水处理技术探析

水是人类生存不可或缺的部分,大量未经处理的污水直接排放使自然水体受到了严重污染,更加剧了用水紧张的状况,影响国民经济的可持续发展.因此水资源污染的问题急需解决,水处理技术及水资源的循环再利用也成为众多学者研究的焦点.

1.膜法水处理技术的特点

膜是指分隔两相界面,并以特定的形式限制和传递各种化学物质的阻挡层.因而膜可为气相、液相和固相,或是它们的组合.膜分离是以选择性透过膜为分离介质,在两侧加以某种推动力时,原料侧组分选择性地透过膜,从而达到分离或提纯的目的.

随着膜技术的发展,膜分离已经越来越广泛的应用于生产、生活的各个方面,但其在使用过程中易被污染问题逐渐引起人们的关注.常用于微滤和超滤的膜材料大多是疏水性的,如聚乙烯,聚丙烯,聚偏氟乙烯,聚砜等.它们有良好的热稳定性及耐化学腐蚀性.

2.疏水膜的应用

2.1利用疏水膜去除污染物

2.1.1利用疏水膜去除内毒素

2000年,中国科学院大连化学物理研究所研究出一种用于内毒素去除的疏水荷正电亲和膜.所制备的胺类疏水荷正电膜对内毒素的去除率一般在90%以上.

2.1.2利用疏水膜去除病毒

2001年,荷兰的E.M.vanVoorthuizen和澳大利亚的N.J.Ashbolt和A.I.Sch&afe研究出疏水膜比亲水膜更能截留肠道病毒,在有盐的作用下,疏水膜对噬菌体的截留率为5log.

2.1.3利用疏水膜去除TCA(2,4,6-trichloroanisole,三氯苯甲醚)

2006年,韩国的NoeonPark等人研究出疏水性微滤膜能有效去除TCA(去除率大于90%).即使为了相同的流速而增加跨膜的压力,疏水膜有比亲水膜对TCA更高的去除率.

2.2疏水膜在膜蒸馏中的应用

膜蒸馏是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种新型膜分离技术.其商业潜力也已经得到广泛认可,因此日益受到研究者的重视,成为膜科学和分离科学的研究热点之一.膜蒸馏用膜材料应满足疏水性和适宜的微孔性.2007年,浙江大学徐又一等研究了聚醚砜微孔膜的疏水改性及其在膜蒸馏中的应用,改性后的膜疏水性显著提高.将改性后的膜用于真空膜蒸馏淡化模拟海水的试验中,结果表明在雷诺数较小的情况下,改性膜的脱盐率达99.99%,通量达4530mL/(m2/h).同年,中国科学院生态环境研究中心的王军等人对疏水膜蒸馏浓缩技术用于RO(反渗透)浓水回用处理进行了研究.研究表明,采用MD(膜蒸馏浓缩)技术回用处理RO浓水在技术上是可行的,通过构建RO/MD集成系统,可使总产水率达95%以上.

2.3利用疏水膜进行乳化

2008年,中国科学院的QINGZhu-zhou等人,利用疏水膜进行乳化.把琼脂糖水溶液用来作为水相,液体石蜡和石油醚的混合液作为油相、水相和油相在60e和粗乳状液混合,然后粗乳液在高压下被挤压通过疏水膜,形成颗粒大小均衡的乳状液,慢慢冷却,搅拌,形成凝胶珠.

2.4利用疏水膜脱水

2008年,荷兰人研究利用疏水膜脱水,研究表明,尽管所有的硅膜具有疏水性的特点,但它们在渗透汽化的条件下,非常适合把水从有机溶剂中分离出来.

3.膜污染的预防措施及解决方案

3.1膜污染的危害

现在存在的一些问题限制了膜产品的利用.膜污染问题是焦点之一.随着微小颗粒在膜孔中的堆积或有机物质在膜表面的堵塞而使膜污染,从而使得膜分离效率迅速降低.同时由于膜污染问题的加剧,生产相同体积的纯水需要提供更大的压力驱动.这就意味着更高的能量消耗,同时缩短了膜及相关设备的寿命.并且膜材料会与某些特定的化学物质反应,从而使膜发生溶胀,变硬或完全失效.

3.2膜污染的常规处理方式

目前主要是通过原料液预处理.在原料液过滤前向其中加入一种或几种物质,使原料液的性质或溶质的特性发生变化,以脱除一些与膜相互作用的物质,从而提高过滤通量.在出现污染后使用相应化学清洗剂对已经污染的膜进行清洗来部分恢复膜的渗透通量.在过滤一段时间后间隔地停止一段时间,再开机操作,可以认为是溶液在渗透压的作用下逆向扩散,使膜侧达到清洗的目的.并周期性采用气体、液体等为反冲介质,使膜管在与过滤相反的方向受到短暂的反向压力作用,从而迫使膜表面及孔内的颗粒返回截留液中,并且破坏膜面凝胶层和浓差极化层,使通量提高.

3.3改性亲水性膜

膜性能与膜材料的性质密切相关,使用疏水性材料所制备的膜,在使用时,水通量较低,在分离油/水体系(尤其是含蛋白质的溶液)时吸附污染严重,通量衰减很快,降低了膜的使用寿命,增加了操作费用,因此有必要对其进行改性,以利于更好的应用于膜分离领域.

将一种亲水性的高聚物加入到铸膜液混以形成相对亲水的表面.与其他方法相比,这种方法所成膜最初的孔径及其分布易于保持,并且亲水性的成分能均匀地分布在膜的表面和中间.以聚砜为基材,采用共混法,利用聚原酸酯-b'-聚乙二醇嵌段共聚物中聚乙二醇段表面自由能高的特性,对材料表面进行改性.用扫描电子显微镜对表面微形态进行观察,以接触角评价材料表面的亲疏水性.研究结果表明,材料表面出现微观相分离结构,且因聚乙二醇段富集于表面,材料表面的亲水性得到提高.

4.水处理技术的应用前景

不同的方法的选择并非绝对唯一的.实际上,水处理技术的联合使用经常会取得更好的效果.例如,生物处理与膜过滤联合应用可以在常温常压条件下达到更好的处理效果而且费用更低.水中的油性污物可以用泵提升然后通过膜设备进行过滤.大部分油性污染物可以通过膜分离的方法从土壤或沙土中分离出来.而那些粘性污染物或处在深层土壤中的污染物可以使用微生物处理.整个处理过程只需2-4周,而如果只用生物处理则需要六个月到一年,显然大大缩短了处理时间.

另外一个效果显著的例子就是在膜分离过程中使用化学处理.在污水添加到其它处理装置前进行膜分离的预处理可以延长设备的寿命并减少设备的维护费用.

5.结论

膜法水处理技术是最有前景的净化水技术,最为重要的是膜分离可以使污水中有价值的成分实现再利用和循环利用,如油、化学物质和一些营养物质.这不仅对环境没有任何危害,而且意味着真正意义上的节约或效益增长.