无机陶瓷膜处理冷轧乳化液废水
来源：江苏久吾高科技股份有限公司 阅读：2919 更新时间：2009-08-13 13:431 前 言
在钢铁厂，为了消除带钢冷轧时产生的变形热，常以乳化液作润滑、冷却剂。乳化液主要由20%的矿物油或植物油、乳化剂和水组成。由于乳化液因水分受热蒸发，使盐含量增加、稳定性降低，也会因氧化或细菌作用而变质，所以要连续排出一部分老的乳化液，补充新的乳化液，一般使用2-3个月就要全部更新。在排放以前需经过一定的处理，以除去废水中油类物质。一般的治理方法有化学法、物理法、加热法和机械法等，当前使用最多的是化学法和膜分离法。
化学法治理的主要缺点是消耗大量的化学药剂，并难以达到理想的破乳效果，且产生新的含油污泥。膜分离方法主要是通过膜对油滴及悬浮粒子的有效截留，而达到油水分离的目的。具有出水水质好、操作方便、占地面积小、不产生新的污泥等优点。高分子膜在此方面已有了较多的研究和应用。但由于其材料本身的限制，对于膜污染的控制手段、膜清洗的方法等方面均受到一定的限制，主要表现为通量较低以及出水的油含量难以稳定。与有机膜相比，无机陶瓷膜由于其具有较高的通量、优异的机械性能和良好的截留能力及耐酸碱、耐有机溶剂、清洗方便、使用寿命长等突出优点，已日益显示出其极强的竞争力，成为乳化液废水治理有发展前景的方法之一。如Bansal等用动态氧化锆膜对各种类型的乳化液废水进行了处理，以及Behave and Fleming使用氧化铝膜在此领域也进行了一些研究工作，得出了一些规律。但由于各应用体系的特殊性，仍需对特定的体系研究主要的操作参数对过滤性能的影响，以确定适当的操作条件。本文采用国内已工业化生产的陶瓷微滤膜处理钢铁厂乳化液废水，以得到合适的膜操作参数和清洗条件，为陶瓷膜在此领域的进一步工业应用提供依据。
2 实验部分
2.1 原料液性质
料液由某钢铁厂提供，主要由一些阴离子型表面活性剂、矿物油、水及一些其他杂质组成，呈灰色，pH为6-7左右，性质较为稳定，油含量为5g/L。
2.2 实验流程
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实验采用错流过滤的操作方式，流程如图1所示。料液在储槽内经泵输运通过流量计，进入膜管，在操作压差的推动下，料液在膜表面进行渗透，进入渗透侧，截留液返回储槽。
2.3 分析方法
对于油含量的分析，原料液采用重量法，石油醚萃取；渗透液采用非分散红外法FOMA2300油分仪(佛山分析仪器厂)。
3 结果与讨论
3.1 膜的选择
本实验采用0.2μm的氧化铝和0.2μm氧化锆膜进行实验。操作条件：温度为12℃，操作压差0.1MPa，膜面速度7m/s，通量结果如图2所示。由图中可以看出，氧化锆膜通量明显高于氧化铝膜，这是因为氧化锆表面强极性的作用，使油对膜的粘附功小，油滴不易吸附在膜的表面，减少了膜孔的堵塞及膜表面油滴的吸附，从而改善了膜的污染情况，使得氧化锆膜较氧化铝膜的渗透通量高。许多研究者发现在膜过滤的过程中，过滤的机理并不是单纯的由孔径控制[7]。如膜表面与颗粒的亲合力，膜表面对颗粒的吸附等因素，在过滤中也起着重要的作用。对于渗透液油含量的分析结果，两种膜过滤的渗透液油含量均小于10-2kg/m3，达到国家排放标准。由此可见，0.2μm的氧化锆膜无论是初始过滤通量还是稳
定过滤通量均高于氧化铝膜，且渗透液的含油量达到国家排放标准。因此采用0.2μm的氧化锆微滤膜对冷轧乳化液废水处理较为优越。
3.2 操作条件的确定
3.2.1 操作压差对过滤性能的影响
过滤压差ΔPt=(P1+P2)/2-P3，即膜管入口和出口的平均压力与渗透侧的压力之差，为传质过程的推动力，是影响膜过滤性能的重要因素之一。图3是各操作压差下，膜过滤基本稳定时的通量。对于纯水过滤，ΔPt与通量成正比关系；而对于乳化液废水，则存在一个临界操作压差，即在临界压力范围以内，属压力控制区，一般是过滤通量随操作压差增大而增大；超过临界操作压差后，操作压差增大，传质阻力增大，操作压差对通量的影响则不明显，表明了在膜表面开始形成凝胶阻力层。同时操作压过高，容易把油滴挤入膜孔内，从而引起膜孔堵塞，过滤层孔径减小，因此膜污染的程度加重。从图3中可以看出曲线上的趋势在0.15-0.20MPa左右通量变化比较缓慢，故操作压差为0.2MPa以下较合适。
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3.2.2 膜面速度对过滤性能的影响
在陶瓷膜过滤液体的应用中，一般采用错流过滤的作用方式，由于流体剪切力的作用，可以减少膜表面的沉积和浓差极化的影响。对于含颗粒体系，膜面速度对过滤性能的影响与颗粒的粒径分布、料液的浓度及料液的流体力学性质有关。一般认为膜面速度增大，膜通量提高。但是膜面速度的增大意味着能耗的增加。因此，对于膜面速度对过滤性能的影响的研究很有必要。本文在温度为12℃、ΔPt为0.1MPa时对不同膜面速度对过滤性能的影响进行了研究。
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由图4可以看到流速增大过滤通量有所上升。这是由于流速增大，膜管内流体的剪切力增大，带走膜表面的油滴越多，减小了凝胶层的厚度，即减小了过滤的阻力。但流速的提高意味着能耗的增大。综合考虑膜面速度对通量、能耗的影响，可以得出：膜面速度一般在57m/s较为适宜。
3.2.3 温度对过滤性能的影响
温度对过滤过程的影响比较复杂。温度上升，渗透液的粘度下降，扩散系数增加，减少了浓差极化的影响。但温度上升会使料液的某些性质改变。如会使料液中某些组分的溶解度下降，使吸附污染增加[9]。温度的改变也会影响膜面及膜孔与料液中可引起污染的成分的作用力，这些都会影响过滤的性能。对于本实验体系料液的主要成分是油滴、表面活性剂、水及其它一些杂质。温度对过滤通量的影响主要是温度对液体粘度的影响、温度对料液中油滴粒径分布及油滴与膜表面作用力的影响。图5的操作压差为0.1MPa、膜面速度为7m/s，不同温度下膜通量随时间的衰减曲线。可以看出温度与过滤起始通量的影响较为显著。这主要是粘度的改变所致。但是膜通量在高温下的衰减较为迅速，随着温度的升高，膜通量下降幅度增大，尤其是温度上升到45℃时，稳定时通量较35℃时小。因此，可以认为，温度升高，虽然渗透液的粘度减小，并可以改善浓差极化的影响，有利于提高膜通量。但另一方面，温度升高，使膜孔及膜表面对料液中可引起污染的组分的作用力改变，降低了膜通量。温度在35℃以下时，前者的影响起主要的作用。温度继续升高，后者的影响逐渐增大。因此较为适合的操作温度应在35℃左右。
3.3 膜的清洗
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对于含油废水体系，主要污染源为油污以及一些无机离子的沉积或吸附，选用表面活性剂和硝酸对膜进行清洗。表面活性剂可以除去膜表面及膜孔内的油污等有机物，而硝酸则可以去除一些无机离子。图6为250mol/m3的硝酸与4kg/m3的表面活性剂在常温下依次对膜清洗20分钟，多次清洗膜水通量的恢复情况。在0.1MPa的操作压力下，新膜的水通量为0.35m3(m2·h)-1左右，用过以后每次清洗的通量基本上恢复在0.280.30m3(m2·h)-1之间。在过滤的过程中逐渐增加操作压力，以加速膜的污染，当通量降至0.07m3(m2·h)-1左右时，对膜进行清洗，可以看出清洗后膜的过滤能量仍有较好的恢复。
3.4 与其它膜处理结果的比较
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表1给出的无机膜与有机膜对冷轧乳化液的处理结果，可以看出，本实验采用的氧化锆膜在处理乳化液废水的过程中无论是过滤通量还是渗透液油含量均具有较好的效果。
4 结 论
通过对陶瓷膜处理冷轧乳化液废水的处理过程进行研究，得出以下结论：
1.对于冷轧乳化液废水的处理，采用氧化锆膜较氧化铝膜有较高的通量，并能保证一定的截留率，透过液油含量可小于10-2kg/m3，达到国家环保排放要求；
2.通过对工艺条件的研究，认为较为合适的操作参数为：操作压差在0.2MPa以下，膜面流速宜选在57m/s，温度应在35℃左右；
3.表面活性剂及硝酸的清洗可以基本上恢复膜的通量，膜再生具有良好的重复性。
