膜蒸馏技术处理低放射性废水研究现状与应用

2023-01-06朱维韬

皮革制作与环保科技 2022年2期

朱维韬

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

受工业快速扩张、农业生产、人员活动等因素的影响，我国的淡水资源日渐短缺，这种情况给人们的正常生产生活以及社会经济的健康发展都带来了极为不利的影响。现阶段，为切实解决上述问题，采用膜蒸馏技术对低放射性废水进行净化再利用，已经成为节约水资源、满足人们生产生活需要的有效方式之一。

1 低放射性废水的处理现状

在当前的社会发展过程中，在核燃料生产、使用、处理等多个环节都会产生一定量的废水，并且这些废水中往往会存在一定量的放射性污染物，如果直接将这类废水排放到自然环境当中，就会对自然环境以及人们的身体健康产生极为不利的影响。因此，相关研究人员制定了一系列的废水处理工艺流程，以进一步提升废水的安全性，并且在实际应用这些工艺的过程中，尽管采取废水处理措施能够有效降低废水中的有害物质含量，但因其工作流程较为复杂、处理效率也比较低，大大延长了废水处理工作所消耗的时间。以低放射性废水为例，当前我国处理这类废水的方法主要为三段式废水处理工艺。三段式处理工艺在使用过程中的主要工作内容可以被分成絮凝沉降、蒸发与离子交换三部分，在实际应用过程中，这种工艺方法具有工艺技术较为成熟、应用范围较为广泛等优点，但由于在对污水进行凝絮沉淀操作时，会产生大量的二次废物，因而增加了废弃物的管理成本。现阶段，为切实解决上述问题，膜分离技术的应用范围也在不断扩大[1]。

2 膜蒸馏技术概述

膜蒸馏技术是一种热驱动分离技术，在实际应用过程中，这一技术主要是通过在疏水微孔膜两侧产生的蒸汽压差，使废水中的杂质与水以水蒸汽的形式分离，并将水蒸汽凝结成水的一种污水处理方式。由于这一操作过程与常规蒸馏操作相似度较高，因此，这一技术又被称作膜蒸馏技术。

2.1 膜蒸馏技术的原理

在利用膜蒸馏技术进行废水处理的过程中，通过蒸汽压差为进料溶液（热侧）与渗透溶液（冷侧）提供蒸汽压差所产生的驱动力，使合成膜上产生温度梯度，并且传质与传热现象能够从热侧到冷侧沿一个方向同时进行。具体来说，在废水处理过程中，第一，热侧的溶液在膜表面边界的界面处出现蒸发现象，从而引起该区域内气液之间的传递转化；第二，冷侧出现蒸汽冷凝情况后，蒸汽压可以加快蒸汽分子通过膜的速度，从而加快废水净化的速度。在膜蒸馏技术的实际应用过程中，现阶段较为常用的膜为非润湿膜，这种膜具有疏水性的特点，并且随着化学材料合成技术研究的不断发展，现阶段，非润湿膜的制作材料不断增加，当前较为常用的材料包括聚偏氟乙烯、聚丙烯等[2]。

2.2 膜蒸馏技术分类

在当前社会发展过程中，膜蒸馏技术属于一种新型的废水处理技术，并且这一技术因具有较高的杂质分离效率得到了有效推广。现阶段，随着膜分离技术研究的不断深入，依据不同膜的选择透过性的不同，这一技术可以被分成直接接触膜蒸馏、气隙膜蒸馏、真空膜蒸馏、膜蒸馏等不同类型。

2.2.1 直接接触膜蒸馏

在当前的膜蒸馏技术研发应用过程中，直接接触膜蒸馏被认为是一种最为可靠的废水处理技术，在实际应用过程中，这一技术主要被应用于食品制造业、酸工业等行业的脱盐工作中。在应用直接接触膜蒸馏进行杂质分离时，热侧的溶液与疏水膜表面直接接触，渗透液与膜的背面直接接触，这种情况使膜的进料侧发生蒸发，在分离过程中，膜两侧的温度梯度将会驱动蒸汽压差，然后热侧废水中的水将以水蒸汽的形式通过膜的表面，然后在冷侧出现冷凝现象。相比较而言，由于直接接触膜蒸馏技术在应用过程中是热进料、膜与渗透冷侧连续接触，使得这一技术在使用过程中会损失较多的传导热，进而降低废水处理工作的热效率。

2.2.2 气隙膜蒸馏

相较于直接接触膜技术，气隙膜蒸馏在蒸馏液侧与膜之间存在一个单独的气隙（停滞空气），在实际应用过程中，气隙膜蒸馏技术可以使废水中的水以水蒸汽的形式通过膜孔与气隙，然后在膜组件内部表面上冷凝成水滴，汇聚成水流。尽管相较于直接接触膜技术，气隙膜蒸馏水汽输送阻力相对较大，但在实际使用过程中，由于气隙膜蒸馏热损耗相对较小、热阻较高，因此，为降低废水处理工作过程中对能源的消耗，可以使用气隙膜蒸馏技术。需要注意的是，偶遇气隙膜蒸馏渗透侧并没有膜湿润的危险，因此，在分离过程中，醇也可以分离出来。

2.2.3 真空膜蒸馏

真空膜蒸馏技术更多地被用于真空泵在膜组件冷渗透侧产生吸力，加快杂质分离的一种废水处理技术。在实际应用过程中，为了更好地给废水中水蒸汽的渗透提供动力，可以通过控制挥发性分子在热溶液中的保护压力比而施加更大真空压力的方式，加速渗透冷凝过程。需要注意的是，真空膜蒸馏在实际应用过程中，跨膜通量较高、导热热损较小，但相较于其他膜分离技术，真空膜蒸馏受污染的程度更高，并且空隙湿润阻力更低。在实际应用过程中，真空膜蒸馏更多地被用于海水淡化、水溶液中挥发性有机物分离等工作中。举例来说，在分离水溶液中的乙醇、丁醇等物质的过程中，就可以利用真空膜蒸馏技术将醇类物质同时脱除。

2.2.4 膜蒸馏

膜蒸馏是一种在冷侧直接用流动气体扫去水蒸汽，使其直接冷凝成水的一种技术。在实际应用过程中，水蒸汽分子大多在膜组件外冷凝。相较于其他膜分离技术，膜蒸馏有一个非固定的气体屏障，用于减少废水处理过程中损耗的热量，提升其转化效率。现阶段，这一技术被广泛应用于稀、浓水溶液中氨的去除。

2.3 膜蒸馏技术应用的优缺点

2.3.1 优点

相较于常规的废水蒸馏处理技术，首先，膜蒸馏技术在使用过程中，并不需要增设较为复杂的蒸馏设备，以去除不可冷凝气体对废水净化产生的干扰，这种情况的出现不仅降低了废水处理的成本，还提高了技术应用的安全性。其次，在使用过程中，膜蒸馏技术主要使用疏水微孔膜对气体与液体界面进行分隔，尽管蒸发区与冷凝区之间的距离较近，但蒸馏液更为纯净，不会被原废水所污染。再次，膜蒸馏技术在使用过程中，废水的净化效率与料液的蒸发面积之间存在着直接的联系。现阶段，为了进一步加快废水的处理速度，可以通过扩大膜面积的方式，增加废水的蒸发面积，相对而言，尽管膜面积得到了增加，但膜蒸馏技术整体设备的体积还是比较小。最后，在应用膜蒸馏技术时，并不需要给废水加热到极高的温度，只需要保证膜两侧存在一定的温差，这种情况的存在大大降低了热能的提供，降低了废水处理的成本[3]。

2.3.2 缺点

在实际应用过程中，尽管膜蒸馏技术具有较多优点，但相较于反渗透类废水处理技术，膜蒸馏在废水处理过程中，容易出现膜污染、膜孔湿润等问题，这些问题的存在会严重降低废水处理质量。同时，由于膜蒸馏所使用的膜主要为疏水微孔膜，相较于亲水膜在社会发展过程中的应用范围较为局限，再加上市面上这种膜的产量较少，生产成本相对较高，这就使得膜蒸馏技术的大范围推广受到了限制。

3 用膜蒸馏技术处理低放射性废水的情况

3.1 用膜蒸馏技术处理低放射性废水的现状

在当前的社会发展过程中，研究并使用膜蒸馏技术处理低放射性废水的主要单位仍为各高校或者科研单位实验室的冷却实验研究，热试验研究相对较少，并且这一技术尚未大规模地被应用到工业污水处理中，但膜蒸馏技术的优势仍受到了人们的广泛关注。具体来说，当前依据原材料的不同，膜蒸馏技术所应用的膜可以被分为有机膜和无机膜两种，其中有机膜的原材料主要包括纤维素衍生物、聚烯烃等物质。在实际应用过程中，有机膜具有疏水性良好、制备难度较低、原材料获取难度小、能耗偏低、生产成本较低的特点，这些优点的存在为有机膜的大规模生产创造了良好的条件。需要注意的是，在实际应用过程中，受有机膜耐热性、氧化性等性质偏低的影响，在发现有机膜存在污染时，无法对其进行频繁地清理，同时，有机膜适用废水的pH值相对较小。无机膜在实际使用过程中，具有表面易于亲水、化学性质稳定、耐腐蚀、机械强度大、分离系数高等优点，但相较于有机膜，在生产过程中，无机膜的原材料价格较为昂贵、操作要求较高，上述情况的存在在一定程度上限制了无机膜的应用发展。同时，相较于国外从上个世纪就开始研究这一污水处理技术，我国利用膜蒸馏技术处理污水的研究时间相对较短，并且这一技术的研究应用主要在实验室进行。举例来说南华大学相关研究人员通过自制气隙式膜蒸馏净化装置的方式，对混合模拟放射性废水进行了净化处理，实验结果表明，这一技术在实际应用过程中，可以截留废水中99.99%的离子，并且膜通量可达到3.88 kg/m2·h。段小林等研究人员利用聚丙烯膜对含铀废水进行了净化试验，实验结果表明在进水温度为55 ℃，废水的进水流速控制在0.5 m/s，真空侧压力为2.66 kPa的条件下，对于含铀量为1～9 mg/L的废水，膜通量为3.5 kg/m2·h，铀的截留率高达99.1%。从上述数据中可以了解到，在当前的低放射性废水处理过程中，膜蒸馏技术具有极高的可行性与使用优势，因此，其应用前景被人们广泛看好[4]。

3.2 膜蒸馏技术应用过程中膜污染的控制方法

在当前的社会发展过程中，膜蒸馏技术在废水处理中呈现出了极大的发展潜力，但需要注意的是，受低放射性废水中杂质成分较为复杂的影响，膜污染已经成为膜蒸馏技术使用过程中的最大障碍之一。

3.2.1 膜污染出现的原因

从根本上说，利用膜蒸馏技术对低放射性废水进行净化处理，是对废水中的有害物质进行不断浓缩的一个过程，在此过程中，渗透侧产生纯净水的同时，随着溶液的不断蒸发，进料侧的杂质将会随着水蒸汽汇聚到膜的表面，并且在进料侧水压的影响下，膜将会受到污染，影响净化工作的整体质量。现阶段，导致膜污染产生的主要原因可以分成废水、膜材料性能、操作条件这三部分内容。首先，在进行废水净化过程中，受污水中杂质组分存在差异的影响，膜污染依据不同的物理、化学性质进行划分，可以分为无机污染、有机污染、生物污染这三种类型，并且在废水处理过程中，不同类型的污水将会使杂质产生化学亲和力、静电等性质，使其吸附在膜的表面，并产生更为严重的混合污染，进而影响废水处理效果。其次，在膜蒸馏技术的应用过程中，膜作为蒸馏装置中的重要组成部分，其材料性能与污染形成之间存在着极为密切的联系，尤其是膜的孔径与膜原材料的不同，将会使膜在使用过程中产生不同的污染。最后，经试验调查显示，在利用膜蒸馏技术进行低放射性废水处理的过程中，进料温度、进料流速等操作内容的不同，将会导致膜通量产生一定的变化，并且操作条件的不同会使膜污染性能产生极大地变化。举例来说，在利用吹扫式膜蒸馏技术进行垃圾渗滤液的净化处理过程中，渗滤液进料温度越高，膜通量在增大的同时，会使膜污染更加严重，出现这种情况的主要原因是进料侧蒸汽压力随着温度的升高而升高，进而导致污染物颗粒在膜的表面大量富集，影响水蒸汽的正常通过，降低渗滤液净化的效率[5]。

3.2.2 膜污染的处理办法

经调查分析可以了解到，膜污染是影响膜蒸馏技术应用的关键点之一。现阶段，为进一步加快膜蒸馏技术的推广速度，需要尽可能降低膜污染对其使用性能的影响。当前较为可行的膜污染处理方法包括物理清洗、化学清洗、膜材料改性等。物理清洗控制膜污染的技术可以被应用于低压膜的水垢处理，通过该技术的应用可以有效提升膜的水通量。现阶段，较为常用的物理清洗控制方法包括水力反冲洗、超声波清洗、机械清洗等方法，其中物理清洗方法是一种可重复、稳定性较高的膜污染处理方法，可以在规模工业中有效实施，并且这一技术具有较高的环保性。化学清洗控制膜污染技术可用于处理膜上污垢较为坚韧的部分，在实际应用过程中，主要是利用化学试剂与污染物中的一些成分发生化学反应，使污染物从膜表面脱离，从而达到提升膜渗透量的目的。现阶段，化学清洗是一种极为常用的方法，在使用过程中，既可以用化学清洗液替代进料废水，对膜表面的污染物进行处理，也可以将膜从设备中取出，在场外通过化学药剂浸泡的方式，清除其表面的污染物。由于物理、化学清理方法主要是对膜表面附着的污染物进行清理，多次使用还可能损害膜的性能。为切实提升膜的抗污染性，可以通过优化膜材料的性质，降低废水中杂质在膜表面凝结的可能性。具体来说，在进行膜材料改性的过程中，可以通过适当优化膜表面的亲水性、疏水性、电荷排布情况，并适当在膜表面添加一些抗菌功能团的方式，在不影响膜本身性质的同时，降低污染物在膜表面汇集的可能性。

3.3 膜蒸馏技术在低放射废水处理中的发展趋势

近年来，膜蒸馏技术的优势已经在低放射性废水研究工作中得到了人们的广泛关注，在废水的实际处理过程中，若膜蒸馏技术能够得到有效应用，那么就可以大大缩小废水处理工艺末端设备的体积，有效实现废水中有害物质的最小化处理。在现阶段，为了进一步扩大膜蒸馏技术的应用范围，膜蒸馏技术的主要研究方向可以分成两方面，一方面是将膜蒸馏技术与其他膜技术以及传统废水处理技术流程进行融合，进一步提高废水中杂质的截留率，提升浓缩倍数；另一方面则是要进一步加强对膜蒸馏技术的研发，使膜蒸馏技术的机械性能、化学稳定性、抗污染性、抗润湿性等方面的性能得到有效提升。