南通生产废水处理方法 工艺指导

高盐废水中的乙腈处理难度大，迫切需要高效的新技术。近年来，生物处理、电解、化学氧化等都应用于低浓度乙腈废水的处理。这些技术有些需要添加新的试剂，处理费用高，难以实现乙腈的回收利用。

渗透汽化（Pervaporation，PV）是用于液体混合物分离的一种新型膜技术，是目前膜分离领域的研究热点之一。渗透汽化的分离原理是，具有致密皮层的渗透汽化膜将料液和渗透物分离，料液侧（膜上游侧或膜前侧）维持常压，渗透物侧（膜下游或膜后侧）则通过抽真空的方式维持低压。料液中各组分扩散通过膜，并在膜后侧汽化为渗透物蒸汽。一方面能浓缩有机物，净化水体；另一方面，系统封闭运行，没有挥发性有机物的排放。该技术越来越受到重视。

渗透汽化技术已用于多种挥发性有机物废水的处理。如苯乙烯、丙酮、丁醇、甲苯、三氯乙烯、乙醇等。在高盐化工废水中乙腈的渗透汽化处理回收未见报道。

1、实验部分

1.1 实验废水水质

采用实际废水进行实验，生产废水的指标见表2。

1.2 实验材料和仪器

PDMS渗透汽化膜，膜面积为303cm2；贮液瓶，600～1500mL；乙腈，分析纯，循环泵，BT00－600M，AUY120分析天平，气相色谱仪；

1.3 实验装置和方法

渗透汽化的工艺流程如图1所示。

实验方法：量取体积为V的废水置于贮液瓶中，启动蠕动泵，开始循环料液，使料液的温度和浓度趋于均匀，料液经膜组件返回贮液瓶。取水样，测定料液的乙腈浓度。将渗透液收集管用电子天平称重后，装入冷阱中，再安装到管路上，连接真空管路。当料液的温度恒定后，开启真空泵，打开真空泵阀门，观察系统的真空情况；待真空管路的压力达到预定值时，装上液氮冷却装置，开始进行渗透汽化实验，读取开始时间，料液温度、渗透侧压力等数据。达到预定的实验时间t后，关掉真空泵，立即取下冷凝管，塞好塞子，放在室温条件下，待产品融化后，称重。结束后分析截留液侧乙腈浓度和透过液的浓度。

渗透汽化膜的性能通常由分离因子（α）和渗透通量（Ji）来表征：

式中，α为分离因子；xo与yo分别为截留液和透过液中乙腈的质量分数；xw、yw分别为截留液和透过液中水的质量分数；Ji为i组分的渗透通量，g／（m2•h）；mi为一定时间内的透过液质量，g；Am为膜面积；t为取样时间。

总传质系数可由式（3）计算：

式中，Kov为总传质系数，m／s；C0、C分别为初始及t时刻料液浓度，mg／L；V为料液的体积，m3；A为膜面积，m2。

1.4 分析方法

渗透液和截留液中的乙腈浓度采用顶空气相色谱法测定分析。

2、结果与讨论

使用不同浓度的乙腈废水，研究了料液的浓度、温度等因素对膜性能的影响。

2.1 料液浓度的影响

在温度为40℃的条件下，使用不同乙腈浓度的液体进行渗透汽化实验，初始的料液浓度为2945～36066mg／L。由图2的实验结果可以看出，料液中乙腈的浓度随时间而下降。

图3显示了乙腈质量浓度在2945～36066mg／L变动的条件下，ln（C0／C）～t的关系，结果表明直线线性相关系数较高，R2＞0。97。由图中斜率可计算得到总传质系数Kov的值，结果见表4。Kov和废水中的乙腈浓度之间没有明显的关系。

图4为渗透液中的乙腈浓度随料液乙腈浓度的变系关系。由图4可知，在相同的实验条件下，进料液中的乙腈浓度越高，渗透液中的乙腈浓度也越高。渗透液中的乙腈浓度可达到进料乙腈浓度的12倍以上，废水中的乙腈质量浓度为12327mg／L时，渗透液中的乙腈质量浓度为200000mg／L以上；废水中乙腈质量浓度36066mg／L时，渗透液乙腈质量浓度达到460000mg／L以上。

图5是渗透液中的乙腈通量、水通量和总通量与进料液中乙腈浓度的关系。总通量和乙腈通量都随乙腈浓度的增加而增加。因废水中的乙腈浓度增加，废水透过膜的推动力增加。但水通量的变化趋势与此不同，显示先上升而后下降。由图5中可以看出，进料液初始乙腈浓度增加，透过膜的水通量开始随着乙腈浓度的增加而增加，当浓度高于15000mg／L，水通量随着乙腈浓度增加而下降。因水分子间的氢键引起的团聚作用，会降低扩散性和渗透性能。

图5还显示了乙腈浓度对分离因子的影响。分离因子随乙腈浓度的增加变化不大。分离因子约为24，说明膜对乙腈的渗透汽化分离性能较好。

2.2 料液温度的影响

对于浓度为16852mg／L的废水，改变温度为18～55℃，废水中乙腈浓度随时间的变化趋势见图6。ln（C／C0）随时间呈现线性变化，斜率随着温度升高而增大，总传质系数随温度升高而增大。

渗透液中的乙腈浓度与温度的关系见图7。渗透液中的乙腈浓度随着温度的升高而下降。由于温度升高，水蒸汽透过量大幅度提高，导致乙腈浓度下降。温度由18℃升高到55℃，乙腈质量浓度由300000mg／L降到220000mg／L。

图8显示了渗滤通量和料液温度的关系。由图8可知，总渗透通量随着料液温度的增加呈现指数形式的增长，乙腈的渗透通量和水的渗透通量也呈现相同的趋势。乙腈的分离因子与温度的关系见图8。温度升高，聚合物链间的热运动尺度和频率加剧，膜聚合物的自由体积增大，为分子扩散提供了更大的空间，自由体积增大会导致分离性能的下降。随着温度的升高，总的渗透通量升高，乙腈的分离因子下降。

2.3 盐浓度对渗透汽化效果的影响

控制废水的料液温度为40℃，改变废水中的无机盐浓度为5％～20％（质量分数），渗透汽化效果与盐浓度的关系见图9。

废水中盐浓度对渗透汽化有重要的影响。如表6所示，随着盐浓度增加，乙腈的总传质系数增加。盐的存在增加了料液的黏度和密度，导致传质速率减慢。如图10所示，总通量和水通量随盐含量增高而下降，渗透液中乙腈浓度随盐含量增加而升高。分离因子增加。与文献结果类似，盐浓度增加导致水通量的下降和分离因子的增加。

废水的含盐质量分数为20％的时，渗透液中的乙腈质量浓度可达到300000mg／L以上。废水的含盐质量分数为20％，可作为较佳的工艺条件。盐可能会在膜表面结晶造成膜污染，如图11所示。

3、结论

通过采用渗透汽化法分离高盐乙腈废水的研究，发现PDMS渗透汽化膜能回收化工废水中的乙腈；渗透通量可达到353g／（m2•h）以上，分离因子大于20。在一定温度下，随废水中的乙腈浓度增加，渗透汽化的总通量增加，乙腈通量也线性增加。对于初始浓度为36060mg／L的废水，收集得到的渗透液中乙腈质量浓度可高达470000mg／L以上。温度升高能提高渗透汽化的通量，但渗透液中乙腈的浓度和分离因子均呈现下降的趋势。废水中的含盐量提高，可以提高分离因子和渗透液中乙腈的浓度。温度40℃，含盐质量分数20％为较佳的渗透汽化工艺条件。渗透汽化工艺为该废水的处理和资源化展现了良好的前景，后续的研究还应关注工艺运行的稳定性和膜污染问题。