環(huán)境治理中膜接觸器的應(yīng)用研究

摘要：膜接觸器可以將膜分離與化工單元操作進(jìn)行有效結(jié)合，是一種先進(jìn)的高效分離器，可在不同接觸的情況下實(shí)現(xiàn)相間傳質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于廢氣治理、重金屬選擇吸收等環(huán)境治理中。對(duì)此，本文首先對(duì)膜接觸器的分類原理及結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行介紹，然后對(duì)不同膜接觸器在環(huán)境治理中的應(yīng)用原理進(jìn)行分析，并以某廢水治理項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)膜接觸器在環(huán)境治理中的應(yīng)用方式進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞：膜接觸器;分類;原理;結(jié)構(gòu)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X703.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）02-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.015

Abstract：Membrane contactor can effectively combine membrane separation with chemical unit operation.It is an advanced high-efficiency separator that can realize phase-to-phase mass transfer without contact.It is widely used in waste gas treatment and selective absorption of heavy metals.Governing. In this regard， this article first introduces the classification principle and structural form of membrane contactors，then analyzes the application principles of different membrane contactors in environmental treatment， and takes a wastewater treatment project as the research object to analyze the membrane contactors in the environment. Further research on the application of governance.

Key words：Membrane contactor;Classification;Principle;Structural application

膜接觸器技術(shù)是在微孔膜技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型雜化膜過(guò)程，膜接觸器傳質(zhì)比表面積，另外，通過(guò)膜所隔離的兩流體相相互獨(dú)立，因此可避免發(fā)生液泛、溝流等問(wèn)題，與分散相接觸分離器相比應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，被廣泛應(yīng)用于廢水治理、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域。因此，對(duì)膜接觸器技術(shù)在環(huán)境治理中的應(yīng)用方式進(jìn)行深入研究意義重大。

1 膜接觸器的分類

1.1 按膜兩側(cè)流體形態(tài)

膜兩側(cè)兩相流體的形態(tài)有所不同，據(jù)此可將膜接觸分離器分為液/液型、液/氣型、氣/液型三種。

1.2 按工作原理

根據(jù)膜接觸器工作原理不同，可將其分為氣體吸收膜接觸器以及連續(xù)萃取膜接觸器等。

1.3 按膜結(jié)構(gòu)

根據(jù)膜接觸器所用膜材料不同，可將其分為復(fù)合型膜接觸器、無(wú)孔膜接觸器以及多孔膜接觸器。

2 膜接觸器原理及結(jié)構(gòu)形式

在膜接觸器的應(yīng)用中，在氣/液或者液/液不混溶的基礎(chǔ)上，即可通過(guò)膜分離，對(duì)于各個(gè)組分不具有選擇性，只可作為氣/液或者液/液的屏障，兩相不會(huì)發(fā)生混合或者分散，組分可通過(guò)擴(kuò)散的方式，從一相轉(zhuǎn)移至另一相，在此過(guò)程中可保持相平衡，因此，蒸餾、萃取、結(jié)晶、催化等反應(yīng)均可在膜接觸器中完成。

膜接觸器的結(jié)構(gòu)形式有很多種，包括旋轉(zhuǎn)環(huán)式、平板式、中空纖維式等等，其中，中空纖維式最為常見(jiàn)，中空纖維式是由多個(gè)微孔聚丙烯（PP）中空纖維膜相互交錯(cuò)所形成的，在膜接觸器中心位置有擋板結(jié)構(gòu)，能夠有效減少程旁路，殼程液體流速與膜表面保持垂直，因此傳質(zhì)效率比較高。

3 不同膜接觸器在環(huán)境治理中的應(yīng)用原理

3.1 膜蒸餾（MD）

在膜蒸餾過(guò)程中，熱側(cè)溶液中容易揮發(fā)的組分可以通過(guò)疏水微孔膜，以氣態(tài)的形式進(jìn)入冷側(cè)，在冷凝作用下，即可實(shí)現(xiàn)膜分離。根據(jù)透過(guò)側(cè)不同，可將膜蒸餾分為多種類型，包括吸氣式膜蒸餾、直接接觸式膜蒸餾、低壓式膜蒸餾等等。膜蒸餾過(guò)程可以在低溫常壓下進(jìn)行，因此，只需提供太陽(yáng)能、地?zé)崮茏鳛槟茉椿A(chǔ)即可，應(yīng)用成本比較低。另外，在環(huán)境治理中，膜蒸餾方式對(duì)于離子、難揮發(fā)性物質(zhì)等的截留率將近100%。

3.2 膜吸收

膜吸收法是一種新型脫氨技術(shù)，其通過(guò)應(yīng)用微孔疏水膜，能夠?qū)⒘弦汉臀找哼M(jìn)行有效分離，在膜兩側(cè)，易揮發(fā)組分可形成分壓差，據(jù)此可作為驅(qū)動(dòng)力，可促進(jìn)料液通過(guò)膜孔轉(zhuǎn)移至吸收液側(cè)。膜吸收法的脫氨性能優(yōu)勢(shì)明顯，主要被應(yīng)用于氨氮廢水環(huán)境治理中。

3.3 膜萃取

膜萃取又被稱為固定膜界面萃取技術(shù)，其能夠?qū)⒛み^(guò)程與液/液萃取進(jìn)行有效結(jié)合，通過(guò)分隔料液相以及萃取相的微孔膜表面即可完成傳質(zhì)過(guò)程。膜萃取能夠有效減少萃取劑在料液中的夾帶損失，還可使用高效萃取劑，在膜基反萃（MBSS）過(guò)程中，萃取劑可再生。

3.4 膜填料替代

通過(guò)將中空纖維膜應(yīng)用于精餾分離中，中空纖維膜的接觸比表面比較大，設(shè)備體積小，同時(shí)，液體可充滿中空纖維膜，如果流速比較低，接觸面積依然可保持穩(wěn)定。另外，膜可有效分離氣液，使得二者無(wú)需直接接觸，進(jìn)而避免液泛現(xiàn)象。

4 膜接觸器在廢水治理中的應(yīng)用實(shí)例

4.1 廢水水質(zhì)

在某工廠生產(chǎn)中，兩套液氨整理設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，工廠每日廢水排放量在150～200m3之間。在建設(shè)廢水處理站后，嚴(yán)格執(zhí)行GB4287-2012《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的要求，在對(duì)廢水進(jìn)行凈化處理后，可將廢水引入至排放管網(wǎng)中。

4.2 廢水特性分析

在該工廠生產(chǎn)中，所排放的液氨整理廢水中的有害物質(zhì)包括氨氮、微量揮發(fā)性有機(jī)物以及硫酸根等等。在廢水環(huán)境中，微量揮發(fā)性有機(jī)物的濃度比較低，但是在環(huán)境治理中會(huì)造成表面張力降低，進(jìn)而造成膜接觸器潤(rùn)濕率增加，同時(shí)傳質(zhì)性能不斷降低，由此可見(jiàn)，在廢水環(huán)境治理中，應(yīng)采取有效措施提升表面張力。

4.3 廢水治理工藝

綜合考慮該工廠廢水水質(zhì)特征，在廢水環(huán)境治理中，將袋式過(guò)濾、活性炭吸附與膜接觸器脫氨進(jìn)行有效結(jié)合。

4.3.1 袋式過(guò)濾器

在袋式過(guò)濾器的應(yīng)用中，由于濾袋具有過(guò)濾作用，因此在廢水治理中可截留廢水中的懸浮物、織物纖維等，避免對(duì)后續(xù)治理過(guò)程造成不良影響。該廢水治理站所用系統(tǒng)是由2個(gè)?220mmxl200mm的袋式過(guò)濾器所組成的，并配有2個(gè)10μm濾袋，其中1個(gè)備用。單套袋式過(guò)濾器系統(tǒng)的廢水處理能力為10m3/h。

4.3.2 活性炭吸附

活性炭吸附法的應(yīng)用原理為活性炭對(duì)于廢水中的微量有機(jī)物可發(fā)揮吸附凈化作用，有效去除各類微量揮發(fā)性有機(jī)物，提升廢水表面張力，在經(jīng)過(guò)活性炭吸附作用后，出水即可滿足膜接觸器對(duì)于表面張力的要求。活性炭吸附系統(tǒng)是由3個(gè)?1500×4300mm的活性炭罐所組成的，顆粒活性炭的碘值在900以上，系統(tǒng)為兩用一備結(jié)構(gòu)形式，單套設(shè)備的廢水環(huán)境治理能力為10m3/h。

4.3.3 膜接觸器

在該工廠廢水治理中，膜接觸器是由48只聚丙烯中空纖維膜組件所組成的，共分為8路，每路采用6級(jí)串聯(lián)方式。廢水首先進(jìn)入袋式過(guò)濾器，然后再通過(guò)活性炭吸附罐的吸附作用，最后即可進(jìn)入至膜接觸器裝置中。在膜接觸器裝置前，安裝熱交換器以及自動(dòng)溫控系統(tǒng)，水溫在35℃左右，另外還需采用pH值自控系統(tǒng)，通過(guò)加入一定量的NaOH，可將廢水pH控制在11.5～12之間，另外，吸收液為pH在1～2之間的稀硫酸溶液，在酸循環(huán)作用下，即可吸收廢水通過(guò)膜的氨分子。

4.4 環(huán)境治理效果

該工廠采用上述復(fù)合廢水治理系統(tǒng)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性較高，在廢水治理中加強(qiáng)檢修，對(duì)于部分受損的膜接觸器及時(shí)更換，出水水質(zhì)穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。在廢水治理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)廢水經(jīng)過(guò)活性炭吸附罐后，廢水表面張力可從45～60mN/m提升至65～70mN/m，能夠有效滿足膜接觸器廢水治理實(shí)際需要。另外，在經(jīng)過(guò)六級(jí)膜接觸器的脫氨作用后，廢水氨氮去除率可達(dá)到98%以上，廢水在經(jīng)過(guò)凈化處理后，出水氨氮質(zhì)量濃度低于18mg/L。該工廠高濃度氨氮廢水在經(jīng)過(guò)上述處理后，可達(dá)到清潔生產(chǎn)要求，該廢水治理系統(tǒng)的運(yùn)行成本在30～40元/m2之間。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要對(duì)膜接觸器在環(huán)境治理中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)探究。新型膜接觸器具體包括膜蒸餾、膜填料替代膜吸收以及膜萃取，具有高效、節(jié)能等特點(diǎn)，在廢水廢氣治理中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。在未來(lái)的發(fā)展中，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于低廉、高穩(wěn)定膜材料的研究，促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

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收稿日期：2020-01-04

作者簡(jiǎn)介：代培春（1990-），男，漢族，本科學(xué)歷，助工，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程。