正渗透处理模拟印染废水的性能研究

2024-01-16刘旭东孔喜鑫梁异璞赵阳于涛铭

辽宁化工 2023年12期

刘旭东，孔喜鑫，梁异璞，赵阳，于涛铭

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168）

我国是纺织业大国，纺织业废水是我国废水污染物的主要来源之一，据《2020 年中国生态环境统计年报》报导，纺织业的化学需氧量、氨氮、总氮、总磷等污染物排放量均占全国42 个工业企业的前三名。而印染行业是纺织业最重要的组成部分，印染废水及其污染物排放量占纺织业的70%～80%[1-3]，是纺织业污染物的主要来源。印染废水整体成分复杂，色度高，有毒物质含量高，属于复杂的、毒性强的有机废水[4-9]。因纺织印染所用的面料、工艺不同，印染种类、用量和助剂也不同，从而影响印染废水的成分和水质。因此，印染废水处理技术应结合不同的水质不同的工艺阶段采取不同的处理技术。现阶段主要的印染废水处理方法有物理处理技术、化学处理技术和生物处理技术等。但是由于印染过程中所选的染料、助剂等各不相同，废水水质波动较大，这使得传统的生物处理技术很难对印染废水进行有效处理。

正渗透技术是利用正渗透膜两侧的渗透压差为驱动力，使水分子自发的从原料液（高化学势）进入汲取液（低化学势）中，污染物被截留在膜的一侧，达到分离污染物和水的技术。正渗透技术具有能耗低、膜污染轻、污染物分离效率高等优点[10-13]，这使得正渗透技术在难生物处理废水的处理中具有良好的应用前景。目前，正渗透技术主要应用在海水淡化、工业废水处理、垃圾渗滤液处理等领域。使用正渗透技术处理印染废水可以加大水资源的回收利用效率，减少水资源消耗，提高印染废水的处理能力，减少印染废水对环境污染。

1 实验材料与方法

1.1 实验药品与仪器

NaCl 为分析纯，购自天津市科密欧化学试剂有限公司生产。活性染料（X-3B）、分散染料（3B 100%）购自浙江长征化工有限公司。精确称量58.44 g NaCl，配置成1 mol/L 的NaCl 溶液做汲取液。各称量50 mg 染料，配置50 mg/L 的模拟印染废水溶液。

本实验所用仪器见表1。

表1 主要实验仪器

1.2 实验方法

1.2.1 正渗透实验

实验装置图如图1 所示，FO 膜的有效面积为10 cm2（2.5 cm×4 cm），膜材料为聚酰胺复合膜（国初科技（厦门）有限公司），FO 模块两侧的腔体体积为10 cm3（长4 cm，宽2.5 cm，深度1 cm），其中原料液和汲取液在各腔内沿相同流向循环，水流流速由两个蠕动泵控制，流速为0.5 L/min，汲取液置于电子天平上以读取汲取液的质量变化。实验中两侧的温度由恒温水浴锅控制，汲取液（DS）为1 L的1 mol/L 的NaCl 溶液，原料液（FS）为1L的模拟印染废水，运行时间为4h。

图1 正渗透实验装置图

水通量是评价膜通量性能的重要指标。它指的是单位时间内单位膜面积可传输的水量。通过精密天平称量汲取液的质量，前30 min 每5 min 记录1次汲取液的质量，后210 min 每10 min 记录1 次汲取液的质量。水通量按照公式（1）计算。

式中：JW—水通量，L/(m2·h)或LMH；

mt、m0—t、0 时刻汲取液质量，g；

A—正渗透膜的有效膜面积，1×10-3m2；

Δt—两次测量时间间隔，h；

ρ—水的密度，即1×103kg/m3。

本实验选取COD 和色度作为模拟印染废水中主要的测定指标，用重铬酸钾法测定COD，用色度仪测定色度。计算正渗透工艺对COD 和色度的截留效率由截留率R表示。截留率通过公式（2）计算。

式中：R—截留率，%

CF—原料液中初始污染物浓度，mg/L；

CD—原料液中运行后的污染物浓度，mg/L。

1.2.2 膜污染恢复实验

膜污染是正渗透水通量变化的重要影响因素，针对膜污染的种类进行合适的清洗，可以得到更高的水通量恢复率。本实验采用超声清洗，即在实验结束后将膜片拆下，放入去离子水中，使用超声清洗仪对膜片进行清洗，清洗之后的膜片放入膜组件，在相同条件下进行正渗透实验，测定清洗前后水通量的变化。水通量恢复率FRR（%）通过公式（3）计算。

式中：JW1—第1 次正渗透实验前的初始水通量，L/(m2·h)；

JW2—进行膜清洗后的初始水通量，L/(m2·h)。

2 实验结论

2.1 染料类型对正渗透性能的影响

纺织印染行业染料有很多的各类，每种染料的物理、化学性质都不同，针对不同类型的染料正渗透处理性能也不同。本实验选择活性染料和分散染料配置模拟印染废水为原料液，以1 mol/L 的NaCl溶液为汲取液，在25 ℃时进行正渗透实验，探究不同种类模拟印染废水对正渗透性能的影响。由图2（a）和（b）可知，AL-FS 模式下活性染料初始水通量为14.79 L/(m2·h)、分散染料为14.98 L/(m2·h），AL-DS 模式下为17.82 L/(m2·h)和17.97 L/(m2·h)，活性染料的初始水通量低于分散染料。而平均连续运行4 h 时的平均水通量活性染料印染废高于分散染料，这可能是因为活性染料为水溶性染料，相同质量浓度的活性染料可以提供较大的渗透压，使有效渗透压差降低，初始水通量较小。随着实验的进行，由于分散染料水溶性较差，其更容易在膜表面形成滤饼层，降低FO 膜的透过性，从而降低水通量。活性染料因为其为水溶性染料，所形成的膜污染较轻，对水通量的影响较小。水通量的变化率实验开始时较大，随着实验的进行变化趋于平稳，这是由于实验过程中的膜污染是一个由轻到重的过程，实验后期污染层基本形成，对水通量的影响减小，水通量趋于稳定。

由图2（c）和（d）可知活性染料印染废水的污染物截留率低于分散染料，这是由于水溶性的活性染料更容易通过正渗透膜，污染物截留率降低。活性染料与分散染料在AL-FS 模式下得截留率相差不大（COD：0.4%; 色度：0.2%），而在AL-DS 模式下截留率相差较大（COD：4.1%；色度：3.7%），AL-FS 模式时活性层朝向原料液FO 膜可以有效的截留污染物，两种染料的截留率都很大。而AL-DS模式时，多孔支撑层朝向原料液FO 膜对污染物的截留率降低，但是由于分散染料水溶性小难以通过FO 膜，造成两种染料的截留率相差较大。

2.2 膜朝向对正渗透性能的影响

FO 膜为非对称膜，由致密活性层和多孔支撑层组成，因此FO 膜具有两种不同的操作形式，即活性层朝向原料液（AL-FS）以及活性层朝向汲取液（AL-DS）两种操作形式。当汲取液为1 mol/L 的NaCl 溶液，原料液为模拟活性染料废水，溶液温度为25 ℃时，探究两种操作模式下水通量随时间变化趋势见图3（a）。

图3 膜朝向对FO 性能的影响

由图可知，两种模式下的水通量均随着时间的增加而下降。AL-FS，初始水通量14.79 L/(m2·h)低于AL-DS 模式17.82 L/(m2·h)，这可能是浓差极化现象导致的。浓差极化现象分为外浓差极化现象（ECP）和内浓差极化现象（ICP）。内浓差极化（ICP）现象发生在多孔支撑层内部，极大地降低了膜两侧的渗透压驱动力，从而降低水通量，ICP 现象可降低80%以上水通量。AL-FS 模式下，发生的是稀释性ICP 和浓缩型ECP，而AL-DS 模式下，发生的是浓缩型ICP 和稀释性ECP，浓缩型ICP 具有较大的有效渗透压差，AL-FS 模式的初始水通量低于AL-DS[14]。连续运行4h 后AL-FS 水通量减小率（2.9%）明显低于AL-DS 水通量减小率（7.2%），这可能是由于随着时间的发展原料液中的污染物在膜上的膜污染造成的。由于AL-DS 模式原料液朝向多孔支撑层，更容易形成膜污染，使有效渗透压降低，水通量降低更明显。

图4 温度向对FO 性能的影响

2.3 温度对正渗透性能的影响

温度是影响正渗透性能的重要因素，以1 mol/L的NaCl 溶液为汲取液，以模拟活性染料印染废水为原料液，AL-FS 模式下，分别在15 ℃、25 ℃和35 ℃，进行正渗透实验，比较不同温度下正渗透水通量及污染物截留率变化。由图（4）可知，随着温度的升高正渗透水通量呈现上升趋势，根据范式公式随着温度的升高，溶液的渗透压升高，导致水分子更容易从原料液测进入汲取液，使正渗透水通量不断升高。污染物截留率随着温度升高而下降，反向溶质通量随着温度的升高而升高，这可能是由于溶液温度升高导致分子运动速度加快，分子运动更加活跃，污染物和汲取质透过FO 膜进入对向溶液当中。

2.4 膜清洗对正渗透性能的影响

膜污染现象是膜技术应用中不可避免的，FO技术以溶液两侧的渗透压差为驱动力，不需要外加压力，膜污染较轻，并且由于不需要外加压力，膜表面形成的较为疏松不紧密，可以使用物理清洗去除。超声清洗技术是利用超声波在液体中的空化作用、加速作用和直进流作用对液体和污染物直接、间接作用，使污染物层被分散、乳化、剥离从而达到清洗目的。将连续运行4 h 后的正渗透膜片取下，放入去离子水中放入超声波清洗机清洗20 min，清洗后的膜放入模组件中，按相同条件进行正渗透实验，测试初始水通量，水通量恢复率见图5。通过超声清洗后，AL-FS 模式下得通量恢复率为94.3%，AL-DS 模式下为91.2%，清洁效果较好。两种模式下得水通量恢复率存在一定的差距，是因为AL-DS模式下污染物进入多孔支撑层中，堵塞支撑层空隙，而AL-FS 模式膜污染只发生在活性层的表面更容易通过超声清洗去除。