煤化工廢水納濾分鹽效果及影響因素試驗(yàn)

汪丹丹，金政偉，井云環(huán)，李蕊寧，楊 帥

(國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤炭化學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院，寧夏銀川 750041)

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)用水

(1)以某零排放項(xiàng)目煤化工廢水兩級膜脫鹽濃水為試驗(yàn)用水，其主要水質(zhì)指標(biāo)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(zhì)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(shí)，將表1中進(jìn)水3先通過低溫結(jié)晶降低TDS，加水稀釋或與進(jìn)水1、2混合，再適當(dāng)加入草酸鈉配制CODCr為800、500、200 mg/L的試驗(yàn)用水。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Quality Index of Test Water

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用4種納濾膜，分別記為進(jìn)口膜J1、進(jìn)口膜J2、國產(chǎn)膜G1、國產(chǎn)膜G2，納濾膜參數(shù)如表3所示。

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

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用三聯(lián)高壓平板膜裝置(圖1)，根據(jù)不同試驗(yàn)要求，利用現(xiàn)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(zhì)，進(jìn)水壓力根據(jù)現(xiàn)場納濾壓力設(shè)定為1.4 MPa，水溫控制在25 ℃左右，每隔1 h取50 mL產(chǎn)水進(jìn)行水質(zhì)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(yàn)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(nèi)，以試驗(yàn)所需相應(yīng)水質(zhì)作為進(jìn)水。試驗(yàn)之前，用0.45 μm的微濾膜將水樣進(jìn)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(diào)節(jié)進(jìn)水pH至設(shè)定值。將水樣加入進(jìn)水罐內(nèi)，考察進(jìn)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(biāo)檢測方法Tab.4 Detection Methods of Indicators

2 結(jié)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(yàn)用水為表1中進(jìn)水1(TDS≈20 000 mg/L)，試驗(yàn)設(shè)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(diào)節(jié)進(jìn)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?yàn)榧{濾膜表面帶有一定電荷，pH會(huì)改變納濾膜表面的荷電性質(zhì)。在偏酸性條件下，膜表面具有較多的負(fù)電荷，導(dǎo)致等效孔隙和等效膜厚變大，但是隨著pH繼續(xù)增加，會(huì)增加結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，使得濃差極化現(xiàn)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(zhì)及膜面處理有關(guān)，使其更適應(yīng)中性條件水質(zhì)。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(xù)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(jié)晶鹽的品質(zhì)。同時(shí)，若溶解性硅含量超過其溶解度，將會(huì)析出硅垢，沉淀在膜表面，硅酸根離子還會(huì)與多價(jià)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(yùn)行堆積易縮短膜壽命[8]。因此，在預(yù)處理階段需要加強(qiáng)硅的去除及監(jiān)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(guī)律，與之前試驗(yàn)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(shè)定試驗(yàn)壓力為1.4 MPa，通過計(jì)算，根據(jù)表1中進(jìn)水1、進(jìn)水2、進(jìn)水3的CODCr配制CODCr質(zhì)量濃度為800、500、200 mg/L的試驗(yàn)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(jī)物分子質(zhì)量大小及分布有密切關(guān)系[12]。水中有機(jī)物在納濾膜表面的累積會(huì)使納濾膜的膜孔堵塞，致使膜通量降低，脫鹽率增加。該試驗(yàn)條件下，在CODCr為200 mg/L時(shí)，4款膜膜通量均達(dá)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(guī)律。

3 結(jié)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(jìn)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(chǎn)膜G1除Cl-的截

留率相對較高，其他均與進(jìn)口膜J2接近，但其價(jià)格卻相比于J2低較多，表現(xiàn)出了國產(chǎn)納濾膜性價(jià)比方面的優(yōu)勢，通過試驗(yàn)，有望利用國產(chǎn)納濾膜替代進(jìn)口膜，大幅降低生產(chǎn)維護(hù)成本。