納濾膜對高鹽廢水分鹽效果

我國煤化工行業(yè)多位于水資源稀缺的西北地區(qū)，生產(chǎn)加工過程中高耗水、高污染且排放含有大量無機鹽的廢水。水資源的大量消耗和生產(chǎn)廢水帶來的環(huán)境問題制約著煤化工行業(yè)的發(fā)展，如何對含鹽廢水進行高效的水鹽分離，使生產(chǎn)廢水達標回用、結(jié)晶鹽資源化利用，從而達到零排放，對促進煤化工行業(yè)的發(fā)展有重要意義。

目前，大多數(shù)零排放項目生產(chǎn)的結(jié)晶鹽為混合雜鹽，這些雜鹽增加了項目生產(chǎn)過程中的處理成本。分質(zhì)鹽零排放工藝將含鹽廢水中的NaCl和Na2SO4單獨分離出來，通過膜濃縮和結(jié)晶工藝生產(chǎn)出結(jié)晶鹽，將其資源化利用。納濾膜對含鹽廢水中的多價鹽離子具有很高的截留率，對單價離子截留率較低。利用納濾膜的離子選擇性，對煤化工廢水中的NaCl和Na2SO4進行分離和結(jié)晶分鹽，從而實現(xiàn)分質(zhì)鹽零排放。

為提高納濾對煤化工零排放高鹽廢水的分鹽效率，產(chǎn)出高質(zhì)量分質(zhì)結(jié)晶鹽，本研究選取4種納濾膜，通過配制含鹽水模擬寧東某煤化工零排放項目含鹽廢水，進行納濾分鹽試驗。考察了不同納濾膜對模擬含鹽廢水中常規(guī)離子(Mg2+、Ca2+、Na+、K+、SO₄^2-、Cl-、NO3-)的截留率，比較了4種納濾膜的通量以及納濾膜對無機鹽離子的分離效果，以期為納濾在煤化工零排放高鹽廢水分鹽過程中的應用提供可行性建議。

1、材料與方法

1.1 試驗用水

試驗用水為模擬煤化工含鹽廢水，在蒸餾水中按比例添加無機鹽配制而成。同時，為防止硫酸鈣結(jié)垢對膜造成堵塞，向其中加入3mg/L的阻垢劑。模擬煤化工含鹽廢水水質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗用納濾膜

采用4種商用卷式納濾膜進行試驗，膜元件規(guī)格均為2540(直徑為2.5英寸，長度為40英寸)，過濾方式均為錯流外壓過濾，測試溫度均為25℃，液料pH值為7.5~8.0，膜1、膜2、膜3的液料質(zhì)量濃度為2000mg/L，膜4的液料質(zhì)量濃度為32800mg/L。納濾膜性能參數(shù)如表2所示。

1.3 試驗試劑

無水Na2SO4、NaCl、NaNO3、KCl、MgCl2、CaCl2、SiO2、HCl、NaOH等試劑，均為分析純。

1.4 試驗裝置

納濾分鹽中試裝置如圖1所示。在配水罐中配制好試驗所需料液，加入阻垢劑后進入混合水罐，經(jīng)水泵送入超濾膜組件，去除雜質(zhì)及微生物后進入納濾膜組件，料液過納濾膜后，納濾濃水回罐，滲透液至納濾產(chǎn)水罐。

1.5 試驗方法

室溫條件下，配置1000LTDS質(zhì)量濃度約為30000mg/L的模擬含鹽水加入配水罐中，用水泵將模擬含鹽水充入混合水罐，調(diào)節(jié)廢水pH值為7.5~8.5，調(diào)節(jié)背壓閥，控制納濾壓力為1.4MPa；按60%回收率設置納濾流量，其中進水、產(chǎn)水和濃水流量分別為84、49和32L/h，調(diào)節(jié)完成后運行裝置。裝置穩(wěn)定運行4h后，分別在產(chǎn)水側(cè)和濃水側(cè)取樣，測定其中SO₄^2-、Cl-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NO3-含量以及納濾膜的通量。

測試完一組膜后，用自來水沖洗系統(tǒng)管路后取下膜殼，更換下一組納濾膜，在膜殼內(nèi)安裝新的卷式納濾膜，繼續(xù)沖洗系統(tǒng)管路一定時間，重復上述步驟進行試驗。

1.6 分析方法

納濾膜通量的測定方法為待裝置穩(wěn)定運行4h后，讀取納濾產(chǎn)水側(cè)流量計讀數(shù)，再通過查取表2中有效膜面積，經(jīng)下式計算得出。

式中：J為膜通量，L/(m2?h)；V為流量計讀數(shù)，L/h；A為膜面積，m2。

納濾膜對溶質(zhì)的截留率能直接表征膜對該種溶質(zhì)的截留能力。裝置穩(wěn)定運行4h后，在納濾產(chǎn)水側(cè)取產(chǎn)水100mL，同時取原水100mL，使用離子色譜和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析水樣中離子的濃度，經(jīng)下式計算出每種納濾膜的截留率。

式中：R為截留率，%；C0為廢水中特定溶質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/L；C1為透過液中特定溶質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/L。

2、結(jié)果與討論

2.1 膜通量比較情況

裝置穩(wěn)定運行4h后，膜1、膜2、膜3、膜4的膜通量分別為22.20、18.92、20.75、17.08L/(m2?h)，由大到小依次為：膜1>膜3>膜2>膜4。膜4的通量最小，這可能與膜材質(zhì)有關，其中添加了特有的納米涂層用于增強抗菌能力。4種膜的通量與其理論通量(37.88、40.07、31.74和30.45L/(m2?h))相比均較低，這是因為試驗過程為模擬實際運行過程，單支膜運行回收率設置值較高。

2.2 4種膜對陽離子的截留效果

4種納濾膜對Ca2+、Mg2+和K+、Na+的截留率如圖2所示。

從圖2可以看出，4種膜對二價陽離子和一價陽離子的截留規(guī)律相似，膜1、膜2和膜3對Ca2+的截留率相較膜4略高。4種納濾膜對二價陽離子的截留率均在87%以上，膜1對Ca2+與Mg2+截留率最好，均為99%，膜2和膜3對Ca2+的截留率在99%左右，對Mg2+的截留率為92%。4種膜對于Na+、K+的截留率為35%~45%。陽離子不同，其水合半徑也不同，水合半徑越大的離子在水中的遷移能力越小，也就越容易被納濾膜截留下來。陽離子被4種膜截留的順序從高到低依次為Ca2+>Mg2+>K+>Na+，這可能與陽離子的水合半徑大小有關。

2.3 4種膜對陰離子的分離效果

4種納濾膜對SO₄^2-、Cl-和NO3-的截留率如圖3所示。從圖3可以看出，4種膜對SO₄^2-截留率大小依次為膜1、膜4、膜2、膜3，其中膜2與膜3的截留率相近，4種膜對SO₄^2-截留率均大于95%，其中膜1的截留率高達99%。4種膜對Cl-截留率均為負值，截留率大小依次為膜2、膜1、膜3、膜4，在含鹽廢水的分鹽過程中，Cl-截留率越低，通過納濾膜的Cl-就越多，則后續(xù)通過蒸發(fā)結(jié)晶工藝產(chǎn)出的NaCl結(jié)晶鹽就越多，因此，Cl-截留率越低越有利于納濾分鹽。4種膜對NO3-截留率依次為膜1、膜2、膜4、膜3，其中膜2與膜4的截留率相近，4種膜對NO3-的截留率均小于-10%，這是因為Cl-和NO3-均比SO₄^2-的離子半徑小，能夠透過納濾膜進入產(chǎn)水側(cè)。

2.4 4種納濾膜分鹽效果分析

在H2O-NaCl-Na2SO4體系的共飽和曲線中，不同溫度對應不同的共飽和濃度，液相中100℃共飽和時的ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值為5.2，50℃共飽和時的ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值為4.1，當ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值在此區(qū)域內(nèi)時，Na2SO4和NaCl組分處于共飽和狀態(tài)，通過蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)生的鹽為混鹽，無法達到分質(zhì)鹽要求。因此，在含鹽廢水分鹽過程中，應要求濃水ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值遠小于5.2或產(chǎn)水ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值遠大于4.1，使ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值偏離共飽和曲線，才能產(chǎn)出高質(zhì)量的Na2SO4和NaCl結(jié)晶鹽。

4種納濾膜產(chǎn)水和濃水的ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值如表3所示。由表3可以看出，4種膜濃水和產(chǎn)水的ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值均遠小于5.2或大于4.1，分鹽效果較好。產(chǎn)水ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值從高到低順序依次為膜1、膜4、膜3、膜2，其中膜1的高達135.40，大約是膜2的9倍。從表3還可知，4種膜濃水的ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值基本相同。因此，經(jīng)過4種納濾膜分鹽后的產(chǎn)水和濃水通過蒸發(fā)結(jié)晶可以大大提升分鹽效果，進而提升結(jié)晶鹽的產(chǎn)量和純度。

3、結(jié)論

(1)在同等試驗條件下，4種納濾膜對二價陽離子的截留率均高于一價陽離子，截留率從高到低依次為Ca2+>Mg2+>K+>Na+。與其他3種納濾膜相比，膜1對4種陽離子都具有更好的截留效果。

(2)在同等試驗條件下，4種納濾膜對SO₄^2-截留率均大于95%，對Cl-和NO3-截留率為負值，其中膜1對SO₄^2-截留率最高，膜3對2種一價陰離子的截留率最低。

(3)在同等試驗條件下，4種膜納濾分鹽之后產(chǎn)水的ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值遠大于4.1，濃水的ρ(Cl-)/ρ(SO₄^2-)值遠小于5.2，其中膜1產(chǎn)水的高達135.40，其分鹽效果最好。

(4)在同等試驗條件下，4種納濾膜中膜1的通量、無機鹽離子截留率和分鹽效果均優(yōu)于其他3種納濾膜。(來源：寧夏煤業(yè)有限責任公司煤炭化學工業(yè)技術研究院)