对于高盐废水的处理,传统方法是将废水减量浓缩,将浓缩液通过蒸发技术使盐结晶,终实现废水脱盐和盐资源的回收。目前,已大规模工业化的浓缩方法主要有热法和膜分离法。热法主要是通过加热的方式,将高盐废水中的水分蒸发出来,以达到浓缩和减容的目的,该方法通常利用水蒸气作为热源,耗能巨大,运行成本非常高。膜分离法使用选择性透过膜作为过滤介质,以压力差、电势差、渗透压等作为驱动力,实现含盐废水的浓缩,常见的膜分离工艺有微滤、超滤、反渗透、电渗析等。对于膜技术,目前存在的主要问题是膜元件成本高、膜污染及清洗等问题。
膜蒸馏技术是传统热蒸发过程与膜分离技术相结合的新型分离技术,其原理是在疏水性微孔膜的拦截作用下,阻止废液以液体形式穿透膜孔,仅以挥发组分在膜两侧蒸汽压差的推动下穿透膜孔,而非挥发组分则被拦截,终实现混合物的分离和提纯,具有浓缩倍数高、能耗低等(使用30~70℃的低品热源)特点。在常见的膜蒸馏技术中,真空膜蒸馏技术(vacuummembranedistillation,VMD)是利用真空泵使膜的透过侧维持负压状态,从而增加膜两侧的蒸气压差以**膜通量,与其他膜蒸馏技术相比,具有膜通量高、温度极化程度低等显著优点,近年来得到了研究人员的广泛关注。Mericq等采用VMD技术对反渗透处理后的海水浓缩液进行浓缩,实验结果表明,当透过侧压力为6000Pa、温度为50℃、雷诺数为4000、进水含盐量为64~300g/L时,膜通量可达7~17L/(m2•h),VMD工艺可将反渗透处理后的海水浓缩液的体积减少81.9%。刘宇程等采用VMD技术处理经湿式氧化后的页岩气压裂返排液,结果表明,当进水COD为299mg/L、NaCl浓度为67870mg/L时,在操作条件为料液温度70℃、真空度0.085MPa、运行时间为90min情况下,出水NaCl含量仅为1.17mg/L,出水COD降至93.2mg/L。Wen等应用VMD技术处理低放射性废水,实验结果表明,当进水含盐量高达80g/L时,VMD工艺对Cs(Ⅰ)、Sr(Ⅱ)和Co(Ⅱ)的去污因子可分别达到6000、3700和8300。游文婷等采用VMD工艺对硫酸钠和氯化钙模拟废水进行了处理研究,实验选用聚四氟乙烯平板膜作为膜组件,结果表明:随着进水温度的升高、冷侧压强的减小,通量随之增大,VMD工艺的截留率均达到了99.99%以上。随着膜材料和疏水膜制造工艺的不断发展,在保证较高膜通量的前提下,可有效降低膜污染问题,**VMD工艺的稳定性和可靠性。
对于高含盐工业废水,如油气田产出水、炼化废水等须回用或外排的高盐废水,真空膜蒸馏技术是一个较好的选择。本研究采用聚丙烯中空纤维膜元件,研究了真空膜蒸馏技术在不同条件下处理模拟高含盐废水的效果,分析了各因素对膜通量的影响程度,对真空膜蒸馏技术进行了初步探索,为高含盐工业废水提供新的处理选择。
1、材料和方法
1.1 实验材料
本实验用水采用NaCl(上海国药,分析纯)模拟高含盐废水,浓度为35~200g/L。实验所用膜为聚丙烯中空纤维膜(Wochi,WHPP96-20,中国),其主要性能参数如表1所示。
1.2 实验装置及运行
本实验所用装置如图1所示,加热后的高含盐水经蠕动泵进入膜元件的膜丝内侧,浓盐水回流至进水箱内加热继续循环,盐水中的水蒸气在疏水膜两侧蒸汽压差的驱动下透过膜孔,后冷却收集。
将配制好溶液加入加热水箱中,待温度上升至所需温度后,开始进水进行实验。每组实验运行20min,重复进行3次,结果取平均值。
1.3 分析方法
Cl-浓度使用离子色谱进行分析(Dionex,ICS—2100,USA)。
膜通量根据式(1)计算:
式(1)中:J为膜通量,L/(m2•h);Δm为Δt时间内的产水量,kg;A为膜的有效面积,m2;Δt为时间,h;ρ为液体密度,kg/m3。
真空度根据式(2)计算:
为了方便计算,本研究认为当地大气压为1个标准大气压,即1atm(1atm=101325Pa);真空度单位均折算为atm。
2、结果和讨论
在真空膜蒸馏工艺中,透过侧真空度、料液温度、料液流速以及料液含盐量对膜通量具有较大的影响,是VMD工艺的重要参数。本研究采用单因素法,分别研究了上述四个影响因素对膜通量的影响,并采用多元线性回归法对四个因素的重要性进行了分析。
2.1 真空度对膜通量的影响
在**为41.8L/h、温度为70℃、含盐量为35g/L的条件下,研究了不同透过侧真空度对膜通量的影响,其结果如图2所示。可以看出,当真空度为0.1~0.6atm时,膜通量变化不大,为0.06~0.19L/(m2•h);当真空度由0.6atm增加至0.98atm时,膜通量呈线性增长(R2=0.9461),由0.19增加至4.21L/(m2•h)。有研究表明,当真空度由68kPa升高至82kPa时,装置的产水量由2.0t/d升高至2.5t/d,真空度与产水量整体呈线性关系;在Alsadi等的研究中,也出现了类似的研究结果,当透过侧压力由45kPa降至35kPa时,膜通量由线性增加。这是因为,在VMD过程中传质驱动力与跨膜压差成正比关系。