膜法水處理技術(shù)研究進展與發(fā)展趨勢
行業(yè)動態(tài)
傳統(tǒng)水處理技術(shù)不同程度存在分離效率低、能耗大、對水溫要求嚴格等缺點，膜分離技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展很好地解決了這些問題。在膜分離過程中，物質(zhì)不發(fā)生相的變化，分離系數(shù)較大，操作溫度在室溫左右，這些優(yōu)點使其成為解決當代人類面臨的能源、資源、環(huán)境等重大問題的重要新技術(shù)，現(xiàn)在已有許多膜分離技術(shù)獲得大規(guī)模應用，如微濾、反滲透、超濾、納濾、電滲析、滲透蒸發(fā)、液膜等。因此，膜分離技術(shù)被公認為20世紀末至21世紀中期較有發(fā)展前景的技術(shù)之一。
1 膜分離技術(shù)的定義及其特點
1.1 膜分離技術(shù)的定義
膜分離技術(shù)，顧名思義，是利用一張?zhí)厥庵圃斓模羞x擇透過性能的薄膜，在外力推動下對混合物進行分離、提純、濃縮的一種新型分離技術(shù)。
1.2 膜分離技術(shù)的特點
（1）膜分離技術(shù)能耗低。因為膜分離過程不發(fā)生相變化，其中以反滲透耗能較低，這對于克服 的能源危機有相當?shù)囊饬x。
（2）膜分離過程是在常溫下進行的，因而特別適于對熱敏感的物質(zhì)，如對廢水中有價值的重金屬、化學藥品、生產(chǎn)原料等的分離、分級、濃縮與富集過程。而用膜法處理飲用水，其出水水質(zhì)只取決于膜自身的性質(zhì)，如膜孔徑、膜的選擇性等，與原水水質(zhì)無關(guān)。
（3）膜分離技術(shù)適用的范圍廣，反應過程不會改變物質(zhì)的屬性，不需要添加劑參加反應，不會帶來新的污染物和浪費其它物質(zhì)，可用于多種類型的廢水處理過程。
（4）膜分離法分離裝置簡單，操作容易且易控制，便于維修且分離效率高。與常規(guī)水處理方法相比，具有占地面積小，處理效率高等特點。
（5）膜分離技術(shù)設(shè)備可實現(xiàn)定型化，自控性強，便于管理和運行，也有利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
2 幾種常見膜分離技術(shù)應用現(xiàn)狀
2.1 微濾
微濾在20世紀30年代有硝酸纖維素微濾膜商品化，60年代主要開發(fā)新品種。近年來以四氟乙烯和聚偏氟乙烯制成的微濾膜已商品化，具有耐高溫、耐溶劑、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，使用溫度在100～260℃。
工業(yè)廢水的處理中，微濾用于電子、半導體工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中高純水的制備，油田采出水處理、城市污水的深度處理。微濾、超濾和納濾技術(shù)用于地面水和地下水的飲用水處理在國外近10年才逐漸得到較明顯的發(fā)展，開始用于小型水廠和水處理凈化站，如法國、荷蘭、美國、澳大利亞、以色列等 。我國廣東東莞太平港自來水公司等8家水廠也采用了全自動微濾設(shè)備，產(chǎn)水量為24210m3/d，水廠規(guī)模從10～10000m3/d不等。此外，微濾在飲用水的處理，如大同市成功地用有機微濾膜設(shè)備處理水庫水中大顆粒物及部分細菌微生物。
2.2 反滲透
反滲透技術(shù)在20世紀50年代才開始研究，到60年代末制成具有工業(yè)價值的反滲透膜，1971年開始有工業(yè)性反滲透裝置在電廠投入運行，現(xiàn)在反滲透法進行水處理工藝遍及美國、日本、法國、意大利等 ，我國于70年代末開始引進反滲透裝置于發(fā)電廠的水處理。90年代反滲透膜的開發(fā)研制成為熱點，現(xiàn)在反滲透技術(shù)已有大范圍的應用。
反滲透技術(shù)應用十分廣泛，主要應用于海水淡化、純水和超純水制備、城市給水處理、城市污水處理及應用、工業(yè)電鍍廢水及紙漿和造紙工業(yè)廢水處理、化工廢水處理、冶金焦化廢水處理、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等廢水處理。我國有大港電廠、寶鋼自備電廠、滄州電廠等9個發(fā)電廠應用反滲透技術(shù)來進行預脫鹽處理。目前，海水淡化的主要方法有蒸餾法、電滲析法、冷凍結(jié)晶法及反滲透法。其中反滲透法的耗能較低，只有6～7kW·h/m3，為蒸發(fā)法的1/4。 上較大的反滲透海水淡化廠設(shè)在沙特阿拉伯，其生產(chǎn)規(guī)模為56800m3/d。
2.3 超濾
超濾是一種壓力驅(qū)動的膜分離過程，是根據(jù)分子的大小和形態(tài)而分離的篩選機理進行分離的。超濾從70年代進入工業(yè)化應用后發(fā)展迅速，已成為應用領(lǐng)域較廣的技術(shù)。它已廣泛用于食品、醫(yī)藥、工業(yè)廢水處理、高純水制備及生物技術(shù)工業(yè)。城市污水處理及其它工業(yè)廢水處理領(lǐng)域，都是超濾未來的發(fā)展方向。
在處理工業(yè)廢水方面的應用：1986年，中國科學院生態(tài)環(huán)境中心用超濾法處理含油污水，在0.1MPa的壓力，水通量保持在60～120L/m3·h的情況下，可把含原油200～1000mg/L的水處理達到環(huán)境排放標準。1994年，在北京印鈔廠安裝了超濾設(shè)備用于處理印鈔擦版廢水，處理能力為2t/h，迄今運轉(zhuǎn)良好。電泳涂漆是對汽車、冰箱、摩托車等的殼體鍍上底漆的工藝，完成后需用水漂洗去掉浮漆，為防止洗出漆的損失及工藝要求，必須將漆水分離以回收漆，超濾是一種十分理想的回收漆的方法，經(jīng)超濾分離后，漆返回漆槽回收，清水則返回清洗水箱繼續(xù)使用，這樣既提高了漆的利用率又減少污水處理費用。60年代超濾被引入汽車涂裝工藝，歐美 幾乎所有的涂漆生產(chǎn)線均裝配了超濾裝置。目前，電泳涂漆市場已成為超濾技術(shù)較大的應用領(lǐng)域。
2.4 納濾
納濾是20世紀70年代中后期開發(fā)的一種新型膜分離過程。由于在滲透過程中截留率＞95%的較小分子約為1nm，故被命名為納濾膜，納濾膜的操作壓力應≤1.50MPa，截留分子量200～1000。納濾在水的軟化、不同價陰離子的分離和高、低分子量有機物分級以及中、低分子量有機物除鹽等方面得到了廣泛應用。目前，納濾技術(shù)已廣泛用于制造生化產(chǎn)品、處理污水、制備飲用水和回收物料等多個領(lǐng)域。
與傳統(tǒng)的處理方式相比較，城市污水經(jīng)過納濾或反滲透處理回用到城市綠地噴灑，可以降低由于水中的無機鹽特別是重金屬鹽類含量過高造成的土壤鹽堿化，有效地避免水中可能存在的致病微生物對人的身體健康造成的潛在危害。工業(yè)用水量比較大的主要是循環(huán)冷卻水和鍋爐補給水，城市污水經(jīng)過污水廠二級處理后回用到工業(yè)循環(huán)補給系統(tǒng)還須進一步降低水中的有機物、氮和磷、懸浮物、硬度及氯離子含量，否則就會加劇循環(huán)系統(tǒng)管道和換熱器的腐蝕，增加循環(huán)系統(tǒng)的外排污水量。二級出水回用作工業(yè)冷卻水通過納濾或者反滲透處理可以實現(xiàn)。
2.5 電滲析
電滲析的核心是離子交換膜，在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，實現(xiàn)溶液的淡化、濃縮及純化。目前電滲析已經(jīng)成為膜分離技術(shù)的重要組成部分，主要用于淡化苦咸水、制備工業(yè)用水和飲用水。
自 臺電滲析裝置問世后，其在苦咸水淡化，飲用水及工業(yè)用水方面的巨大優(yōu)勢大大加速了電滲析的進一步研發(fā)。美國內(nèi)務部鹽水局（OSW）在上個世紀的70年代建立了大型電滲析海水淡化試驗廠，海水含鹽量約35g/L，可用電滲析淡化到300～500mg/L。在中東和非洲缺淡水的地區(qū)，利用電滲析方法淡化苦咸水的工廠總產(chǎn)水量已經(jīng)超過了30×104t/d，出水的含鹽量也只有3～6g/L。
2.6 液膜
液膜技術(shù)是20世紀60年代中期由美國埃克森研究工程公司的黎念之博士提出的一種新型膜分離技術(shù)，直到80年代中期奧地利的J.Draxler等科學家采用液膜法，從粘膠廢液中回收鋅獲得成功，液膜分離技術(shù)才進入了實用階段。液膜法可處理有機廢水、含氨或含氰廢水、含陰離子廢水等。
在石油化工中，液膜可以用于分離那些物理、化學性質(zhì)相似而不能用常規(guī)的蒸餾、萃取方法分離的烴類混合物。液膜在醫(yī)學上可以用來捕獲許多有毒物質(zhì)，然后安全地排出體外。我國液膜技術(shù)近年來也發(fā)展很快，朱亦仁提出了一種從發(fā)酵液中提取檸檬酸的新方法——乳狀液膜分離法，討論了該方法的基本原理及傳遞過程和機理?？疾炝吮砻婊钚詣⑤d體和內(nèi)相試劑濃度對提取率的影響，確定了合適的膜配方。
3 膜技術(shù)的應用前景展望
膜分離技術(shù)在水處理中的主要方向為飲用水的制取、工業(yè)用水中物質(zhì)的回收與水資源再利用、工業(yè)廢水的治理等。同時，對膜及相關(guān)過程的規(guī)?；⒛の廴镜谋O(jiān)測與控制、操作條件的優(yōu)化也是研究的主要方向。膜技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應用將成為國內(nèi)外重點發(fā)展的前沿課題。因此對膜材料提出了更高的要求，尤其是要制造出適應于環(huán)保行業(yè)高強度、長壽命、抗污染、高通量的膜材料。
任何水處理技術(shù)都有它的適用范圍，往往使用某一種膜技術(shù)并不一定能夠解決各種水處理問題，因此在實際應用中通常將不同的膜技術(shù)進行組合使用，這樣往往可以發(fā)揮各自的特點，取得更大的技術(shù)和經(jīng)濟效果。同時膜技術(shù)與常規(guī)的水處理技術(shù)聯(lián)合使用也是不可忽視的，如高純水制備中將膜技術(shù)與離子交換及常規(guī)過濾技術(shù)相結(jié)合，則可發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，使處理效果大大提高，而處理成本則大大下降。
膜分離技術(shù)發(fā)展迅速，同其他工程科學的結(jié)合也越來越緊密，諸如同傳感器相結(jié)合構(gòu)成膜傳感器等。膜分離技術(shù)得到越來越廣泛地應用，不但用于常規(guī)的水處理，還用于殺菌等多個領(lǐng)域。膜分離技術(shù)的研究也可謂與日俱進，可以預料在新世紀，隨著法規(guī)標準的日益提高和膜技術(shù)的不斷成熟、成本不斷降低，水價的日趨上漲等，膜法水處理技術(shù)將會出現(xiàn)一個技術(shù)上進一步提高，應用上更加普及的高潮。
