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電鍍含鋅廢水的納濾－反滲透處理回用研究

2011/5/27

電鍍含鋅廢水的納濾－反滲透處理回用研究
                   茆亮凱1，張林生1，陸繼來2，王志良2，趙珊珊2
    （1.東南大學能源與環境學院，江蘇南京210096；2.江蘇省環境科學研究院，江蘇南京210036）
    摘要：采用納濾（NF）-反滲透（RO）組合工藝濃縮回收電鍍含鋅廢水，研究了運行壓力、進水含量、pH、水溫對膜分離效果的影響。結果表明，NF-RO1812膜對Zn2+具有良好的截留效果，產水電導率在25μS·cm-1以下，產水Zn2+的質量濃度均低于0.7 mg·L-1，累計回收率高達85.6%，可直接回用于鍍件的清洗；濃縮液經RO二級濃縮后，Zn2+的質量濃度由454.8 mg·L-1濃縮至1 500 mg·L-1，可用于電鍍槽液的配制。
    關鍵詞：電鍍廢水；納濾；反滲透；回用
    中圖分類號：TQ028.8；X781.1文獻標識碼：A文章編號：1000-3770(2011)03-0105-003
    電鍍廢水中含有重金屬離子、氰化物等污染物，若不經處理排放，對環境、人類危害極大。目前，國內外電鍍含鋅廢水的處理方法中，化學沉淀法運行費用高，吸附法和離子交換法操作管理復雜，蒸發濃縮法能耗則大。膜分離法是一個高效、環保的分離技術，用于廢水處理，具有高效、出水水質穩定性好、連續化操作、靈活性強等優勢，在電鍍廢水的處理回用方面有良好的前景[2]。
    本試驗采用納濾（NF）-反滲透（RO）組合工藝對電鍍漂洗含鋅廢水進行分離濃縮，產水回用于鍍件清洗，濃縮液的Zn2+含量達到鍍液的回用要求。
    1·試驗部分
    1.1工藝流程
    含鋅廢水NF-RO回用工藝流程如圖1所示。
              
    含鋅廢水間歇排入進水箱，經提升泵依次進入微濾（MF）、NF和RO裝置。RO產水收集回用，NF、RO濃縮液均回流至進水箱，不斷分離濃縮，直至RO產水電導率不能滿足回用要求（>25μS·cm-1）后，排空進水箱內濃縮液，開始下一批次運行。收集的濃縮液經RO膜二級濃縮后返回鍍槽回用，產生的淡水進入NF-RO工藝的進水箱，可以實現廢水的零排放。與傳統膜法回收工藝相比，該工藝具有水回收率高、溶質濃縮倍數大、投資成本及運行費用低等優點，產水及濃縮液均具有回收利用價值。
    1.2膜材料
    試驗采用美國某公司的RO1812芳香聚酰胺RO膜，截留相對分子質量50～100，pH適用范圍為4～10；NF膜組件采用該公司NF 1812膜，截留相對分子質量500～1 000，pH適用范圍為3～11。2種膜組件均為卷式，有效膜面積均為0.8 m2。試驗用微濾膜孔徑為0.5μm。
    1.3廢水水質
    含鋅廢水由鍍鋅槽液稀釋而成，鍍鋅槽液的組成及質量濃度分別為：硫酸鋅350g·L-1，硫酸鈉50g·L-1，硫酸鋁30 g·L-1，明礬50 g·L-1。配制及稀釋用水均為電導率小于0.1μS·cm-1的純水，并用稀H2SO4調pH為3.8～4.4。
    2·結果與討論
    2.1影響膜分離性能因素
    2.1.1壓力
    由于膜產水側與大氣相通，壓力為0，故膜2側壓力差（Δp）即為進水側壓力。取5 mL鍍鋅槽液稀釋至10L作為NF膜進水，其中ρ(Zn2+)為68.5mg·L-1，電導率329μS·cm-1，pH為4.28，水溫23.5℃；RO進水ρ(Zn2+)為40 mg·L-1，電導率為189μS·cm-1，pH為4.56，水溫16.1℃。壓力對NF 1812及RO 1812膜分離性能的影響如圖2所示。
             
    試驗表明，NF及RO膜通量（Jw）均幾乎與操作壓力呈線性增加，與優先吸附-毛細孔流模型相符合[3]。
    從圖2（a）可見，NF膜對Zn2+的截留率（R）隨著壓力的升高而下降，且壓力大于0.4 MPa時，下降速度加快。這可能與“滯流層”的厚度和含量增加速度過快有關[4]。
    從圖2（b）可見，RO 1812膜對Zn2+離子的截留率均在99.4%以上，產水的Zn2+含量均保持在較低，質量濃度最低可達0.12 mg·L-1，產水電導率均在5μS·cm-1以下，可直接回用于金屬鍍件的清洗。
    綜合NF和RO膜出水的Zn2+含量、電導率及膜通量等因素，回用工藝中的NF和RO膜的操作壓力分別設為0.35 MPa和0.5 MPa。
    2.1.2進水Zn2+含量
    取鍍鋅槽液稀釋成不同Zn2+含量，在0.35 MPa下通過NF膜。結果如圖3所示。
           
    可見，隨進水Zn2+含量的升高，NF 1812膜對Zn2+的去除率呈下降趨勢，且當Zn2+的質量濃度低于120 mg·L-1時，影響不明顯。另外，進水Zn2+含量的增加導致溶液滲透壓增大，從而使膜通量減小。因此，在進行NF分離時，降低進水中重金屬離子的含量可有效提高膜的分離效果。
    2.1.3 pH
    試驗進水ρ(Zn2+)為39.6 mg·L-1，水溫12～13℃。膜裝置運行壓力為0.35 MPa。通過投加NaOH溶液改變進水pH，考察pH對NF分離Zn2+離子特性的影響，試驗結果如圖4所示。
             
    由圖4可知，NF1812膜對Zn2+的截留率隨進水pH的升高先有所下降后上升。當pH在5～6時，截留率最低。這是由于NF1812膜在此范圍內處于等電位或0電勢（ZPC），即膜表面不帶有電荷[5]。等電位之前，聚酰胺膜帶正電荷，對荷正電的Zn2+具有靜電斥力，有利于截留；等電位之后，NF膜開始帶負電荷，不利于Zn2+的截留。因此，按等電位原理，NF膜對Zn2+的截留率應隨pH的增加而逐漸降低，但當pH大于6時，溶液中的OH-與Zn2+形成絡合物，提高了Zn2+的截留率。
    由于膜在較低pH時對Zn2+同樣具有良好的分離性能，故回用工藝進水的pH控制在3～5。
    2.1.4水溫
    考察了進水溫度對NF膜分離性能的影響。結果表明，隨著溫度的增加，NF膜的水通量上升，截留率下降，Zn2+的泄漏量也呈上升趨勢。當溫度低于25℃時，膜通量及截留率變化不大。由于回用工藝的進水水溫維持在15～25℃，因此溫度對工藝運行效果的影響可以忽略。
    2.2 NF-RO回用分離濃縮含鋅廢水
    試驗進水有效體積18 L，進水水質及NF、RO膜運行參數（電導率σ、壓力p、膜通量Jw、水的回收率fR、脫鹽率等）分別見表2和表3。
             
    NF-RO回用運行結果見圖5（V為產水體積）。
             
    從圖5（a）可以看出，在運行時間內，系統產水體積及回收率逐漸上升，但增加速度逐漸減慢，這是由于分離過程也是濃縮過程，系統進水含量不斷增加，膜通量下降。運行70 min后，可獲產水體積15.4 L，產水回收率達85.6%。
    從圖5（b）可以看出，產水電導率隨著回收率的增大而增加，且上升速度加快，產水的Zn2+含量也不斷上升。從運行初期至產水電導率達10μS·cm-1，產水回收率達74.4%，即說明系統可獲得74.4%的去鹽水，可回用于精密電鍍的清洗。系統產水回收率達85.6%時，產水中Zn2+的質量濃度為0.64mg·L-1，電導率上升至25μS·cm-1，此時產水不能滿足清洗回用要求，停止分離淡液。
    系統進水Zn2+的質量濃度為68.75 mg·L-1，pH為4.28，經NF-RO串聯濃縮后Zn2+的質量濃度為454.8 mg·L-1，pH為3.78，濃縮倍數n為6.7倍。濃縮液仍未達到配制槽液要求，因此試驗中采用RO膜對其進行二級低壓濃縮，運行壓力設為0.2 MPa，運行結果見圖6。
              
    從圖6可以看出，隨著體積濃縮倍數的增大，濃縮液得到不斷濃縮，RO膜通量呈下降趨勢，這與溶液滲透壓有關[7]。濃縮液中Zn2+的質量濃度與濃縮倍數幾乎成線性關系，說明濃縮過程Zn2+回收率高。當濃縮倍數達3.4倍時，濃縮液Zn2+的質量濃度由454.8濃縮至1 500 mg·L-1，pH為3.65，可用于電鍍槽液的配制。
    3·結論
    利用NF-RO組合回用工藝對電鍍含鋅廢水進行分離濃縮達到回用目的，得到如下結論：組合回用工藝采用2級膜分離技術，淡水串聯分離，2級濃水回流濃縮，產水電導率在25μS·cm-1以下，產水Zn2+的質量濃度均低于0.7 mg·L-1，累計回收率高達85.6%，可直接回用于鍍件的清洗。RO對濃縮液進行二級濃縮后，廢水中Zn2+濃縮至進水的20倍以上，可用于電鍍槽液的配制。
    NF、RO膜最佳運行壓力分別為0.35、0.5 MPa。進水Zn2+的質量濃度低于120 mg·L-1時，其對NF及RO膜運行效果影響不顯著。當進水pH、水溫分別控制在3～5和15～25℃時，2者對出水水質的影響也較小。
    膜分離技術可實現電鍍漂洗廢水的零排放和資源化回用，對污染的減排和企業降低生產成本具有重要意義。
參考文獻：
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文章來自：中國水處理化學品網 文章作者：網絡管理員
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