納濾膜技術(shù)在工業(yè)循環(huán)水處理中的應(yīng)用

納濾膜技術(shù)在工業(yè)循環(huán)水處理中的應(yīng)用

鋼鐵行業(yè)的工作量非常大。據(jù)主管部門(mén)統(tǒng)計(jì)，2003年我國(guó)鋼鐵工業(yè)噸鋼新增量為13.37m，外排廢水為7.94m。與此相比，國(guó)外先進(jìn)日處理水量?jī)H為2.4hm，廢水排放量為2.0hm。1.3m，廢水污染73m。在當(dāng)前污染、水資源不足、城市人口m水緊張的情況下，嚴(yán)重制約了中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。中國(guó)有3000多家鋼鐵公司，大型鋼鐵公司的水占用率為城市水的1.3%，對(duì)城市水產(chǎn)生了巨大壓力。目前，傳統(tǒng)的處理方法和鋼鐵工具的使用仍在進(jìn)行中，通常只在達(dá)到排放目標(biāo)后使用。水資源浪費(fèi)是企業(yè)成本高企的主要原因。鑒于嚴(yán)重現(xiàn)象，為了緩解水壓，必須找到新的方法和技術(shù)。近年來(lái)，膜分離技術(shù)是一種具有突出特點(diǎn)的分離技術(shù)，具有無(wú)偽裝、低能耗、設(shè)備簡(jiǎn)單、占地面積小、操作方便、連續(xù)生產(chǎn)、自動(dòng)化控制、不改變性等特點(diǎn)的分離技術(shù)，廣泛應(yīng)用于海洋苦咸水的淡化、水的深度處理、水的軟化和提取。常用的膜分離技術(shù)包括：（ro）、naf（uf）、微過(guò)濾（mf）和電滲分析（ed）。由于不同的膜處理方法，綜合不同的膜處理，并發(fā)展了一體化膜處理技術(shù)。1離子交換工藝某鋼廠(chǎng)現(xiàn)行的水源軟化、純化處理工藝主要采用離子交換法,工藝示意圖如圖1所示.該廠(chǎng)現(xiàn)取的軟化、純化水源是所在地區(qū)地下深水.源水首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾器預(yù)處理,然后補(bǔ)充至循環(huán)系統(tǒng),再通過(guò)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行處理,所得純水供給包括汽包、氧槍、結(jié)晶器、鍋爐等設(shè)備的用水.在該工藝的運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)氧槍、結(jié)晶器等設(shè)備腐蝕嚴(yán)重.這些設(shè)備是在高溫狀態(tài)下用水,如果水中含有硬根離子或其他雜質(zhì),不僅會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量性能,更會(huì)形成水垢而直接影響設(shè)備壽命.在循環(huán)系統(tǒng)中,為了不腐蝕管道和設(shè)備,一定條件下要添加緩蝕除垢劑(通過(guò)測(cè)定磷酸根離子決定).離子交換法處理后的水質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1中數(shù)值計(jì)算,離子交換法對(duì)氯根的去除率為63.0%,對(duì)堿度的去除率為52.5%,對(duì)鈣鎂離子的去除率是100%.可見(jiàn),離子交換法可以有效地去除硬根離子,避免設(shè)備結(jié)垢;但對(duì)氯根和堿度的去除效果欠佳.氯離子的存在會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,根據(jù)國(guó)家有關(guān)手冊(cè)規(guī)定,氯離子濃度不應(yīng)大于150mg/L.由此可見(jiàn),現(xiàn)有的離子交換工藝由于只采用了陽(yáng)床,所以對(duì)陰離子,如氯離子去除效果差,不能滿(mǎn)足所需純化軟水的要求.此外,由于離子交換工藝本身的特點(diǎn),決定其在制水過(guò)程中需消耗大量的酸、堿和再生劑,伴隨產(chǎn)生大量的廢酸、廢堿需經(jīng)中和處理后方可排放.而且,離子交換法并不能有效去處顆粒、膠體和細(xì)菌.如果將膜技術(shù)有效地運(yùn)用在鋼鐵工業(yè)中,以制備優(yōu)質(zhì)純水用于生產(chǎn),不僅能提高鋼材的性能質(zhì)量指標(biāo),而且能降低設(shè)備運(yùn)行損害,如腐蝕、結(jié)垢等危害,杜絕生產(chǎn)事故隱患.同時(shí),可以減少環(huán)境污染,緩解用水壓力.盡管RO技術(shù)在鋼廠(chǎng)水質(zhì)軟化中已有嘗試,但NF膜技術(shù)在鋼廠(chǎng)水質(zhì)軟化中的研究和應(yīng)用還不多.本文主要探討NF膜技術(shù)在某鋼廠(chǎng)水質(zhì)純化、軟化中的應(yīng)用,對(duì)該鋼廠(chǎng)的循環(huán)水進(jìn)行處理,分析出水水質(zhì),并將其水質(zhì)與原有方案中的離子交換法處理的水質(zhì)進(jìn)行比較.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1nf膜的合成實(shí)驗(yàn)所處理的水來(lái)自某鋼廠(chǎng)軟水循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)水;實(shí)驗(yàn)所用NF膜為陶氏生產(chǎn)的一種聚酰胺類(lèi)NF膜;NF系統(tǒng)中,平板膜組件由天津工業(yè)大學(xué)自制,NF膜的有效面積是50mm×100mm.2.2水樣處理實(shí)驗(yàn)采用NF膜技術(shù)對(duì)循環(huán)水進(jìn)行處理實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)之前,也做純水實(shí)驗(yàn),測(cè)定膜特性.再進(jìn)行水樣處理實(shí)驗(yàn),分2組,分別為1#和2#.每組實(shí)驗(yàn)每隔10min測(cè)一次透過(guò)量和電導(dǎo),進(jìn)行3h.NF實(shí)驗(yàn)的操作壓力為0.7MPa,流量大約為0.1L/min,流速約為0.17m/s,溫度為(28±1)℃.2.3水質(zhì)電導(dǎo)測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)是通過(guò)化學(xué)分析法測(cè)定堿度、氯離子濃度而獲得.其中堿度的滴定液為H2SO4(濃度為0.1mol/L),指示劑為甲基橙,水樣取100mL.氯根的滴定液為硝酸銀(濃度為1.03mol/L),指示劑是鉻酸鉀,水樣取100mL.水質(zhì)電導(dǎo)測(cè)定采用DDS-11C型電導(dǎo)儀進(jìn)行.2.4陽(yáng)離子和碳酸鹽離子的測(cè)定使用戴安公司出品的DX-120離子色譜儀,分別對(duì)UF/NF處理水、UF預(yù)處理水、循環(huán)水處理水、地下水、循環(huán)水進(jìn)行分析,定性分析氯離子、鈣鎂離子.測(cè)定陰離子的測(cè)試條件為:淋洗液是3.5mmol的碳酸鈉/1.0mmol的碳酸氫鈉,工作壓力0.2MPa,流速為1mL/min,注入量為10μL,測(cè)定時(shí)間6min.其中在測(cè)定2#水樣時(shí)稀釋2倍.測(cè)定陽(yáng)離子的測(cè)試條件:淋洗液是20mmol的甲烷磺酸,工作壓力0.2MPa,流速為1mL/min,注入量25μL,測(cè)定時(shí)間15min.其中2#水樣稀釋2倍測(cè)定一次,不稀釋測(cè)定一次.2.5nf膜表面元素分析使用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Quanta-200型掃描電鏡對(duì)水處理后的NF膜表面進(jìn)行觀(guān)察,使用掃描電鏡附配的能譜儀EDAX對(duì)水處理后的NF膜表面進(jìn)行元素分析.3結(jié)果與討論3.1nf處理循環(huán)水開(kāi)始即總膜通量的變化NF處理循環(huán)水膜通量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖2。由圖2可見(jiàn),NF處理循環(huán)水開(kāi)始時(shí)膜通量迅速下降,隨后趨于穩(wěn)定,這說(shuō)明下降時(shí)膜表面受到濃差極化影響.在3h的過(guò)程中,膜通量趨于穩(wěn)定,略有下降,說(shuō)明膜污染并不嚴(yán)重.3.2nf膜的表征采用掃描電鏡對(duì)純凈NF膜和處理循環(huán)水后的NF膜表面進(jìn)行形貌觀(guān)察,結(jié)果如圖3所示.由圖3(a)可以看出,純凈NF膜表面潔凈,膜孔結(jié)構(gòu)清楚.處理循環(huán)水后的NF膜表面形貌如圖3(b)所示,膜表面附著一些雜質(zhì),但量很少,并且還能看見(jiàn)一些潔凈的地方.這說(shuō)明膜污染并不嚴(yán)重,與上述觀(guān)察到的膜通量變化是一致的.3.3膜表面無(wú)機(jī)元素進(jìn)行膜表面的能譜分析是為了解循環(huán)水中可能含有的元素.如圖4所示,通過(guò)能譜分析,定性測(cè)得碳、氮、氧元素.首先,分析可能是納濾膜本身的組成物.該復(fù)合納濾膜本身分為3層:第1層為聚酰胺(～0.2μm),第2層為聚砜(～45μm)、第3層為聚酯(～150μm),其中聚酰胺為機(jī)能層,聚砜為支撐層,聚酯為基層.其次,膜表面的污染物還可能含有由碳、氮、氧元素組成的有機(jī)物.另外,能譜分析還表明,在膜表面某些無(wú)機(jī)元素含量很低,可能是實(shí)驗(yàn)時(shí)間短,雜質(zhì)還沒(méi)有大量沉積在膜表面的緣故.3.4nf去除循環(huán)水循環(huán)水陽(yáng)離子色譜圖如圖5(a)所示,t=4.476min出現(xiàn)Na+,面積37973.159;t=10.125min出現(xiàn)Mg2+,面積1532.344;t=12.691min出現(xiàn)Ca2+,面積1672.892.這說(shuō)明循環(huán)水中含有Na+、Ca2+、Mg2+.圖5(b)是NF處理循環(huán)水陽(yáng)離子色譜圖.循環(huán)水經(jīng)過(guò)NF處理,t=4.282min出現(xiàn)Na+,面積3884.456.由此可以推測(cè),NF可以去除循環(huán)水中Ca2+、Mg2+,并截流一部分Na+.圖6(a)是循環(huán)水陰離子色譜圖.從圖6(a)可知,循環(huán)水氯根圖譜中t=3.494min出現(xiàn)F-,面積為6292.787,t=4.742min出現(xiàn)氯根,面積11652.817(稀釋1倍).這說(shuō)明循環(huán)水中含有Cl-、F-.NF處理循環(huán)水陰離子色譜圖如圖6(b)所示.由圖6(b)可看出,經(jīng)過(guò)NF后,t=4.5min出現(xiàn)氯根,面積是2080.028.由此可知,利用NF/UF和NF處理后的水中鈣鎂離子被去除,Cl-、F-、Na+含量明顯降低.3.5nf處理循環(huán)水效果對(duì)循環(huán)水NF處理水進(jìn)行氯根、堿度、硬度及pH測(cè)定,所得數(shù)據(jù)如表2所示.根據(jù)表2數(shù)據(jù)計(jì)算可知,NF處理循環(huán)水時(shí),氯離子截留率為96.6%,堿性離子截留率為99.9%,鈣鎂離子截留率為100%.NF膜對(duì)離子的總截留率在95%以上,尤其是所得氯離子濃度低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).4水樣品的離子交換水處理通過(guò)研究UF/NF膜分離過(guò)程中膜通量、截留作用、膜分離處理水之后的水質(zhì)情況,得出以下結(jié)論:(1)分析NF處理循環(huán)水水質(zhì),氯離子濃度為18.5mg/L,堿性離子濃度為0.7mg/L,鈣鎂離子濃度為0;其截留率分別是96.6%、99.9%和100%;而離子交換法處理水水質(zhì),氯離子濃度為203.84mg/L,堿性離子濃度為418mg/L,鈣鎂離子濃度為0;其截留率分別是63.0%、52.5%和100%.由此可知,NF處理循環(huán)水其效果比該鋼廠(chǎng)現(xiàn)有的離子交換法好.(2)通過(guò)水質(zhì)分析表明水中的主要污染元素為Ca、Mg、Cl、Na.其中Cl-