碳纖維生產(chǎn)廢水DMSO的膜分離濃縮研究

陸朝陽,胡學(xué)文,陳安明

(1.武漢千水環(huán)境工程技術(shù)有限公司,湖北武漢430074;2.武漢凱迪電力工程有限公司,湖北武漢430223)

碳纖維生產(chǎn)廢水DMSO的膜分離濃縮研究

陸朝陽1,胡學(xué)文2,陳安明1

(1.武漢千水環(huán)境工程技術(shù)有限公司,湖北武漢430074;2.武漢凱迪電力工程有限公司,湖北武漢430223)

采用某特種膜,對某碳纖維生產(chǎn)企業(yè)排放的含二甲基亞砜廢水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場膜分離濃縮試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,采用膜分離方法可以實(shí)現(xiàn)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)排放廢水的資源回收及廢水達(dá)標(biāo)排放或回用,此工藝具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益,適于推廣應(yīng)用。

碳纖維;二甲基亞砜;廢水;膜分離濃縮

在采用以二甲基亞砜(DMSO)為溶劑的一步法濕法紡絲聚丙烯腈(PAN)基碳纖維生產(chǎn)過程中會排放一定濃度的含DMSO/丙烯腈廢水。丙烯腈是環(huán)境中重要的有害污染物之一,具有生物毒性,不僅破壞水體生態(tài)系統(tǒng),還危害人類的健康;DMSO作為有機(jī)溶劑,其本身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易被生化降解,同時(shí)其有機(jī)溶劑特性使得生物細(xì)胞膜內(nèi)丙烯腈被不斷富積,廢水中DMSO的存在加劇了丙烯腈的生物毒性。

實(shí)驗(yàn)室研究和實(shí)際工程運(yùn)行調(diào)試經(jīng)驗(yàn)表明[1],常規(guī)的生化處理系統(tǒng)對高含量DMSO廢水無法進(jìn)行正常達(dá)標(biāo)處理,但是當(dāng)廢水中DMSO濃度較低(＜1000 ×10-6)時(shí),采用生化處理后的廢水能較好地滿足環(huán)保要求。但實(shí)際生產(chǎn)過程中碳纖維生產(chǎn)企業(yè)排放的廢水中DMSO濃度較高,一般在4500×10-6以上,特殊情況下甚至達(dá)到20 000×10-6～30 000×10-6,如直接進(jìn)行生化處理根本就不可能正常運(yùn)行,更無法滿足達(dá)標(biāo)排放的要求。

膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于凈水及污廢水處理等行業(yè)[2],如劉華云等[3]采用膜分離技術(shù)成功處理了丙烯腈裝置含氰廢水。為減輕碳纖維生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)廢水處理壓力、降低環(huán)保達(dá)標(biāo)處理的運(yùn)行費(fèi)用,在進(jìn)行碳纖維生產(chǎn)廢水生化處理前采用膜技術(shù)進(jìn)行物料分離濃縮,一方面可使廢水中DMSO濃度大幅降低,滿足生化處理工藝對進(jìn)水DMSO濃度要求,同時(shí)可使?jié)饪s后濃水中DMSO濃度達(dá)到回用水平(要求DMSO濃度≥4%,否則經(jīng)濟(jì)性較差)。但目前關(guān)于碳纖維生產(chǎn)廢水的膜分離濃縮研究及應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道仍較少,作者在此采用某特種膜對碳纖維生產(chǎn)廢水中DMSO進(jìn)行了膜分離濃縮的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果令人滿意。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置(圖1)

圖1 膜分離實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Device schematic diagram for the membrane separation experiment

實(shí)驗(yàn)室小試采用單支膜序批式,現(xiàn)場試驗(yàn)采用3芯2∶1膜組件一次通過式,膜材質(zhì)為聚酰胺,膜元件委托千水公司定制。

1.2 廢水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水為某碳纖維生產(chǎn)企業(yè)車間排出的廢水, p H值為8.2,DMSO濃度為0.44%～0.45%,SS值較低,滿足膜裝置進(jìn)水SS含量要求。

1.3 方法

本裝置運(yùn)行方式與普通的NF膜、RO膜裝置運(yùn)行方式相同。

1.4 分析檢測

DMSO分析采用某碳纖維生產(chǎn)企業(yè)獨(dú)有的專利分析方法。其它項(xiàng)目測試采用國標(biāo)法。

2 結(jié)果與討論

2.1 可行性實(shí)驗(yàn)

2.1.1 膜分離效果

2.1.1.1 第一次膜濃縮實(shí)驗(yàn)(原水濃縮)

將現(xiàn)場取回的原水水樣,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行膜分離濃縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中,在產(chǎn)水管及濃水管取對應(yīng)水回收率下的產(chǎn)水及濃水,測定DMSO濃度;實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,取濃水混合樣及產(chǎn)水混合樣各一個(gè),測定DMSO濃度,結(jié)果見表1。

表1 膜分離濃縮原水的效果/%Tab.1 The efficiency of membrane separation and concentration for raw wastewater/%

從表1可以看出,隨著水回收率的不斷提高,產(chǎn)水DMSO濃度及濃水DMSO濃度不斷增大。這是因?yàn)樗蜋z的是瞬時(shí)水樣。同時(shí),產(chǎn)水混合液DMSO濃度比原水濃度低、濃水混合液DMSO濃度比原水濃度高,符合膜分離濃縮的一般特征。

2.1.1.2 第二次膜濃縮實(shí)驗(yàn)

取原水分離濃縮的濃水混合液和產(chǎn)水混合液再次進(jìn)行膜分離濃縮實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表2。

表2 膜分離濃縮濃水和產(chǎn)水的效果Tab.2 The efficiency of membrane separation and concentration for enriched water and product water

從表2可以看出,隨著水回收率的提高,產(chǎn)水DMSO濃度及濃水DMSO濃度均相應(yīng)增大,同時(shí)濃水DMSO濃度均較濃縮前更高,這也符合膜分離濃縮的一般特征。從表2還可以看出,經(jīng)過兩次分離后,產(chǎn)水DMSO濃度較原水DMSO濃度已大幅度降低。表明采用膜分離濃縮技術(shù)處理DMSO廢水具有實(shí)際意義。

2.1.2 膜分離效果影響因素

2.1.2.1 溫度對膜分離濃縮效果的影響

控制水回收率為80%、p H值為8.0左右、原水DMSO濃度為0.45%,考察溫度對膜分離濃縮效果的影響,結(jié)果見表3。

從表3可以看出,與進(jìn)水溫度約為32℃時(shí)相比,當(dāng)進(jìn)水溫度低于20℃時(shí),膜分離濃縮后產(chǎn)水的DMSO濃度均較低、濃水的DMSO濃度均較高。表明降低進(jìn)水溫度有利于降低產(chǎn)水的DMSO濃度,同時(shí)有利于提高濃水的DMSO濃度,但溫度過低將影響膜的水通量。從實(shí)驗(yàn)效果看,選取適宜的實(shí)際運(yùn)行溫度為20～25℃。

表3 溫度對膜分離濃縮效果的影響Tab.3 The effect of temperature on efficiency of membrane separation and concentration

2.1.2.2 p H值對膜分離濃縮效果的影響

首先考察p H值對DMSO濃度測試的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)p H值不同時(shí),同一水樣,測定的DMSO濃度基本相同,可以認(rèn)為p H值對DMSO濃度的檢測沒有影響。

將原水p H值調(diào)節(jié)至9～11之間,進(jìn)行膜分離濃縮實(shí)驗(yàn),考察p H值對膜分離濃縮效果的影響,結(jié)果見表4。

表4 p H值對膜分離濃縮效果的影響Tab.4 The effect of p H value on efficiency of membrane separation and concentration

從表4可以看出,原水p H值對膜分離濃縮效果有較大影響,調(diào)節(jié)原水p H值至9～11后,膜分離濃縮后的濃水DMSO濃度較未調(diào)p H值的更高,濃縮效果更好。因此,選取適宜的原水p H值為9～11。

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

由于廢水水樣體積有限,實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的分離濃縮實(shí)驗(yàn)均為序批式,即廢水進(jìn)膜后,產(chǎn)水源源不斷流出膜組件,而濃水在裝置內(nèi)部循環(huán)不斷濃縮,取樣分析的水樣數(shù)據(jù)均為某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)值,所測試的數(shù)據(jù)不滿足物料平衡的特征。為了驗(yàn)證小試結(jié)果,在現(xiàn)場進(jìn)行了廢水一次通過膜裝置的試驗(yàn),即廢水源源不斷進(jìn)膜裝置,分離后的產(chǎn)水及濃水源源不斷地流出膜裝置,這樣任何時(shí)候取樣分析的數(shù)據(jù)均能反映這種特種膜對DMSO廢水分離濃縮的效果。

2.2.1 現(xiàn)場試驗(yàn)Ⅰ

進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)Ⅰ,測試不同水回收率條件下膜分離濃縮DMSO的效果,結(jié)果見表5。

表5 膜分離濃縮DMSO現(xiàn)場試驗(yàn)Ⅰ結(jié)果Tab.5 Result of site testⅠof membrane separation and concentration of DMSO

從表5可以看出,經(jīng)過膜分離濃縮后產(chǎn)水DMSO濃度較原水濃度大幅降低,但隨著水回收率的提高,產(chǎn)水DMSO濃度逐漸升高,而濃水DMSO濃度則逐漸降低。

2.2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)Ⅱ

調(diào)節(jié)膜裝置濃水閥,將水回收率設(shè)置為80%,在調(diào)節(jié)原水p H值(p H值9～11)后進(jìn)行低溫(原水溫度23℃)條件下的膜分離濃縮;收集濃水再次進(jìn)行膜分離濃縮,水回收率設(shè)置為80%,水溫為22℃,現(xiàn)場試驗(yàn)Ⅱ結(jié)果見表6。

表6 膜分離濃縮DMSO現(xiàn)場試驗(yàn)Ⅱ結(jié)果Tab.6 Result of site testⅡof membrane separation and concentration of DMSO

從表6可以看出,在優(yōu)化條件下,經(jīng)一次特種膜分離濃縮后,可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)水中DMSO濃度小于1000× 10-6;經(jīng)兩次特種膜分離濃縮后,濃水中DMSO濃度為4.16%,提高近10倍,達(dá)到回用要求。

3 結(jié)論

(1)進(jìn)水溫度對膜分離濃縮廢水中DMSO有較大影響,適宜溫度為20～25℃。

(2)進(jìn)水p H值對膜分離濃縮處理廢水中DMSO有較大影響,在p H值為9～11時(shí)分離濃縮效果較好。

(3)采用特種膜分離濃縮DMSO廢水時(shí),進(jìn)水溫度為20～25℃、進(jìn)水DMSO濃度在0.4%左右、p H值調(diào)節(jié)至9～11時(shí),經(jīng)過一次膜分離濃縮后,產(chǎn)水中DMSO濃度可低于1000×10-6,經(jīng)兩次膜分離濃縮后,濃水中DMSO濃度提高10倍左右,可直接送至生產(chǎn)企業(yè)精餾裝置回收利用。

[1] 李楠.微波強(qiáng)化處理二甲基亞砜生產(chǎn)廢水工藝及機(jī)理研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[2] 劉茉娥.膜分離技術(shù)應(yīng)用手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001: 1-26.

[3] 劉華云,王威.膜分離技術(shù)處理丙烯腈裝置含氰廢水[J].石油技術(shù)與應(yīng)用,2010,28(1):37-40.

Study on Membrane Separation and Concentration of DMSO from Carbon Fiber Production Wastewater

LU Chao-yang1,HU Xue-wen2,CHEN An-ming1
(1.Wuhan Water 1000 Environmental Engineering Technical Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China; 2.Wuhan Kaidi Electric Engineering Co.,Ltd.,Wuhan 430223,China)

The separation and concentration of DMSO from the wastewater discharged by a carbon fiber manufactory was studied at lab and on site through special membrane separation technology.The results showed that membrane separation technology could draw the useful material from the wastewater discharged by the carbon fiber manufactory and the wastewater could be treated easily to meet the wastewater discharge standard.The process and technology was worth to be extended widely for good economic and social benefits.

carbon fiber;DMSO;wastewater;membrane separation and concentration

X 703

A

1672-5425(2013)05-0083-03

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.05.023

2013-03-12

陸朝陽(1968-),男,湖北天門人,高級工程師,主要從事凈水及污水處理工程管理工作。