重金屬廢水處理中膜分離技術(shù)的應(yīng)用研究

黃文娟

（佛山德藍環(huán)保技術(shù)咨詢有限公司，廣東 佛山 528000）

膜分離技術(shù)作為水處理行業(yè)的高新技術(shù)，其應(yīng)用的廣度和深度在不斷提升，該技術(shù)因其高分離效率、沒有相變、節(jié)能環(huán)保、設(shè)施簡單、操作簡單等特征，凸顯出其 在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代工業(yè)廢水處理必不可少的技術(shù)。尤其是在重金屬廢水處理環(huán)節(jié)，膜分離技術(shù)更是發(fā)揮著不可替代的作用。

1 膜分離技術(shù)基本概述

1.1 膜分離技術(shù)原理

所謂膜分離技術(shù)即考慮膜的具體性質(zhì)，受膜兩側(cè)壓差的影響，運用不同組分在膜內(nèi)傳質(zhì)的選擇性差異，做好組分流體物質(zhì)的分離、分級、提純和富集。在水污染治理環(huán)節(jié)，膜分離技術(shù)扮演著重要角色，發(fā)揮了膜的滲透性特征，使水體中的污染物被有效分離出來。現(xiàn)階段，膜分離技術(shù)對廢水進行了有效地凈化和過濾，所以在制備蒸餾水、食品消毒等方面有著廣泛的應(yīng)用。膜分離技術(shù)應(yīng)用便捷，成本不高，因而減少了水處理成本，提高了水資源整體的使用效率，緩解了水資源的緊張局勢，也為廣大人民群眾創(chuàng)造了更加舒適、安全的生活環(huán)境[1]。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

1.2.1 分離效果佳

分離效果佳是膜分離技術(shù)的優(yōu)勢之一，在對廢水進行處理時，膜分離技術(shù)主要通過沉淀、擠壓等方法將廢水中的有害物質(zhì)、細菌等分離出來，達到凈化廢水的目的，實現(xiàn)了理想的分離效果，并減少了資源浪費。而傳統(tǒng)的水處理方法是直接采用蒸餾分離，如果環(huán)境條件滿足蒸餾分離法的處理要求，那么存在于水體中的有機物狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致水結(jié)構(gòu)被破壞，使處理工作開展起來難度較大[2]。但膜分離技術(shù)對外部環(huán)境沒有太高要求，在常溫條件下也可以分離水體中的雜質(zhì)，且分離過程不會受環(huán)境因素太大的影響，自動化處理目標很容易實現(xiàn)，使整體工作質(zhì)量及工作效率得到提高。

1.2.2 操作便捷

膜分離技術(shù)屬于操作便捷、適應(yīng)性強同時對環(huán)境要求不高的技術(shù)。該技術(shù)需要配備完善的設(shè)備設(shè)施，自動化水平比較高，所以工作人員的工作負擔大大減少，整體操作相對便捷。一般情況下，分離過程在室內(nèi)展開，所以對試驗設(shè)備的磨損較小。操作者僅需要定時維護實驗設(shè)施，明確其是否存在故障，是否需要保養(yǎng)等。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，技術(shù)力量不斷增強，膜分離技術(shù)還將會不斷優(yōu)化改善，操作環(huán)節(jié)的優(yōu)化水平也在不斷提升。此外，分離后水質(zhì)的潔凈度提升，水質(zhì)中的有機物不會受到太大干擾。

1.2.3 應(yīng)用范圍廣

分離膜核心技術(shù)對膜分離技術(shù)的促進作用顯著。二十世紀六零年代是分離膜核心技術(shù)的快速發(fā)展階段，逐漸發(fā)展成為新型分離技術(shù)。膜分離技術(shù)憑借分離、濃縮、高效、節(jié)能、環(huán)保、操作簡單、控制便捷等優(yōu)勢，能夠滿足分離、提純、濃縮等多種要求而受到行業(yè)青睞[3]。運用半透明的分離模式，膜分離技術(shù)在常溫下能夠保障被分離物的特性，保障分離后的色香味形，所以在眾多領(lǐng)域都可見其身影。正是由于其處理性質(zhì)特征，使膜分離技術(shù)的應(yīng)用空間更廣，在生物、化工、冶金、水處理等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，對現(xiàn)代社會產(chǎn)生了巨大影響，使其成為現(xiàn)階段分離技術(shù)的核心代表。

2 膜分離技術(shù)在重金屬廢水處理中的應(yīng)用

2.1 電滲析法

電滲析法是在直流電場的作用下，使溶液內(nèi)的帶電離子有選擇性地從離子交換膜中透過。電滲析膜裝置由陽離子交換膜、陰離子交換膜組成。電滲析環(huán)節(jié)的金屬離子從膜中透過之后存在于進料側(cè)，通過金屬離子及膜間的相互作用達到分離的目的。電滲析法屬于成熟度較高的膜分離技術(shù)，在現(xiàn)代水處理工程中有著廣泛應(yīng)用，例如金屬廢水、放射性廢水、造紙廢水等。隨著科技水平的提高，離子交換膜以及傳統(tǒng)電滲析裝置的革新速度也在加快。優(yōu)化后的電滲析技術(shù)主要由無極水電滲析技術(shù)、無隔板電滲析器、填充床電滲析技術(shù)、液膜電滲析、雙極膜電滲析技術(shù)等構(gòu)成。特別是雙極膜電滲析技術(shù)以及填充床電滲析技術(shù)的發(fā)展更使電滲析技術(shù)成為當下研究的熱點[4]。

2.2 液膜法

液膜法使用的膜是將酸堿差或者濃度差作為助力，包括萃取以及反萃取兩環(huán)節(jié)的界面膜。液膜萃取及反萃取發(fā)生在膜兩側(cè)界面，溶質(zhì)從料液相直接萃入到膜相，然后擴散到膜相的另一端，反萃到接收相中，達到萃取和反萃取內(nèi)耦合的目的，液膜過程本身也屬于非均衡傳質(zhì)過程。液膜又可以進一步細分為BLM、ELM等幾類。在滿足動力學(xué)規(guī)律的前提下分析BLM對水體中銅離子的分離作用，發(fā)現(xiàn)銅離子和載體分離間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對于離子的傳遞速率直接產(chǎn)生影響，金屬離子以及載體濃度比是對膜傳遞效率產(chǎn)生直接影響的條件，所以對于給定液膜而言，只要做好操作時物理化學(xué)條件的控制工作就可以達到理想的傳遞效率。SLM的出現(xiàn)使重金屬廢水處理工作變得輕松，SLM僅需要很少量的增溶性有機載體即可達到陽離子高效分離的目的。部分學(xué)者應(yīng)用SLM將電鍍洗水中的銅離子、鋅離子、鉻離子等分離出來，并分別應(yīng)用特定的載體回收重金屬。試驗結(jié)果表明，高純度滲透液很容易得到，但是此方法具有明顯的局限性，例如流率不高、機械穩(wěn)定性不高、載體的存在影響膜穩(wěn)定性等，這些問題的存在使SLM在工業(yè)上的應(yīng)用范圍不廣[5]。但是對比固膜，液膜的選擇性更靈活，定向性更高同時滲透性更理想，膜表面積更大，成膜更簡單，再加上液膜體系內(nèi)載體濃度降低，液膜試劑架夾帶的損失也會降低，使一些需要昂貴試劑或者處理量大的場合嘗到了“甜頭”。

2.3 納濾法

納濾膜表面由非對稱性結(jié)構(gòu)的高分子和微孔支撐體結(jié)合而成，納濾和電滲析的區(qū)別是透過膜的物質(zhì)并不是離子而是水，納濾可用于從溶劑中分離高化合價的離子和有機分子。納濾膜包括多孔膜以及致密膜，多孔膜主要是指無機膜，致密膜主要是指聚合物膜。納濾膜分離環(huán)節(jié)不會損失太多溶質(zhì)，屬于應(yīng)用效果理想的分離廢水的方法，但是其傳質(zhì)機理還需要深入研究，以達到提高分離精度的目的。

2.4 超低壓反滲透法

重金屬廢水處理中使用超低壓反滲透法可以彌補傳統(tǒng)反滲透膜使用成本高的缺點，同時獲得的金屬離子截留率較高，可以通過超低壓反滲透膜將稀溶液中的銅離子、鉻離子、鎳離子等分離出來。截留率受到進料壓力的直接影響，隨著壓力的增加截留率提升。當離子濃度相同時，隨著壓力差的增加，不同離子的截留率都將得到提升。截留率還會受到離子價態(tài)的影響，在相同壓力條件下，銅離子和鎳離子的截留率比鉻離子低。此外實驗研究表明，通量隨著進料液濃度的降低而增加，截留率卻隨著進料液濃度的增加而增加。截留率隨著進料pH值的增大而增加，當電位差為0時，截留率達到低谷，當pH在7～8范圍內(nèi)的時候，截留率相對較高。應(yīng)用超低壓反滲透膜處理工業(yè)重金屬廢水，大大降低了工作負擔，操作成本也降低很多，且截留率相對較高，裝置簡單，對于溶液的理化性質(zhì)不會產(chǎn)生影響，而且可以通過對透過液、濃溶液等的回收形成封閉的循環(huán)無排放體系，當然該項工作還需要展開廣泛的研究[6]。

2.5 膠束增強超濾法

膠束增強超濾法作為表面活性劑與超濾膜耦合的新型技術(shù)手段，在表面活性劑濃度比臨界膠束濃度高的情況下，形成較大的兩性聚合物膠束。當超濾膜過濾溶液時，將吸附大部分金屬離子以及有機溶質(zhì)的膠束，從而達到截留的目的，使存在于透過液中的金屬離子、有機溶劑、表面活性劑單體減少，因而處理后的水能夠滿足回收利用或者直排的標準。當前，膠束增強超濾法應(yīng)用的表面活性劑主要由陰離子表面活性劑、非離子型表面活性劑等構(gòu)成。部分離子型和非離子型表面活性劑混合后會有協(xié)同作用出現(xiàn)，產(chǎn)生較大的膠束，有利于提高金屬離子的去除效率。同時，膠束增強超濾法處理重金屬廢水的工藝操作簡單、處理成效較佳，適用于濃度不高的重金屬廢水處理。經(jīng)處理的水可以重新回用，并可以在濃縮液中回收重金屬，特別是應(yīng)用混合型表面活性劑可以提升對重金屬離子的去除成效，因此，此類方法的應(yīng)用前景廣闊。

2.6 水溶性聚合物絡(luò)合超濾法

當聚合物中含有氮、硫、磷、羥基功能團時，能夠與很多重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。聚合物分子量比超濾膜切割分子量大時，聚合物被截留，被絡(luò)合的重金屬離子被分離出來，達到離子選擇性分離的目的。對水溶性聚合物超濾絡(luò)合反應(yīng)產(chǎn)生影響的因素較多，包括pH值、金屬離子、離子強度等。其中對金屬離子截留率產(chǎn)生顯著影響的因素就是溶液的pH值。一般情況下，在一定范圍內(nèi)，溶液的pH越高，截留率就越高，但是當pH值升高到一定程度后，金屬離子會出現(xiàn)氫氧化物沉淀。對金屬離子截留率產(chǎn)生影響的另一因素是金屬離子和聚合物的濃度比，當濃度比升高到一定范圍后，截留率會不斷下降。對超濾環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響的因素較多，例如溫度、壓差、料液流速、聚電解質(zhì)濃度等。料液的粘度會隨著溫度的變化而發(fā)生改變，膜過濾通量隨之受到影響，使絡(luò)合平衡發(fā)生移動，導(dǎo)致金屬離子的截留率發(fā)生改變[7]。壓差以及料液的流速等也會對膜過濾通量產(chǎn)生直接影響，但是不會對截留率產(chǎn)生顯著影響，所以優(yōu)化這兩大參數(shù)是提高膜通量、縮減成本的關(guān)鍵。金屬離子截留率同金屬離子和聚合物濃度之比有直接關(guān)系，隨著聚電解質(zhì)濃度的增大，膜通量越來越小。聚合物增強超濾工藝的應(yīng)用優(yōu)勢主要表現(xiàn)為，應(yīng)用有選擇性的聚電解質(zhì)將大大提升金屬離子的分離效率，無需較多能耗就可以提升透過速率，耦合技術(shù)的研究工作還將持續(xù)推進。

2.7 微濾膜技術(shù)

常用的微濾膜技術(shù)是共沉淀－微濾。重金屬常用的共沉淀劑是硫酸鐵，配合微濾膜去除沉淀物，該方法對重金屬的去除率較高。去除率受到鐵和重金屬比例的影響，比例越高對應(yīng)的去除效果就越顯著。富含重金屬離子的廢水往往含有有機成分，應(yīng)用氫氧化鐵與重金屬離子共沉淀的同時還可以吸附一些螯合物。此外，在一定條件下氫氧化鐵可以吸附一些不沉淀的陽離子。因此，將沉淀、吸附結(jié)合，并配合微濾膜分離技術(shù)，可以達到理想的重金屬去除效果[8]。

3 目前膜分離技術(shù)存在的問題及發(fā)展動向

3.1 存在的問題

膜分離技術(shù)歷經(jīng)五十多年的發(fā)展，技術(shù)水平及成熟度不斷提升。隨著科技水平的提升，越來越多的新型膜分離技術(shù)走進污水處理領(lǐng)域。從90年代以來，全世界工業(yè)用膜分離裝置年銷售額突破十億美元，呈現(xiàn)出連年遞增的良好發(fā)展態(tài)勢。得益于現(xiàn)代科技力量的增強，膜分離技術(shù)也朝著愈發(fā)完善、優(yōu)化、科學(xué)的方向發(fā)展，其可行性將會進一步提升。但是從當前的發(fā)展情況看，膜技術(shù)在實際應(yīng)用環(huán)節(jié)仍然存在弊端。首先作為高速發(fā)展起來的新型分離技術(shù)，膜分離技術(shù)自身存在的技術(shù)問題相對較多，例如高分離因子以及高滲透通量膜的制備，需要集中精力研發(fā)穩(wěn)定性更強、污染后更容易清洗的膜組件。其次，很多研究工作開展不到位，也導(dǎo)致了該項技術(shù)的研究成果與具體應(yīng)用之間存在較大差異，距離工業(yè)應(yīng)用仍然有一定距離。再者膜很容易受到污染，因而增加了清洗的頻率，影響了技術(shù)的整體應(yīng)用效果。因此，促進以上問題的高效解決，是發(fā)揮膜技術(shù)在分離領(lǐng)域更大優(yōu)勢的關(guān)鍵。

3.2 發(fā)展動向

當前階段，相關(guān)技術(shù)人員致力于新型膜材料的開發(fā)，優(yōu)化膜體結(jié)構(gòu)，做好超薄膜、復(fù)合膜等的研究顯然成為國內(nèi)外膜技術(shù)的全新發(fā)展動向。分離膜材料的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在開發(fā)功能性高分子膜材料，即依托膜的分離機制，深層次開展各類分子結(jié)構(gòu)的功能性高分子合成均質(zhì)膜的研制，明確分子結(jié)構(gòu)和分離性能之間的具體關(guān)系，做好膜表面的改性工作，并考慮分離對象，有效引進不同類別的活化基團，使膜的表面真正活化起來，從而進一步提升高分子合金模的發(fā)展速度。同時，要專注于無機膜材料的開發(fā)，充分利用分子設(shè)計使其滿足各種分離要求，從而使膜技術(shù)取得更大的發(fā)展。

4 膜分離技術(shù)的研究熱點

膜分離技術(shù)的研究熱點是新型膜材料以及膜污染控制，目的是優(yōu)化膜性能，延長其使用壽命，凈化水質(zhì)，發(fā)揮膜技術(shù)進行污水處理的優(yōu)勢。膜材料研究的焦點為新型復(fù)合膜的構(gòu)建，希望獲得親水性、高通量、高排斥性的膜材料。新型材料包括碳納米管結(jié)構(gòu)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機理的研究及降低膜污染的策略上，以最大限度地發(fā)揮膜技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。膜污染的原因是濃度極化、表面結(jié)垢、膜孔堵塞等，現(xiàn)階段借助試驗、模型建立等對膜污染機理展開研究。膜污染清洗也是當前的研究熱點，膜的材質(zhì)以及處理對象不同，選擇的最優(yōu)化清洗方式也不同，需要通過實驗詳細確定，一般情況下配合藥劑進行清洗可以取得顯著效果。

5 結(jié)語

綜上所述，在重金屬廢水處理中，膜分離技術(shù)發(fā)揮著重要作用。隨著現(xiàn)代技術(shù)力量的增強，膜分離技術(shù)的優(yōu)化水平不斷提升，對重金屬廢水處理的效果也進一步提升。因此，只有充分掌握膜分離技術(shù)，確定水處理環(huán)境工程的具體需要，才能切實發(fā)揮膜分離技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)人與自然的和諧共處。