納濾膜處理含鎳電鍍廢水的研究

付 明

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 前 言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，我國(guó)電鍍工業(yè)得到迅速發(fā)展，但存在電鍍生產(chǎn)廠數(shù)量多、規(guī)模小，廢水排放量大的現(xiàn)狀。由于現(xiàn)有的電鍍生產(chǎn)工藝相對(duì)落后，原材料利用率低，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電鍍產(chǎn)業(yè)每年排出的電鍍廢水有50%沒(méi)有達(dá)到電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。大量的重金屬和有機(jī)物存在于電鍍廢水中，其中重金屬主要以配位化合物形態(tài)存在，由于水質(zhì)復(fù)雜且波動(dòng)性大，因此電鍍廢水治理難度非常大[2]。電鍍廢水中存在的重金屬污染物，毒性較大，有些屬于致癌、致畸、致突變的劇毒物質(zhì)，被列為當(dāng)今全球三大污染工業(yè)之一[3]。

物理化學(xué)法、化學(xué)法、生物法是目前國(guó)內(nèi)外最為常用的處理重金屬?gòu)U水的方法[4]。物理化學(xué)法一般包括吸附法、電解法、膜分離法、離子交換法等。

作為一種新型膜分離技術(shù),納濾膜誕生于20世紀(jì)80年代的后期。納濾的分離過(guò)程是依賴(lài)于跨膜壓差。納濾膜孔徑為納米級(jí)，由于其特殊的孔徑范圍和荷電性，對(duì)二價(jià)、高價(jià)離子、分子量大于 200的有機(jī)物有較高的脫除性能，已在水處理、生物制藥等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。納濾對(duì)二價(jià)離子特別是二價(jià)陰離子的截留效果非常好，這其中主要是 Donnan 效應(yīng)所致[5]。在工業(yè)廢水處理方面，納濾分離較反滲透分離往往有更多優(yōu)勢(shì)，比如不易堵塞、離子選擇性、不需要較高驅(qū)動(dòng)力、耐壓力與抗污能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，將納濾膜用于重金屬?gòu)U水處理的研究近年來(lái)得到廣泛的開(kāi)展[6]。

本工作以我院電鍍廢水處理站的電鍍廢水為研究對(duì)象，該電鍍廢水中主要含有大量鎳離子，考察了運(yùn)行壓力、運(yùn)行時(shí)間、濃淡比、廢水pH值參數(shù)條件等對(duì)納濾膜截留Ni2+的性能影響，以確定納濾膜系統(tǒng)分離含鎳電鍍廢水的最優(yōu)操作條件，為納濾膜在實(shí)際處理電鍍廢水中提供參考依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)電鍍廢水來(lái)自我院電鍍廢水處理站經(jīng)過(guò)前期預(yù)處理后電鍍廢水，其水質(zhì)如下：電導(dǎo)率1 826 μS/cm，總氮40～52 mg/L，pH值5.4～6.8，總磷60～78 mg/L，Ni2+92～150 mg/L，COD 80～120 mg/L。

1.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)裝置處理含鎳電鍍廢水的流程和裝置見(jiàn)圖1所示。電鍍廢水首先進(jìn)入增壓泵，接著用通過(guò)保安過(guò)濾器進(jìn)行預(yù)處理，初步去除廢水中的顆粒雜質(zhì)和懸浮物質(zhì)，接著高壓泵將廢水泵入納濾膜組件，濃水回流至原水箱，淡水流入產(chǎn)水箱中。流量以及壓力通過(guò)閥門(mén)和壓力表進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.3 分析和測(cè)定

采用GB 11910方法測(cè)定Ni2+的濃度，對(duì)廢水的處理效果用膜截留率Q表示：

式中：ρ1和ρ0分別為透過(guò)液和原液中Ni2+的質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 操作壓力對(duì)納濾膜截留率的影響

在原水箱中加入電鍍廢水，打開(kāi)進(jìn)水閥和各出水閥，連接高壓泵的電源，啟動(dòng)增壓泵。保持進(jìn)水流量為1 200 L/h，溫度設(shè)定為(20±2) ℃，緩慢關(guān)小回流閥并調(diào)節(jié)濃水和淡水的閥門(mén)，逐漸調(diào)高膜操作壓力，研究在一定操作條件下，膜操作壓力對(duì)膜截留率的影響。以膜截留率對(duì)進(jìn)水壓力作圖如圖2。由圖2可以看出，Ni2+截留率隨著操作壓力的增加而增大。這是因?yàn)椴煌軇U(kuò)散系數(shù)不同，導(dǎo)致料液側(cè)面相對(duì)作用加強(qiáng)，進(jìn)一步阻止溶質(zhì)的通過(guò)，因此Ni2+截留率隨壓力增加而增大，考慮到濃縮液中Ni2+的濃淡比以及儀器的操作壓力，將試驗(yàn)的最終操作壓力設(shè)定為0.7 MPa。

2.2 運(yùn)行時(shí)間對(duì)納濾膜截留率的影響

操作壓力設(shè)定0.7 MPa，保持進(jìn)水流量為1 200 L/h，其他操作條件不變，每隔15 min取樣檢測(cè)Ni2+濃度，運(yùn)行50 h，以膜截留率對(duì)時(shí)間作圖，結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始后，隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，Ni2+截留率提高，系統(tǒng)運(yùn)行約30 h后截留率趨于穩(wěn)定，約為73%，這是由于納濾膜剛使用時(shí)，膜的表面比較松弛，重金屬離子容易通過(guò)納濾膜，因此對(duì)Ni2+截留率較低。運(yùn)行一段時(shí)間后，納濾膜被繃緊，于是截留率升高，并逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.3 濃淡比對(duì)膜截留率的影響

保持操作壓力0.7 MPa，在恒定流量條件下，系統(tǒng)運(yùn)行30 h后，通過(guò)調(diào)節(jié)回流閥、濃水管和淡水管的流量來(lái)調(diào)節(jié)濃淡比(濃水流量與淡水流量的比值)，考察膜在一定操作壓力下，濃淡比的變化對(duì)膜截留率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，改變濃淡比對(duì)膜截留率有一定影響。隨著濃淡比從1.0～5.0逐漸增大，膜驅(qū)動(dòng)力逐漸減小，膜截留率也逐漸減小。這是由于濃淡比的改變影響了膜驅(qū)動(dòng)力，而膜驅(qū)動(dòng)力則對(duì)膜截留率有較大的影響。但是濃淡比越小，膜驅(qū)動(dòng)力越大，其負(fù)荷越大，這樣對(duì)膜的損耗會(huì)比較嚴(yán)重。因此綜合考慮，濃淡比在2.0時(shí)較為合適。

2.4 廢水pH值對(duì)膜截留率的影響

因所選用的納濾膜pH值適應(yīng)范圍為4.0～8.0，故對(duì)這一范圍內(nèi)廢水pH值進(jìn)行研究。利用鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)廢水的pH值。分批過(guò)膜，考察廢水pH值對(duì)膜截留率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

如圖5所示，隨著廢水pH值從4.0增大到9.0的過(guò)程中膜截留率從72%提高到約77%，在pH值7.0～9.0的范圍內(nèi)，膜截留率趨于穩(wěn)定。故得出結(jié)論，廢水在酸性條件下對(duì)膜截留率影響較大，而堿性情況下，則對(duì)其沒(méi)有明顯影響，這和選用的納濾膜材質(zhì)有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)隨著操作壓力的增加，納濾膜對(duì)Ni2+截留率增大。

(2)Ni2+截留率隨著運(yùn)行時(shí)間相應(yīng)提高，系統(tǒng)運(yùn)行約30 h后截留率趨于穩(wěn)定。

(3)隨著濃淡比增大，膜驅(qū)動(dòng)力逐漸減小，膜截留率也逐漸減小。

(4)廢水在酸性條件下對(duì)膜截留率影響較大，而堿性情況下，則對(duì)其沒(méi)有明顯影響。

(5)納濾膜系統(tǒng)分離含鎳電鍍廢水的最佳參數(shù)條件為：操作壓力0.7 MPa，運(yùn)行時(shí)間大于30 h，濃淡比2.0，廢水的pH值調(diào)為8.0左右，Ni2+截留率約為76%。