膜分離技術在聚乙烯醇纖維生產過程中的應用

文/沈 瑞（安徽皖維高新材料股份有限公司）

工業生產中會產生大量的廢水，其中含有各種重金屬等有毒有害物質，工業廢水的處理是實現綠色環保和可持續發展必須要解決的問題。20 世紀60 年代，膜分離技術開始實現工業化，相繼出現了超濾膜、微孔過濾膜和反滲透膜等，膜分離技術在海水淡化、工業廢水處理、城市廢水資源化、燃料電池、食品、生物質利用、制藥等領域得到廣泛的應用。合理地利用膜分離技術對工業廢水進行有效處理，對實現工業廢水的循環利用意義重大[1]。

一、膜分離技術原理

膜分離技術是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時實現選擇性分離的技術。半透膜又稱分離膜或濾膜，膜壁布滿小孔，根據孔徑大小可以分為微濾膜（MF）、超濾膜（UF）、納濾膜（NF）、反滲透膜（RO）等，膜分離采用錯流過濾或死端過濾方式[2]。在過濾過程中通過泵的加壓，料液以一定流速沿著濾膜的表面流過，大于膜截留分子量的物質分子不透過膜流回料罐，小于膜截留分子量的物質或分子透過膜形成透析液，以上過程稱為反滲透。所以膜系統都有兩個出口，一個是濃縮液出口，另一個是透析液出口。反滲透是將料液分為兩個部分，透過膜的是含溶質很少的溶劑，稱為滲透液，未透過膜的液體溶質濃度增高，稱為濃縮液。反滲透是以壓力差為推動力的分離操作，其主要作用就是截留離子物質而僅讓溶劑透過。

二、 反滲透膜處理聚乙烯醇纖維生產過程中產生的廢水

反滲透膜很容易被無機鹽類、膠體、微生物、金屬氧化物等污染，這些物質容易沉積在膜表面引起膜通量下降或脫鹽率下降，導致段間壓差升高，甚至對膜造成不可恢復的損傷。國內科研機構和生產企業先后開發出在物理化學穩定性、脫鹽率、產水量等方面表現出高性能的反滲透膜元件，并成功應用，說明目前的反滲透膜技術已經相當成熟[3]。

聚乙烯醇纖維是由聚乙烯醇通過溶解、過濾、脫泡、紡絲、凝固、熱處理等工藝制造而成的。聚乙烯醇纖維的生產過程中會產生大量的含有硫酸鈉、聚乙烯醇短纖維及微量聚乙烯醇固體顆粒等的廢水，目前這些廢水基本直接進入現有污水處理場的生化系統，由于硫酸根離子對生化系統有抑制作用，導致生化處理難度增加，污水處理成本增加。而且廢水中的硫酸鈉、聚乙烯醇短纖維及顆粒未能作為原料回用，造成了資源的浪費，增加了聚乙烯醇纖維的生產成本。

通過設置廢水濃縮系統對含硫酸鈉的廢水進行回收，廢水濃縮系統依次包括自清洗過濾器、一級過濾器、一級反滲透膜濃縮裝置、二級過濾器和二級反滲透膜濃縮裝置，具體處理過程如下：

（1）將含硫酸鈉的廢水引入廢水濃縮系統，經增壓泵增壓提升進入自清洗過濾器，過濾去除聚乙烯醇短纖維及部分聚乙烯醇顆粒。

（2）自清洗過濾器出水經增壓泵增壓提升進入一級過濾器中進行過濾，所得濾液經增壓泵增壓提升進入一級反滲透膜濃縮裝置，處理后產生的濃水進入一級濃水箱。

（3）一級濃水箱內的濃水經增壓泵增壓提升進入二級過濾器中進行過濾，所得濾液經增壓泵增壓提升進入二級反滲透膜濃縮裝置，處理后產生的濃水進入二級濃水箱。

（4）一級反滲透膜濃縮裝置和二級反滲透膜濃縮裝置產生的透過液流回用水池。

（5）在廢水濃縮系統運行15～20 天后，對系統進行清潔和養護。

步驟（1）中，過濾去除的聚乙烯醇短纖維及部分聚乙烯醇顆粒作為聚乙烯醇原料繼續使用；步驟（3）中的濃水主要成分為硫酸鈉溶液，返回車間作為原料繼續使用；步驟（4）中的透過液返回車間作為聚乙烯醇原料的洗滌水使用。步驟（5）中的清潔是對整個廢水濃縮系統采用軟水低壓沖洗，可將兩級膜濃縮裝置濃水側內的高濃度鹽沖洗干凈，不僅可以將膜元件濃水側的高含鹽量的離子置換掉，而且可以防止系統中微生物的滋生；步驟（5）中的養護主要是對兩級膜濃縮裝置采用化學清洗的方法進行處理，以恢復膜的性能，根據不同的污染物和膜性質采取不同的清洗措施。

步驟（3）所獲得的二級濃水，可重新用于聚乙烯醇纖維的生產，具體方式為：取樣濃水并檢測其濃度，若濃度不低于390 g/L，則合格，可直接加入凝固浴液中，且加入量不超過凝固浴液體積的10%；若濃度低于390 g/L，則送入凝固浴液蒸發系統，待濃度合格后使用。

三、延長反滲透膜使用壽命

反滲透裝置在使用過程中會由于污染而導致分離效率降低，污染是影響反滲透膜使用壽命的最常見因素，污染物主要有化學垢、有機物膠體污染及微生物等。為了延長反滲透膜的使用壽命，通常采取淡水沖洗、化學清洗、加阻垢劑三種措施。

1.淡水沖洗

反滲透裝置在運行前后，通常采用淡水將反滲透系統濃水側內的高濃度鹽沖洗干凈，這樣不僅可以置換反滲透膜元件濃水側的高含鹽量的離子，而且可以防止系統中微生物的滋生。淡水沖洗可以有效減緩反滲透系統膜過濾表面濃差極化，減輕反滲透膜首端有機膠體、高分子污染物等常規化學藥劑難以清除的污染物的污染問題，提高反滲透膜系統運行的穩定性，有助于延長膜系統穩定運行周期、增強化學清洗效果、提高膜使用壽命[4]。

2.化學清洗

反滲透裝置運行一段時間后，物料中的微粒、膠體粒子或者溶質大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用，會在膜表面或膜孔內吸附、沉積，造成孔徑變小、堵塞，使膜產生滲透通量與分離特性的不可逆變化，這就是膜污染現象[5]。膜污染嚴重影響目標產物的回收率，及時清洗可以確保反滲透產水量和產水水質；另外某些污染物若不及時清洗則很難清洗徹底，影響清洗效果。清洗方法的選擇對延長膜的壽命及膜的應用推廣至關重要[6]。

3.加阻垢劑

含硫酸鈉廢水經濃縮后，離子的濃度積可能大大超過平衡常數，會產生嚴重的結垢現象，難溶性鹽類在反滲透膜元件內不斷濃縮且超過其溶解度極限時，就會在膜表面發生結垢。為了減少結垢現象，一般在反滲透膜的使用過程中設置阻垢劑加藥單元。

四、結語

通過膜分離技術的應用可以將廢水中的聚乙烯醇短纖維、聚乙烯醇顆粒分離出來作為聚乙烯醇原料使用，同時也可將廢水轉化為一定濃度的硫酸鈉溶液及回用水，二者都可以作為生產原料回車間使用，提高資源的利用效率，減少污染物排放，具有良好的環境效益和經濟效益。