瓷微濾膜不能有效地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定含油廢水的油水分離。

圖5 納米Zr O2修飾微濾膜濃縮處理工業(yè)廢冷卻液滲透液中油濃度的變化曲線Fig．5 Oil concentration on the permeating flux of modified microfiltration membrane with nano Zr O2treating industrial waste coolant

3 結(jié)論

納米Zr O2修飾氧化鋁微濾膜處理廢冷卻液，分離模式對(duì)陶瓷膜的滲透通量有明顯影響。循環(huán)模式下，料液的油濃度為恒定的，納米涂層能有效地提高微濾膜的滲透通量。膜面流速的增大在一定程度上能提高膜滲透通量，但超過(guò)一定程度后，增加不明顯。當(dāng)膜面流速為7 m／s，修飾陶瓷膜的最大滲透通量為280 L／（m2·h），油截留率為96．4%。濃縮模式下，料液的油濃度隨滲透液的排出呈指數(shù)性增加，隨著油濃度的增大，滲透通量和油截留率持續(xù)衰減。當(dāng)油濃度達(dá)到一定時(shí)，修飾陶瓷微濾膜不能有效實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定含油廢水的油水分離。

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Effect of Permeating Modes on the Separation Performance of Nano－sized Coating Modified Ceramic Microfiltration Membrane

Wang Xia，Chang Qibing，Wang Yongqing，Zhong Linyan，Zhou Jian＇er，Zhang Xiaozhen（Jingdezhen Ceramic Institute，Jiangxi，Jingdezhen，333403）

Membrane separation technology has the membrane fouling due to the deformation of oil droplets for the treatment of oily wastewater．To reduce the membrane fouling，the commercial Al2O3microfiltration membrane is modified with nanometer Zr O2coating to change the surface hydrophilic character，which shows the good performance．To simulate the application of modified membrane in industry scale，the effect of the circulation mode（simulation of wastewater treatment）and the enrichment mode（simulated a few wastewater treatment）on the permeating flux are discussed．The results show that，the oil concentration in the feed can be regarded as the constant in the cycle mode．The nano coating can effectively improve the penetration of microfiltration membrane flux．The permeating flux of the membrane increases with the velocity of the feed．However，the increment is slight if the velocity increases up to a certain degree．When the membrane surface velocity of 7 m／s，the permeating flux of the modified ceramic membrane is 280 L／（m2·h），and the oil rejection rate is 96．4%．In the enrichment mode，the oil concentration increases exponentially with the discharge of the permeating flux．The permeating flux and the oil rejection rate decrease continuously with the increase of the oil concentration in the feed．The modified ceramic microfiltration membrane can＇t realize the separation of the stable oily wastewater if the oil concentration is high enough．

Microfiltration membrane；Membrane modification；Membrane fouling；Wastewater treatment

TQ028．8

：A

：1002－2872（2012）09－0023－04

教育部重點(diǎn)項(xiàng)目（211092），國(guó)家自然科學(xué)基金（51062006），江西省教育廳項(xiàng)目（GJJ11199）。

王霞（1971－），碩士，講師；主要從事陶瓷膜及納米粉體制備研究。

常啟兵（1976－），博士，副教授；主要從事陶瓷膜的修飾研究。