膜分離技術(shù)助力紡織廢水處理——記第7期紡織科技新見解學(xué)術(shù)沙龍

舒 偉

(中國紡織工程學(xué)會，北京 100025)

隨著社會和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在資源的循環(huán)利用和環(huán)境治理中，特殊物質(zhì)的分離技術(shù)成為重要研究方向。其中，分離膜技術(shù)在城鎮(zhèn)給水處理、工業(yè)廢水廢氣處理、生活廢水循環(huán)使用、中水回用、海水淡化等領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用。近年來，膜分離技術(shù)在紡織廢水處理中的應(yīng)用增速較為明顯，為紡織行業(yè)的水資源循環(huán)利用另辟蹊徑。針對當(dāng)前分離膜的研究熱點(diǎn)與應(yīng)用進(jìn)展情況，中國紡織工程學(xué)會的第7期紡織科技新見解學(xué)術(shù)沙龍暨第二屆津膜論壇于2015年4月21日在天津舉行。會議主題為“分離膜技術(shù)與應(yīng)用”，由《紡織學(xué)報(bào)》編輯委員會、省部共建分離膜與膜過程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和天津膜天膜科技股份有限公司共同承辦。中國工程院高從堦院士、姚穆院士，天津工業(yè)大學(xué)肖長發(fā)教授，總后勤部軍需裝備研究所施楣梧教授級高工，天津膜天膜科技股份有限公司徐平研究員擔(dān)任領(lǐng)銜科學(xué)家。來自科研院所和企業(yè)的40余名專家與學(xué)者圍繞膜技術(shù)的深度研發(fā)和推廣應(yīng)用共同探討新見解、新思路。

1 膜分離技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)60年代世界上出現(xiàn)了第一張高通量的反滲透膜，經(jīng)過理論、材料、技術(shù)、設(shè)備、工藝及其集成技術(shù)的不斷創(chuàng)新，分離膜技術(shù)取得了快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從早期的脫鹽加工發(fā)展到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，成為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活和國防領(lǐng)域中不可缺少的分離方法。高從堦院士詳細(xì)介紹了膜科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展思路以及產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀，主要包括處理能力達(dá)52萬t/d的大型反滲透海水淡化工廠、用膜近萬平方米的大型超濾退漿廢水處理廠、30萬t/d的膜生物反應(yīng)器廢水處理系統(tǒng)、每小時(shí)數(shù)萬標(biāo)方的合成氨池放氣 H2回收裝置、年產(chǎn)4.5萬m3無水乙醇滲透汽化廠、以及每年挽救超百萬人的醫(yī)用膜材料等。這些膜技術(shù)的應(yīng)用案例充分體現(xiàn)了膜技術(shù)從無到有快速發(fā)展的近60年歷程。

膜的種類根據(jù)其功能和結(jié)構(gòu)的不同主要分為以下幾類:按外形可分為中空纖維膜、平板膜和管式膜;按推動力可分為納濾膜、反滲透膜、電滲析膜、微濾膜和超濾膜;按材料化學(xué)組成可分為無機(jī)膜、有機(jī)膜和復(fù)合膜。膜分離技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是占地少、能耗低、無污染且可回收有用物質(zhì)，是國內(nèi)外一直高度關(guān)注的高新技術(shù)領(lǐng)域。

我國是世界分離膜的主產(chǎn)區(qū)之一，設(shè)備完全國產(chǎn)化，主要生產(chǎn)以平板膜、中空纖維膜為主的功能性分離膜，同時(shí)培養(yǎng)出一批創(chuàng)新精神強(qiáng)、科研素質(zhì)高的專家和團(tuán)隊(duì)，帶動了一批實(shí)力強(qiáng)勁的創(chuàng)新型企業(yè)，形成了運(yùn)轉(zhuǎn)良好的產(chǎn)業(yè)鏈。近30年來，我國膜法水處理技術(shù)也取得了較好成績:20世紀(jì)80年代，超濾/微濾主要用于中小型水凈化，反滲透開始規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用;20世紀(jì)90年代，膜生物反應(yīng)器小型化生產(chǎn)應(yīng)用，反滲透復(fù)合膜大規(guī)模普及使用;21世紀(jì)初期，超濾/微濾/膜生物反應(yīng)器大規(guī)模用于工業(yè)及市政水處理;2010年以來，10萬t級超濾、20萬t級反滲透膜投產(chǎn)使用，用于工業(yè)污水和生活廢水處理，但與國外先進(jìn)水平相比，我國的膜分離技術(shù)從整體上還有一定差距。

2 高性能膜材料的研究

膜材料的研發(fā)是膜分離技術(shù)發(fā)展的重要保證，而選擇適當(dāng)?shù)哪げ牧蠈δさ拈_發(fā)和應(yīng)用起著決定性作用，其成膜性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、耐氧化、耐酸堿性和耐微生物侵蝕以及抗污染和親水性均是要考慮的重要因素之一。目前用于制作分離膜的高分子材料主要有纖維素酯類、聚砜類、聚酰(亞)胺類、聚酯及烯烴類、含氟(硅)類等，隨著技術(shù)發(fā)展，不斷有新型改性材料和其他新材料用于制備分離膜。

雜萘聯(lián)苯聚芳醚主要是由雜萘聯(lián)苯類雙酚單體(DHPZ)及其衍生物合成功能性高分子材料，由于分子主鏈上含有全芳非共平面扭曲鏈結(jié)構(gòu)，具有較好的耐化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性，且可溶解于N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等常用制膜溶劑，是一類性能優(yōu)良的高分子膜材料，在耐高溫分離膜和離子交換膜方面具有非常好的應(yīng)用前景。蹇錫高院士指出，將制備的雜萘聯(lián)苯聚芳醚砜酮(PPESK)作為膜材料，采用干-濕法紡絲工藝紡制具有中空結(jié)構(gòu)的氣體分離基膜，在膜表面涂覆硅橡膠后，制備得到具有氣體分離功能的中空纖維膜，再通過線性濁點(diǎn)關(guān)聯(lián)式和濁點(diǎn)滴定計(jì)算，得到氧氮分離系數(shù)為5.3的分離膜。即使在溫度升高時(shí)，也能保持較高的分離系數(shù)。目前，雜萘聯(lián)苯聚芳醚膜材料的應(yīng)用領(lǐng)域向反滲透膜、納濾膜、超濾膜、氣體分離膜、離子交換膜等功能膜領(lǐng)域擴(kuò)展。

而以聚芳酯纖維為主的熱致型液晶高分子材料(TLCP)，具有優(yōu)異力學(xué)性能、低熔融黏度、自增強(qiáng)效應(yīng)，在外力作用下分子鏈高度取向;并有突出的抗燃燒性、熱穩(wěn)定性;優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕、絕緣性和抗老化性等優(yōu)點(diǎn)。東華大學(xué)王依民教授認(rèn)為，在聚芳酯溶解體系中，低黏度和高黏度的性能具有很大區(qū)別，也就是趨向差異是非常大的，時(shí)間從長到短，結(jié)晶的趨向是非常好的，符合高性能纖維必要的結(jié)構(gòu)模型;在應(yīng)用于膜材料方面，耐熱、耐切割、耐化學(xué)品，耐酸堿等性能均比聚芳酰胺高很多，尤其是酸性環(huán)境下的過濾，同時(shí)有較好的振動衰減性、沖擊吸收性，電氣絕緣性;但是其成本太高，不利于大范圍推廣，如何通過添加不同第三單體來調(diào)節(jié)體系溶解度和黏度以降低成本，對制備出高性能的分離膜具有重大意義。

浙江理工大學(xué)郭玉海教授向大家介紹了聚四氟乙烯(PTFE)微孔材料研發(fā)中對孔徑控制、親水處理、疏水處理的思路和觀點(diǎn)，所開發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)在企業(yè)有較好應(yīng)用。

3 高性能分離膜的應(yīng)用前景

膜分離技術(shù)被認(rèn)為是新型環(huán)保技術(shù)，膜在分離過程中不發(fā)生相變，能耗低且分離效率高，是解決當(dāng)前淡水污染和水資源緊缺等問題的重要方法之一。徐平研究員介紹了世界上最大的膜法海水淡化廠即以色列Ashkelon海水淡化廠，它提供的淡水占整個(gè)國家總用水量的5% ～6%，是世界上制水成本最低的海水淡化廠之一。在我國同樣存在淡水資源緊張，已經(jīng)嚴(yán)重制約了人民生活水平提高和工業(yè)發(fā)展，經(jīng)過膜法對工業(yè)廢水進(jìn)行回用和海水淡化將是破解此問題的重要手段。

印染行業(yè)的水、氣、泥三大污染源是限制行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，在國家日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)下，已嚴(yán)重影響到企業(yè)的發(fā)展甚至是生存?？上驳氖悄し蛛x技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了印染廢水的回用，為印染行業(yè)的持續(xù)發(fā)展解決了后顧之憂。

以浙江某印染公司為例。該公司是一家大型紡織、印染、服裝、貿(mào)易企業(yè)。采用了“物化+生化+膜生物反應(yīng)器+反滲透”廢水處理方式，目標(biāo)是印染廢水回用，日處理廢水規(guī)模為14000 m3，2012年2月投產(chǎn)運(yùn)行并通過驗(yàn)收，一直穩(wěn)定運(yùn)行至今。目前回用處理水量為10000 m3(回用水6000 m3，濃水4000 m3)，回用水返回至印染生產(chǎn)過程中，其余排放水水質(zhì)達(dá)到污水綜合三級排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》)。其處理流程為:印染生產(chǎn)廢水—調(diào)節(jié)池—物化處理—冷卻塔—生物接觸氧化—膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)—反滲透系統(tǒng)—清水池—回用至印染車間。其中經(jīng)膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)處理的不可回用廢水進(jìn)入廢水池至廢水管網(wǎng)達(dá)標(biāo)排放。印染廢水經(jīng)過此綜合系統(tǒng)的處理，約60%廢水成功回用，使廢水排放總量控制在指標(biāo)之內(nèi)，為公司印染業(yè)務(wù)的增加提供了保障。目前浙江、江蘇等地多家印染企業(yè)都開始嘗試使用這一新技術(shù)。

膜分離技術(shù)處理印染廢水取得的良好效果，不僅拓寬了該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，也為印染行業(yè)的節(jié)能減排、水資源的開發(fā)再利用找到了正確的方向。與會專家也特別提醒，因?yàn)楦鲝S產(chǎn)品和所用染料均不一樣，印染廢水組成成分較為復(fù)雜，要依據(jù)廢水的組分選擇合適的過濾膜材料和處理方式。

煤礦也是工業(yè)污水的主要來源之一，每年煤礦排放量是45億t，占整個(gè)采礦業(yè)的80%，污水非常大，且目前大部分污水沒有處理直接排到江里，加重了水資源的短缺和環(huán)境污染。針對這一市場需求，清華大學(xué)的李繼定教授采用多層篩分型分離原理，研發(fā)了一套高效集成污水處理系統(tǒng)，具有工藝流程短、出水質(zhì)量好、占地小、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)，受到煤礦企業(yè)的歡迎，但這一技術(shù)是否也可用于紡織廢水處理還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語

高從堦院士指出，我國膜產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值2014年達(dá)1000億元，2020年將超過2000億元。膜分離技術(shù)在海水淡化與苦咸水淡化、微污染水處理、廢水回用、節(jié)能減排、新能源電池、醫(yī)用膜、氯堿工業(yè)應(yīng)用、氣體分離等方面的應(yīng)用都將有大幅增長。其中重點(diǎn)是廢水處理和節(jié)能產(chǎn)品改造，也包括新能源電池的應(yīng)用，這是今后膜技術(shù)，不管是在科研還是“產(chǎn)學(xué)研”方面，需集中解決的問題。

姚穆院士為本次會議作了總結(jié)。他認(rèn)為用膜法進(jìn)行水處理和空氣過濾具有重大的市場潛力;中國是淡水非常缺乏的國家之一，而且我國現(xiàn)在又是空氣污染很嚴(yán)重的國家之一，膜技術(shù)的發(fā)展是解決這一問題的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)在海水淡化、污水處理、飲用水安全、大氣污染、特種安全等方面取得了巨大進(jìn)步，以沙龍的形式引導(dǎo)不同領(lǐng)域的專家齊聚一堂，分享研究成果，啟迪各位專家和年輕學(xué)者的靈感，可對紡織工業(yè)以及材料紡織品技術(shù)進(jìn)步起到極大促進(jìn)作用，達(dá)到跨界融合的共贏目的。國內(nèi)已建有較為健全的膜技術(shù)平臺，建議通過國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、高校、學(xué)會聯(lián)合幾家上市公司以及眾多中小企業(yè)，形成運(yùn)轉(zhuǎn)良好的“產(chǎn)學(xué)研用”平臺，大力促進(jìn)膜分離技術(shù)的發(fā)展并進(jìn)行推廣應(yīng)用，為紡織行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做好技術(shù)創(chuàng)新。