應(yīng)用碳化硅膜處理廢舊乳化液的試驗(yàn)研究

袁宇皓，邢士建，張海港，樊 松，高 博，欒吉益

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

1 前言

乳化液在軋制過程中主要起潤滑、冷卻的作用。乳化液使用一段時間后，一些組分發(fā)生變質(zhì)，乳化液的作用開始變差，生產(chǎn)中排出部分乳化液，重新補(bǔ)充新乳化液，保證乳化液的質(zhì)量滿足生產(chǎn)需要。排出的廢舊乳化液通過破乳，將其中的油脂等有機(jī)物進(jìn)行收集，收集后的油脂通過外委等方式進(jìn)行集中處理。由于現(xiàn)有分離技術(shù)的缺陷，收集后的油脂含水率高，處理費(fèi)用高。如果降低收集的油脂中的含水率，可節(jié)省大量的處理成本。本研究通過利用具有憎油、親水性能的碳化硅材料制備的陶瓷膜對廢舊乳化液進(jìn)行物理處理，收集后的油脂水分明顯降低，降低了處理成本。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

目前，山鋼日照公司冷軋廠廢舊乳化液每月排放量約600 m3，排放方式為間斷式排放。在每次軋線檢修前，廢舊乳化液一次性全部排放在酸軋乳化液間和廢水乳化液調(diào)節(jié)池，在下一次軋線檢修周期前，需要將酸軋乳化液間和廢水乳化液調(diào)節(jié)池中廢舊乳化液處理完。現(xiàn)冷軋廠廢舊乳化液處理工藝是先將廢舊乳化液加熱靜置，油污上浮，撇掉上層油污，下層乳化液氣浮、加藥沉淀，最后進(jìn)入生化處理。該處理工藝存在的主要問題是：廢舊乳化液靜置存放時間長，處理時加熱能耗較高，還會產(chǎn)生大量含刺激性氣體，對環(huán)境影響較大；撇掉的上層油污含水率高，油污進(jìn)行委外處理，油污中含水率高，含水率約60%～80%，每年的處理量約1 000 t，委外費(fèi)用高。

驗(yàn)證碳化硅陶瓷膜技術(shù)處理乳化液后水質(zhì)是否能進(jìn)直接進(jìn)入生化系統(tǒng)，節(jié)省廢水預(yù)處理成本；探索碳化硅陶瓷膜單位面積處理能力，為碳化硅陶瓷膜工業(yè)化處理廢舊乳化液提供參考數(shù)據(jù)；探索碳化硅陶瓷膜反沖洗恢復(fù)效果以及化學(xué)清洗周期與方法；積累乳化液濃縮倍數(shù)以及收集的油污含水率數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)方案

3.1 工藝流程

待處理廢舊乳化液由氣動泵提升至設(shè)備循環(huán)罐內(nèi)，開啟循環(huán)泵待設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后開啟出水閥，系統(tǒng)開始廢舊乳化液處理，過濾液排放至生化處理系統(tǒng)，調(diào)節(jié)氣動泵處理量，保持供料與過濾液量相同。隨著系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，油污在循環(huán)罐內(nèi)富集，污染物濃縮到一定程度后從循環(huán)罐內(nèi)排放至廢油脂存儲裝置內(nèi)，完成廢舊乳化液中油脂的提取。工藝流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)工藝流程

3.2 試驗(yàn)裝備

試驗(yàn)裝置是根據(jù)待處理料液性質(zhì)設(shè)計(jì)的1 套全自動運(yùn)行的試驗(yàn)裝置。設(shè)備主要包括氣動泵、循環(huán)罐、循環(huán)泵、碳化硅陶瓷膜組件等。試驗(yàn)裝備設(shè)計(jì)每小時廢舊乳化液處理能力為100 L，陶瓷膜面積1.5 m2，碳化硅陶瓷膜孔徑為20 nm和40 nm兩種規(guī)格。

3.3 檢測項(xiàng)目及設(shè)備

紅外測油儀檢測油含量；COD 測試儀檢測COD。油含量測試表征處理后的乳化液中油含量，油含量高會對后續(xù)生化系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響；COD主要表征處理后乳化液中COD，COD值太高也會對生化系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響。

3.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)取樣點(diǎn)為山鋼日照公司冷軋廠酸軋乳化液間和廢水乳化液調(diào)節(jié)池中的廢舊乳化液。調(diào)節(jié)池存放著待處理的廢舊乳化液，上層是靜置上浮的油脂，中下層為廢舊乳化液。試驗(yàn)時取中下層乳化液進(jìn)行試驗(yàn)，中下層乳化液油是未經(jīng)破乳的廢舊乳化液，組分與新排出廢舊乳化液成分接近。通過試驗(yàn)可驗(yàn)證碳化硅陶瓷膜破乳能力，而上層油脂含水率低，可直接撇出集中處理即可。同時，為了驗(yàn)證碳化硅陶瓷膜運(yùn)行的穩(wěn)定性，濃縮試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，試驗(yàn)完成后對膜進(jìn)行化學(xué)清洗。

3.4.1 第1次試驗(yàn)

從調(diào)節(jié)池取水，濾液排放至廢水處理工藝，濃縮液富集在循環(huán)桶內(nèi)，循環(huán)桶容積200 L，試驗(yàn)分別采用膜孔徑40 nm與20 nm的碳化硅陶瓷膜進(jìn)行過濾，對比分析兩種精度的過濾效果。

不同過濾精度碳化硅陶瓷膜處理效果可以看出，20 nm 碳化硅陶瓷膜過濾后料液表觀透明度更高。表1為不同精度碳化硅膜處理后指標(biāo)。

表1 不同精度碳化硅陶瓷膜處理后指標(biāo)測試數(shù)據(jù)

因孔徑為20 nm 碳化硅陶瓷膜處理效果明顯優(yōu)于孔徑40 nm 碳化硅膜，后續(xù)穩(wěn)定性試驗(yàn)均使用了孔徑為20 nm碳化硅陶瓷膜。圖2是第一次試驗(yàn)?zāi)ね孔兓闆r。

圖2 設(shè)備運(yùn)行出水量變化情況

過濾液、原液與濃縮液剛剛?cè)〕龊笈c靜置6 h后的對比可以看出，原液無變化為均勻乳白色，過濾液透明，濃縮液經(jīng)過靜置后顏色變淺，但上層出現(xiàn)一層浮油，說明孔徑為20 nm 碳化硅陶瓷膜對廢舊乳化液有破乳效果。指數(shù)指標(biāo)見表2。

表2 濃縮液、原液與過濾液指標(biāo)測試數(shù)據(jù)

3.4.2 第2次試驗(yàn)

為了驗(yàn)證碳化硅陶瓷膜（孔徑20 nm）處理乳化液的通量穩(wěn)定性，進(jìn)行了濃縮試驗(yàn)，濃縮倍數(shù)設(shè)計(jì)為10 倍。圖3 是第2 次試驗(yàn)?zāi)ね孔兓瘓D，從圖中可以看出初始通量148 L/h，相比于第1 次試驗(yàn)結(jié)束時的通量92 L/h 有所上升，而產(chǎn)水平均通量為110 L/h，說明試驗(yàn)過程中通量衰減是因?yàn)槿榛簼饪s，油含量與COD 增加而導(dǎo)致污染濃度增加，膜通量下降。

圖3 第2次試驗(yàn)運(yùn)行通量變化情況

經(jīng)過檢測，撇出的浮油中含水率為30%，遠(yuǎn)低于目前采用的工藝刮出的浮油含水率，這樣可以減少委托處理的油脂的總量，降低處理成本。

3.4.3 第3次試驗(yàn)

為了驗(yàn)證膜通量衰減是污染物濃度增加而不是膜被污染，再次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程與第2 次相同，濃縮倍數(shù)10 倍，觀察通量變化是否與第2 次試驗(yàn)相同。圖4 是第3 次試驗(yàn)通量變化圖，從圖中可以看出膜初始通量為136 L/h，與第2次試驗(yàn)初始通量相差不大，運(yùn)行平均通量109 L/h，與第2 次幾乎相同，經(jīng)過上一次濃縮后，膜運(yùn)行通量未衰減，說明碳化硅膜處理乳化液穩(wěn)定性好。

圖4 第3次試驗(yàn)運(yùn)行通量變化情況

3.4.4 膜清洗試驗(yàn)

清洗過程先采用0.5%的氫氧化鈉溶液與2%次氯酸鈉濃液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)30 min，膜通量恢復(fù)至初始通量。為了防止膜面結(jié)垢等問題存在，再次用1%檸檬酸進(jìn)行清洗，通量維持初始通量不變。

4 結(jié)語

通過試驗(yàn)研究表明，廢舊乳化液經(jīng)過碳化硅陶瓷膜濃縮后，透過液符合直接進(jìn)入生化系統(tǒng)處理要求；濃縮后產(chǎn)生的浮油經(jīng)過檢測，含水率為30%，遠(yuǎn)低于目前工藝刮出的油脂的含水。另外通過試驗(yàn)證明，碳化硅陶瓷膜在處理廢舊乳化液時，自身性能滿足生產(chǎn)需要。

（1）采用20 nm 碳化硅膜對乳化液進(jìn)行處理，處理后的透過液COD為1 978 mg/L，滿足進(jìn)入生化池的處理要求，這樣不需要額外工藝對透過液進(jìn)行預(yù)處理，降低生產(chǎn)成本。

（2）孔徑為20 nm 的碳化硅陶瓷膜處理廢舊乳化液平均通量80 L/（m2·h），系統(tǒng)取安全系數(shù)應(yīng)按照70 L/（m2·h）進(jìn)行設(shè)計(jì)，可滿足現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模廢舊乳化液處理量。

（3）碳化硅膜處理乳化液，清洗恢復(fù)簡單，采用0.5%的氫氧化鈉溶液與2%次氯酸鈉濃液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)30 min碳化硅膜即可恢復(fù)至初始通量。

（4）通過第2、3 次試驗(yàn)表明，碳化硅陶瓷膜經(jīng)過清洗后，通量基本不變，證明碳化硅陶瓷膜通量衰減只與處理對象有關(guān)，陶瓷膜內(nèi)部孔道暢通。

（5）濃縮液中的油脂含水率只有30%，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有處理工藝中刮出的油脂80%的含水率，這樣委托處理的數(shù)量減少，處理成本降低。