動態(tài)陶瓷膜處理PVA退漿廢水的工藝
摘要：用陶瓷膜處理含PVA退漿廢水，研究操作壓差、錯流速度、溫度等操作條件對膜通量的影響，確定合適的工藝．在此操作條件下，處理廢水完全達到排放標準，且PVA得到濃縮．
關鍵詞：動態(tài)陶瓷膜；微濾；PVA；廢水處理
目前，可持續(xù)發(fā)展是人類共同面對的一個重大課題，每個國家每個行業(yè)都在探尋著適合自身情況的可持續(xù)發(fā)展的措施和方法．在紡織行業(yè)中，廢水處理對于很多中小型印染廠來說都是一個十分棘手的問題．國外有些先進的污水處理設備，效果很好，可是需要投資大，能耗多，這對于中小型印染廠來說只是有心無力，畢竟在他們看來工廠的經濟效益還是為先的．所以如何對這些廢水進行有效的回收和利用，找到成本低廉、技術可行、易于推廣的資源回收技術，關系到國民經濟與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，成為紡織行業(yè)乃至各個行業(yè)共同關注的焦點．
我國在棉織物上漿(棉織物在織造前要上漿，染色前需退漿)時所用的漿料很大部分是聚乙烯醇，即PVA．在退漿這一環(huán)節(jié)中，含PVA的退漿廢水的排放對環(huán)境構成很大的危害，通常一個印染廠的退漿廢水水量只占總廢水量的3 ，但是COD(化學耗氧量)卻達N4 000 rrcJL甚至10 000 m L，正是由于退漿廢水的存在使廢水的總COD超標，達不到排放標準，且高濃度的含PVA退漿廢水很難用生化法降解．本文研究動態(tài)陶瓷微濾膜處理含PVA退漿廢水的膜分離特征，考察操作壓差、錯流溫度、速度等操作條件對膜通量的影響，在保證截留率，達到國家排放標準的前提下，盡量提高膜通量，為進一步的工業(yè)放大設計提供基礎數(shù)據．
1 實驗
1．1 實驗裝置及流程
本實驗采用動態(tài)陶瓷膜實驗裝置，流程如圖1所示．陶瓷管：購自浙江長興，其平均外徑為1．3 cm，平均內徑為0．7 cm，表面平均孔徑為2μm．粉體材料：所用Zr02粉末購自華東理工大學，平均粒徑在1 μm以下．
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1．2 動態(tài)陶瓷膜的建立
未經涂膜的陶瓷管由于其孔徑比較大，對PVA分子的攔截效果較差．參考相關資料設定上膜時Zr02濃度，在加壓的條件下回流[1]，使得Zr02粉末能夠附著于陶瓷管的細孔中，從而實現(xiàn)有效的涂膜．在此條件下制得Zr02動態(tài)陶瓷膜，孔徑分布在0．5～ 1．0 μm．
1．3 料液
本實驗所用料液為上海第二印染廠退漿工藝所產生廢水．由表1可見PVA分子平均粒徑在500 nm左右．
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2 結果與討論
2．1 操作壓差對膜通量的影響
對于壓力推動的膜過濾過程，操作壓差將直接影響膜通量，無機膜過濾過程中存在一臨界壓力，在臨界壓力之下，操作壓差與膜通量呈正比關系；在臨界壓力之上，由于濃差極化等因素的影響，過濾壓差與通量不再存在線性關系，而且操作壓差對通量的影響不大，前者為壓力控制區(qū)，后者為質量傳遞控制區(qū)．[2]
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圖2(操作條件：40℃ ，0．25 m／s)為不同壓差下膜通量隨時間的衰減曲線．由圖中可以看出，隨著壓差的增大，膜通量也增大，但其衰減也較快，這是由于壓差增大，一方面使傳質推動力增大，另一方面使PVA顆粒在膜孔或膜表面沉積，使傳質阻力增大．當壓差繼續(xù)增大到一定程度，會在此壓差下形成凝結層，出現(xiàn)物質傳遞控制，這時通量與壓力無關．一般選擇這樣一個臨界的壓力作為最佳處理條件，但由于PVA顆粒本 粒徑較小，在較高壓差下截留率明顯變低，當壓力達到40 kPa時，已不能達到排放標準，要通過提高陶瓷管質量來改進．
2．2 錯流速度對膜通量的影響
膜面錯流速度的大小主要取決于原料的性質(黏度、顆粒含量等)和膜材料機械強度．[3]一般認為，較高的剪切速度有利于帶走沉積于膜表面的顆粒、溶質等，減輕膜污染，因而可以有效地提高膜通量[4]，而且提高錯流速度還有利于減輕濃差極化的影響，但也有研究結果表明，錯流速度過高也會帶來一些弊端．
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由圖3(操作條件：40℃ ，20 kPa)可以看到，流速較低時，膜通量衰減較快，而流速增大時，通量下降幅度較緩慢．這是由于流速增大，膜表面剪切力增加，使膜表面沉積的顆粒被帶走，減小了凝膠層厚度，并減小了濃差極化的影響，而流速較低時則相反．當流速增加到一定程度時，膜通量衰減不是很明顯，考慮循環(huán)量以及能耗，選取0．25 m／s的流速比較合適．
2．3 操作溫度對膜通量的影響
一般情況下，溫度的升高會使溶液黏度下降，懸浮顆粒的溶液度增加，傳質擴散系數(shù)增大，可以促使膜表面溶質向主體運動，減薄了濃差極化層，從而提高過濾速度，增加膜通量．不過，提高溫度也會使能耗上升，增加操作成本；而對于性質隨溫度變化明顯的體系，溫度的影響就顯得相當復雜．
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由圖4(操作條件：0．25 m／s，20 kPa)可以看到隨著溫度的升高，膜穩(wěn)定通量不斷提高，提高幅度有逐漸變小的趨勢．由于PVA分子粒徑非常小，之所以可以用孔徑不是很小的微濾膜攔截，很大原因可能是由于PVA分子溶于水后在水中有膠聯(lián)、團聚現(xiàn)象，從而使其作為一個整體可以被攔截下來．溫度升高，溶液內分子的活動加劇，有阻礙形成大顆粒的趨勢，對PVA的攔截影響較大，實驗證明當溫度高于40℃時，濾出液CODe 超過國家相關廢水排放標準．
3 動態(tài)陶瓷膜處理廢水效果
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表2顯示，廢水經過處理(操作條件：20 kPa，0．25 m／s，40℃)后，濾出液的CODer值小于180 mg／L，達到國家有關紡織染整工業(yè)污染物的二級排放標準，能耗達到每處理1 t退漿廢水低于3 kw時，殘留液被濃縮，其PVA濃度最高可達原廢水的7倍，可用作涂料、黏合劑等．
4 結論
(1)采用1舯以下Z 動態(tài)陶瓷膜處理含PVA退漿廢水．增大操作壓差可以提高通量，但由于PVA粒子較小，壓力過大時容易擠壓而進入膜管內，影響截流率和膜的性能．錯流速度對膜通量的影響比較復雜，在流速不是很大時，膜通量隨速度的增大而增大，但當流速增大到一定值后，由于剪切力過大、料液在膜管中停留時間過短及膜管內壓降大等因素，膜通量隨流速變化很小．溫度對膜通量影響顯著，溫度升高可明顯提高膜通量，但溫度的提高對PVA溶液的性質影響也很大，要綜合考慮．在本試驗中，處理含PVA退漿廢水的最佳工藝條件：壓力20 kPa，錯流速度0．25 m／s，溫度40℃．
(2)在此條件下處理原廢水，濾出液的CODc值小于180 mg／L，達到國家有關紡織染整工業(yè)污染物的二級排放標準，且PVA可濃縮回收利用，膜的穩(wěn)定通量按近40 L·(m2·h)-1要想進一步提高膜通量，需要對陶瓷微濾膜加以改進．
參考文獻
[1] 徐寅匯，武小鷹，呂少虹，等．動態(tài)陶瓷膜的制備及應用研究[J]．水處理技術，2003，29(3)：134—136．
[2] LEES，AURELLE Y，ROQUES H MD．brane Tech in Wastewater Treatment[J]．JIV~nbrSci，1984，19：23．
[3] CHERYAN~L Ultrafiltration Handbook[M]．Lancaster：Technomic Publish Co，1986．
[4] 徐南平，邢衛(wèi)紅，趙宜江，等．無機膜分離技術與應用[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2003：89—103
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