陶瓷膜用于有機(jī)硅廢水除油純化研究

白祖國　彭文博　劉愛國

摘要：采用陶瓷膜對有機(jī)硅廢水進(jìn)行除油純化研究，分析膜通量隨運(yùn)行時間的衰減變化趨勢，考察跨膜壓差、膜面流速、濃縮倍數(shù)對膜通量的影響，確定恢復(fù)膜通量的方法，并比較兩種陶瓷膜管的不同分離效果。結(jié)果表明，50 nm陶瓷膜能有效截留有機(jī)硅廢水中的油類，過濾有機(jī)硅廢水時平均通量達(dá)到340 L/（m2·h），油去除率99%以上，滿足后續(xù)生化處理需求。

關(guān)鍵詞：陶瓷膜；有機(jī)硅廢水；除油純化

中圖分類號：O69 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）18-3455-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.18.016

Abstract： The study on oil removal and purification treatment of organic silicon wastewater by ceramic membrane technology were carried out. The membrane flux with attenuation changetrend of the running time was analysised. The effects of transmembrane pressure， crossflow velocity and cycles of concentration on permeate flux were systematically investigated. The membrane flux recovery method was decided. The separation effect of different membrane tubes were compared. Experimental results showed that 50 nm ceramic membrane could effectively get rid of oil in the organic silicon wastewater. The average flux was 340 L/（m2·h）. After ceramic membrane technology， oil removal rate was over 99%. It could meet the requirement of follow-up biochemical treatment.

Key words： ceramic membrane； organic silicon wastewater； oil removal purification

陶瓷膜具有良好的耐酸堿、腐蝕性及機(jī)械穩(wěn)定性等特點(diǎn)，其良好的親水疏油性導(dǎo)致該技術(shù)日益成為含油廢水處理中有效的分離技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于石油化工等各種領(lǐng)域[1-3]。

有機(jī)硅廢水具有COD波動大、水質(zhì)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，同時其含油的特性需要進(jìn)行投加大量破乳劑并沉降分離。因出液含油量大且不穩(wěn)定導(dǎo)致廢水處理生化系統(tǒng)難以運(yùn)行，故而廢水中油類的去除成為有機(jī)硅廢水處理工藝中極為關(guān)鍵的一環(huán)，影響著后續(xù)生化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)際的有機(jī)硅廢水過濾體系較為復(fù)雜，相關(guān)報(bào)道較少。

以浙江某公司的有機(jī)硅廢水為過濾對象，采用江蘇久吾高科技股份有限公司生產(chǎn)的陶瓷膜及設(shè)備進(jìn)行純化除雜，收到了很好的效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

浙江某公司有機(jī)硅廢水具體指標(biāo)為pH 10～11，COD為2 100～7 300 mg/L，油含量為120～11 500 mg/L，溫度為20～30 ℃，氯離子為10 700～15 600 mg/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

0.2 m2陶瓷膜設(shè)備及工藝流程見圖1。主要采用內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過破乳并沉降槽沉降后的有機(jī)硅混合廢水經(jīng)供料泵進(jìn)入內(nèi)循環(huán)回路中，再通過循環(huán)泵，以高速流動的方式在陶瓷膜組件內(nèi)部不斷的循環(huán)、濃縮，清液從滲透側(cè)出來，一小部分濃縮液回到緩沖罐，與來料混合后繼續(xù)參與循環(huán)，當(dāng)循環(huán)回路中的濃縮液達(dá)到一定濃度時，即陶瓷膜的清液通量低于設(shè)計(jì)值時，停止分離操作，關(guān)閉清液出料閥，進(jìn)入清洗程序。

試驗(yàn)用陶瓷膜和設(shè)備均為江蘇久吾高科技股份有限公司自產(chǎn)。陶瓷膜的平均孔徑為50 nm，膜管有效長度為1 016 mm，支撐體和過渡層材質(zhì)為氧化鋁，分離層材質(zhì)為氧化鋯。

1.3 檢測方法

采用HACH測定儀測定廢水COD的含量，采用氯離子測定儀測定廢水氯離子含量，采用紫外分光光度法測定廢水油含量。

2 結(jié)果與分析

滲透通量是評價膜分離效率的關(guān)鍵指標(biāo)，而操作條件變化對滲透通量影響很大；試驗(yàn)考察了跨膜壓差、膜面流速、濃縮倍數(shù)對滲透通量的影響。

2.1 跨膜壓差的影響

膜面流速為3 m/s，不同跨膜壓差下進(jìn)行的50 nm陶瓷膜過濾試驗(yàn)，膜通量隨著過濾時間的延長的變化情況見圖2。由圖2可知，通過對4條曲線對比分析，隨著跨膜壓差的增加，膜通量增大，但并非線性關(guān)系，且膜通量都隨著過濾時間的延長而逐漸遞減并趨于穩(wěn)定。在低跨膜壓差（0.05 MPa）下，膜通量十分穩(wěn)定；而在跨膜壓差0.15、0.2 MPa時連續(xù)進(jìn)料初期，膜通量迅速衰減，體現(xiàn)了濃差極化作用和膜芯表面凝膠層等污染過程，在100～120 min逐漸趨于穩(wěn)定。因?yàn)樵诟呖缒翰钕拢S著過濾時間的增加，膜表面不斷地沉積截留物，膜表面沉淀的溶質(zhì)濃度越來越高，濃差極化加重，膜通量不斷下降。此時濃差極化是影響膜通量的主要因素，操作壓力增加，膜通量增加，但同時也加重了濃差極化。增大壓力，凝膠層阻力增大，操作壓力的增大為阻力的增大所抵消，此時膜透過量增加甚微，保持一個穩(wěn)定的狀態(tài)。因此膜的操作壓力是有一定范圍的。endprint

對滲透液取樣分析檢測結(jié)果見表1。由表1可知，本試驗(yàn)選擇合適的操作壓力應(yīng)控制在0.10 MPa左右為宜。

2.2 膜面流速的影響

在跨膜壓差0.1 MPa，不同膜面流速下進(jìn)行的50 nm陶瓷膜過濾試驗(yàn)，膜通量隨著過濾時間的延長的變化情況見圖3。由圖3可知，不同膜面流速下，膜通量都隨著過濾時間的延長而逐漸遞減并趨于穩(wěn)定。在考察的范圍下，隨著膜面流速的增加，膜穩(wěn)定通量有些許上升。在相對低的膜面流速（2 m/s）下，膜通量衰減迅速；而在3～4 m/s膜面流速下，膜通量衰減后迅速趨于穩(wěn)定。其原因?yàn)槟っ媪魉僭黾樱黧w對膜面剪切力增加，雜質(zhì)不易停留于膜表面而被錯流料液帶走，膜污染減輕，故而最終較快達(dá)到穩(wěn)定[4]。如果此時進(jìn)一步提高膜面流速，將會顯著地增大能耗。鑒于此，較適宜的膜面流速為3 m/s。

2.3 濃縮倍數(shù)的影響

在膜面流速3 m/s，跨膜壓差0.1 MPa條件下進(jìn)行50 nm陶瓷膜過濾試驗(yàn)，膜通量隨著過濾時間的延長的變化情況見圖4。由圖4可知，隨著濃縮倍數(shù)的增加，滲透通量的變化呈現(xiàn)先緩慢下降后急速衰減的趨勢。在相同的溫度下濃縮倍數(shù)越高，通量越小，則通量降得越快。其原因?yàn)闈饪s倍數(shù)增加導(dǎo)致膜面污染物濃度增加，進(jìn)而導(dǎo)致膜面阻力增大，膜通量下降。總體上，膜通量的變化趨勢基本相同，表明膜運(yùn)行比較穩(wěn)定。

對批次一滲透液取樣分析檢測，結(jié)果見表2。結(jié)合表2的分析結(jié)果及設(shè)備投資問題，本試驗(yàn)選擇合適的濃縮倍數(shù)應(yīng)控制在50倍左右為宜。

2.4 陶瓷膜管清洗

由表3可知，堿洗+酸洗可大幅度恢復(fù)陶瓷膜通量。堿洗時，高溫堿與有機(jī)硅廢水中的有機(jī)物、硅粉等進(jìn)行快速有效的反應(yīng)，并控制設(shè)備進(jìn)行高流速運(yùn)行，使?jié)獠顦O化[5-7]形成的動態(tài)膜上的凝膠等得以脫落，使陶瓷膜得以再生。而酸洗時，酸與有機(jī)硅廢水中鹽垢等進(jìn)行快速反應(yīng)，使陶瓷膜得以再生。清洗過程中，操作方式的影響并不明顯。

2.5 50 nm和20 nm陶瓷膜純化除雜效果

由表4可以看出，陶瓷膜過濾有機(jī)硅廢水后，清液油去除率可達(dá)99%以上，可保證后續(xù)生化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且濃縮倍數(shù)較高，可達(dá)50倍的水平。

3 小結(jié)

以平均孔徑為50 nm的陶瓷膜脫除有機(jī)硅廢水中的油類，可得到較高的膜通量和清液品質(zhì)。本研究得出如下結(jié)論。

1）用陶瓷膜進(jìn)行有機(jī)硅廢水除油純化是可行的。采用50 nm的陶瓷膜進(jìn)行過濾時，膜通量都隨著過濾時間的延長而逐漸遞減并趨于穩(wěn)定。較適宜的跨膜壓差為0.1 MPa，較適宜膜面流速為3 m/s，較適宜濃縮倍數(shù)為50倍，清液的油去除率達(dá)到99%以上，平均膜通量在340 L/（m2·h）左右。

2）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著跨膜壓差、膜面流速、濃縮倍數(shù)變化，油去除效果比較穩(wěn)定，清液品質(zhì)的穩(wěn)定保證了后續(xù)生化處理的穩(wěn)定性。

3）由于陶瓷膜在化工行業(yè)具有有機(jī)膜無可比擬的優(yōu)勢，必將成為化工行業(yè)不可替代的分離純化技術(shù)和手段。

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