煤化工廢水納濾分鹽效果及影響因素試驗

汪丹丹，金政偉，井云環，李蕊寧，楊 帥

(國家能源集團寧夏煤業有限責任公司煤炭化學工業技術研究院，寧夏銀川 750041)

1 試驗部分

1.1 試驗用水

(1)以某零排放項目煤化工廢水兩級膜脫鹽濃水為試驗用水，其主要水質指標如表1所示。

表2 考察鹽組分對各款納濾膜膜通量及分鹽效果水質影響Tab.2 Influence of Water Quality of Salt Composition on Membrane Flux and Salt Separation for Each Membrane

(3)在考察COD對納濾膜膜通量及分鹽效果影響時，將表1中進水3先通過低溫結晶降低TDS，加水稀釋或與進水1、2混合，再適當加入草酸鈉配制CODCr為800、500、200 mg/L的試驗用水。

表1 試驗用水水質指標Tab.1 Quality Index of Test Water

1.2 試驗材料

試驗選用4種納濾膜，分別記為進口膜J1、進口膜J2、國產膜G1、國產膜G2，納濾膜參數如表3所示。

表3 4種納濾膜參數比對Tab.3 Model and Grouping of 4 NF Membranes

1.3 試驗設備

試驗采用三聯高壓平板膜裝置(圖1)，根據不同試驗要求，利用現有煤化工含鹽廢水兩級膜濃縮濃水(TDS約為20 000、30 000、130 000 mg/L)配制所需水質，進水壓力根據現場納濾壓力設定為1.4 MPa，水溫控制在25 ℃左右，每隔1 h取50 mL產水進行水質分析。

圖1 納濾平板膜裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of NF Plate Membrane Device

1.4 試驗方法

將采購卷式膜裁剪為6 cm×10 cm的矩形膜片，固定在裝置內，以試驗所需相應水質作為進水。試驗之前，用0.45 μm的微濾膜將水樣進行過濾，并用摩爾濃度為0.5 mol/L的HCl和0.5 mol/L的NaOH溶液調節進水pH至設定值。將水樣加入進水罐內，考察進水pH、鹽組分、CODCr含量對4款納濾膜分鹽效果的影響。

1.5 分析方法

表4 各指標檢測方法Tab.4 Detection Methods of Indicators

2 結果與討論

2.1 不同pH對納濾膜膜通量及分鹽效果的影響

試驗用水為表1中進水1(TDS≈20 000 mg/L)，試驗設定壓力為1.4 MPa，用摩爾濃度為0.5 mol/L的HCl和0.5 mol/L的NaOH溶液調節進水pH值分別為4、7、9，考察不同pH下4款納濾膜的膜通量及截留率變化情況。

2.1.1 納濾膜膜通量

由圖2可知，pH對膜通量影響不大， J1、G1、G2的膜通量隨著pH的增加存在下降趨勢，這是因為納濾膜表面帶有一定電荷，pH會改變納濾膜表面的荷電性質。在偏酸性條件下，膜表面具有較多的負電荷，導致等效孔隙和等效膜厚變大，但是隨著pH繼續增加，會增加結垢風險，使得濃差極化現象加劇，從而使膜通量降低以及脫鹽率下降。J2膜通量先隨pH增加再減小，在中性條件最高，這可能與此款膜的材質及膜面處理有關，使其更適應中性條件水質。通過綜合比對，4款膜通量為G2>J2>G1>J1。

圖2 不同pH值下各款膜膜通量比對Fig.2 Comparison of Membrane Flux under Different pH Value

2.1.2 分鹽效果

圖3 不同pH值下各款膜總硅的截留率Fig.3 Interception Rates of Cl-, Ca2+, Mg2+ and Total Si under Different pH Value

4款膜對硅的截留率均不高，說明大部分硅可透過納濾膜，這是由于納濾膜自身特性，其對硅酸根和偏硅酸根的截留率很低，硅的存在可能對后續工藝有一定影響，因此，要做好前工段除硅工作，防止因硅含量過高影響NaCl結晶鹽的品質。同時，若溶解性硅含量超過其溶解度，將會析出硅垢，沉淀在膜表面，硅酸根離子還會與多價陽離子形成不溶的硅酸鹽，硅垢堆積膜表面，易堵塞膜孔，影響分鹽效果，且硅垢不易清洗去除，長期運行堆積易縮短膜壽命[8]。因此，在預處理階段需要加強硅的去除及監測，合理添加阻垢劑。

2.2 不同鹽組分對納濾膜膜通量及分鹽效果的影響

2.2.1 納濾膜膜通量

圖4 不同鹽組分下各款膜膜通量比對Fig.4 Flux Ratios of Each Membrane under Different Salt Components

2.2.2 分鹽效果

圖5 不同鹽組分下各款膜對總硅的截留率Fig.5 Interception Ratios of Cl-, Ca2+, Mg2+ and Total Si under Different Salt Components

對于總硅的截留率無一定規律，與之前試驗趨勢相似。

2.3 CODCr濃度對納濾膜膜通量及分鹽效果的影響

設定試驗壓力為1.4 MPa，通過計算，根據表1中進水1、進水2、進水3的CODCr配制CODCr質量濃度為800、500、200 mg/L的試驗用水。

2.3.1 納濾膜膜通量

由圖6可知，4款膜膜通量均隨著CODCr濃度的降低而增大，這是由于納濾膜的截留和透水能力與有機物分子質量大小及分布有密切關系[12]。水中有機物在納濾膜表面的累積會使納濾膜的膜孔堵塞，致使膜通量降低，脫鹽率增加。該試驗條件下，在CODCr為200 mg/L時，4款膜膜通量均達到最大值，為G2>J2>G1>J1。

圖6 不同CODCr濃度下各款膜膜通量Fig.6 Film Flux Ratios of Different CODCr Concentration

2.3.2 分鹽效果

圖7 不同CODCr下各款膜對總硅的截留率Fig.7 Interception Ratios of Cl-, Ca2+, Mg2+ and Total Si of Each Film under Different CODCr Concentration

J1、J2、G1這3款膜對Ca2+的截留率在各CODCr濃度下均在99%以上，對Mg2+的截留率均在97%以上，說明CODCr濃度對Ca2+和Mg2+的截留率影響不大，對總硅的截留率無一定規律。

3 結論

(4)通過分別考察煤化工廢水不同pH、鹽組分、CODCr濃度條件下納濾膜的膜通量及各陰陽離子截留率可知，進口膜J2在各種情況下膜通量處于中上水平，且分鹽效果最佳，國產膜G1除Cl-的截

留率相對較高，其他均與進口膜J2接近，但其價格卻相比于J2低較多，表現出了國產納濾膜性價比方面的優勢，通過試驗，有望利用國產納濾膜替代進口膜，大幅降低生產維護成本。