膜分離技術助力紡織廢水處理——記第7期紡織科技新見解學術沙龍

舒 偉

(中國紡織工程學會，北京 100025)

隨著社會和科學技術的快速發展，在資源的循環利用和環境治理中，特殊物質的分離技術成為重要研究方向。其中，分離膜技術在城鎮給水處理、工業廢水廢氣處理、生活廢水循環使用、中水回用、海水淡化等領域起到了舉足輕重的作用。近年來，膜分離技術在紡織廢水處理中的應用增速較為明顯，為紡織行業的水資源循環利用另辟蹊徑。針對當前分離膜的研究熱點與應用進展情況，中國紡織工程學會的第7期紡織科技新見解學術沙龍暨第二屆津膜論壇于2015年4月21日在天津舉行。會議主題為“分離膜技術與應用”，由《紡織學報》編輯委員會、省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室和天津膜天膜科技股份有限公司共同承辦。中國工程院高從堦院士、姚穆院士，天津工業大學肖長發教授，總后勤部軍需裝備研究所施楣梧教授級高工，天津膜天膜科技股份有限公司徐平研究員擔任領銜科學家。來自科研院所和企業的40余名專家與學者圍繞膜技術的深度研發和推廣應用共同探討新見解、新思路。

1 膜分離技術的發展現狀

自20世紀60年代世界上出現了第一張高通量的反滲透膜，經過理論、材料、技術、設備、工藝及其集成技術的不斷創新，分離膜技術取得了快速發展，其應用領域已經從早期的脫鹽加工發展到國民經濟的各個行業，成為工農業生產、日常生活和國防領域中不可缺少的分離方法。高從堦院士詳細介紹了膜科學技術創新發展思路以及產業化的現狀，主要包括處理能力達52萬t/d的大型反滲透海水淡化工廠、用膜近萬平方米的大型超濾退漿廢水處理廠、30萬t/d的膜生物反應器廢水處理系統、每小時數萬標方的合成氨池放氣 H2回收裝置、年產4.5萬m3無水乙醇滲透汽化廠、以及每年挽救超百萬人的醫用膜材料等。這些膜技術的應用案例充分體現了膜技術從無到有快速發展的近60年歷程。

膜的種類根據其功能和結構的不同主要分為以下幾類:按外形可分為中空纖維膜、平板膜和管式膜;按推動力可分為納濾膜、反滲透膜、電滲析膜、微濾膜和超濾膜;按材料化學組成可分為無機膜、有機膜和復合膜。膜分離技術的突出優點是占地少、能耗低、無污染且可回收有用物質，是國內外一直高度關注的高新技術領域。

我國是世界分離膜的主產區之一，設備完全國產化，主要生產以平板膜、中空纖維膜為主的功能性分離膜，同時培養出一批創新精神強、科研素質高的專家和團隊，帶動了一批實力強勁的創新型企業，形成了運轉良好的產業鏈。近30年來，我國膜法水處理技術也取得了較好成績:20世紀80年代，超濾/微濾主要用于中小型水凈化，反滲透開始規模化生產應用;20世紀90年代，膜生物反應器小型化生產應用，反滲透復合膜大規模普及使用;21世紀初期，超濾/微濾/膜生物反應器大規模用于工業及市政水處理;2010年以來，10萬t級超濾、20萬t級反滲透膜投產使用，用于工業污水和生活廢水處理，但與國外先進水平相比，我國的膜分離技術從整體上還有一定差距。

2 高性能膜材料的研究

膜材料的研發是膜分離技術發展的重要保證，而選擇適當的膜材料對膜的開發和應用起著決定性作用，其成膜性、化學穩定性、熱穩定性、耐氧化、耐酸堿性和耐微生物侵蝕以及抗污染和親水性均是要考慮的重要因素之一。目前用于制作分離膜的高分子材料主要有纖維素酯類、聚砜類、聚酰(亞)胺類、聚酯及烯烴類、含氟(硅)類等，隨著技術發展，不斷有新型改性材料和其他新材料用于制備分離膜。

雜萘聯苯聚芳醚主要是由雜萘聯苯類雙酚單體(DHPZ)及其衍生物合成功能性高分子材料，由于分子主鏈上含有全芳非共平面扭曲鏈結構，具有較好的耐化學穩定性和耐熱性，且可溶解于N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等常用制膜溶劑，是一類性能優良的高分子膜材料，在耐高溫分離膜和離子交換膜方面具有非常好的應用前景。蹇錫高院士指出，將制備的雜萘聯苯聚芳醚砜酮(PPESK)作為膜材料，采用干-濕法紡絲工藝紡制具有中空結構的氣體分離基膜，在膜表面涂覆硅橡膠后，制備得到具有氣體分離功能的中空纖維膜，再通過線性濁點關聯式和濁點滴定計算，得到氧氮分離系數為5.3的分離膜。即使在溫度升高時，也能保持較高的分離系數。目前，雜萘聯苯聚芳醚膜材料的應用領域向反滲透膜、納濾膜、超濾膜、氣體分離膜、離子交換膜等功能膜領域擴展。

而以聚芳酯纖維為主的熱致型液晶高分子材料(TLCP)，具有優異力學性能、低熔融黏度、自增強效應，在外力作用下分子鏈高度取向;并有突出的抗燃燒性、熱穩定性;優異的耐化學腐蝕、絕緣性和抗老化性等優點。東華大學王依民教授認為，在聚芳酯溶解體系中，低黏度和高黏度的性能具有很大區別，也就是趨向差異是非常大的，時間從長到短，結晶的趨向是非常好的，符合高性能纖維必要的結構模型;在應用于膜材料方面，耐熱、耐切割、耐化學品，耐酸堿等性能均比聚芳酰胺高很多，尤其是酸性環境下的過濾，同時有較好的振動衰減性、沖擊吸收性，電氣絕緣性;但是其成本太高，不利于大范圍推廣，如何通過添加不同第三單體來調節體系溶解度和黏度以降低成本，對制備出高性能的分離膜具有重大意義。

浙江理工大學郭玉海教授向大家介紹了聚四氟乙烯(PTFE)微孔材料研發中對孔徑控制、親水處理、疏水處理的思路和觀點，所開發的產品已經在企業有較好應用。

3 高性能分離膜的應用前景

膜分離技術被認為是新型環保技術，膜在分離過程中不發生相變，能耗低且分離效率高，是解決當前淡水污染和水資源緊缺等問題的重要方法之一。徐平研究員介紹了世界上最大的膜法海水淡化廠即以色列Ashkelon海水淡化廠，它提供的淡水占整個國家總用水量的5% ～6%，是世界上制水成本最低的海水淡化廠之一。在我國同樣存在淡水資源緊張，已經嚴重制約了人民生活水平提高和工業發展，經過膜法對工業廢水進行回用和海水淡化將是破解此問題的重要手段。

印染行業的水、氣、泥三大污染源是限制行業發展的瓶頸問題，在國家日益嚴格的排放標準下，已嚴重影響到企業的發展甚至是生存。可喜的是膜分離技術的應用實現了印染廢水的回用，為印染行業的持續發展解決了后顧之憂。

以浙江某印染公司為例。該公司是一家大型紡織、印染、服裝、貿易企業。采用了“物化+生化+膜生物反應器+反滲透”廢水處理方式，目標是印染廢水回用，日處理廢水規模為14000 m3，2012年2月投產運行并通過驗收，一直穩定運行至今。目前回用處理水量為10000 m3(回用水6000 m3，濃水4000 m3)，回用水返回至印染生產過程中，其余排放水水質達到污水綜合三級排放標準(GB 8978—1996《污水綜合排放標準》)。其處理流程為:印染生產廢水—調節池—物化處理—冷卻塔—生物接觸氧化—膜生物反應器系統—反滲透系統—清水池—回用至印染車間。其中經膜生物反應器系統和反滲透系統處理的不可回用廢水進入廢水池至廢水管網達標排放。印染廢水經過此綜合系統的處理，約60%廢水成功回用，使廢水排放總量控制在指標之內，為公司印染業務的增加提供了保障。目前浙江、江蘇等地多家印染企業都開始嘗試使用這一新技術。

膜分離技術處理印染廢水取得的良好效果，不僅拓寬了該技術的應用領域，也為印染行業的節能減排、水資源的開發再利用找到了正確的方向。與會專家也特別提醒，因為各廠產品和所用染料均不一樣，印染廢水組成成分較為復雜，要依據廢水的組分選擇合適的過濾膜材料和處理方式。

煤礦也是工業污水的主要來源之一，每年煤礦排放量是45億t，占整個采礦業的80%，污水非常大，且目前大部分污水沒有處理直接排到江里，加重了水資源的短缺和環境污染。針對這一市場需求，清華大學的李繼定教授采用多層篩分型分離原理，研發了一套高效集成污水處理系統，具有工藝流程短、出水質量好、占地小、投資少、運行費用低的特點，受到煤礦企業的歡迎，但這一技術是否也可用于紡織廢水處理還有待進一步實驗。

4 結語

高從堦院士指出，我國膜產業產值2014年達1000億元，2020年將超過2000億元。膜分離技術在海水淡化與苦咸水淡化、微污染水處理、廢水回用、節能減排、新能源電池、醫用膜、氯堿工業應用、氣體分離等方面的應用都將有大幅增長。其中重點是廢水處理和節能產品改造，也包括新能源電池的應用，這是今后膜技術，不管是在科研還是“產學研”方面，需集中解決的問題。

姚穆院士為本次會議作了總結。他認為用膜法進行水處理和空氣過濾具有重大的市場潛力;中國是淡水非常缺乏的國家之一，而且我國現在又是空氣污染很嚴重的國家之一，膜技術的發展是解決這一問題的關鍵。目前，國內在海水淡化、污水處理、飲用水安全、大氣污染、特種安全等方面取得了巨大進步，以沙龍的形式引導不同領域的專家齊聚一堂，分享研究成果，啟迪各位專家和年輕學者的靈感，可對紡織工業以及材料紡織品技術進步起到極大促進作用，達到跨界融合的共贏目的。國內已建有較為健全的膜技術平臺，建議通過國家重點實驗室、高校、學會聯合幾家上市公司以及眾多中小企業，形成運轉良好的“產學研用”平臺，大力促進膜分離技術的發展并進行推廣應用，為紡織行業的可持續發展做好技術創新。