动态陶瓷膜处理PVA退浆废水的工艺
摘要：用陶瓷膜处理含PVA退浆废水，研究操作压差、错流速度、温度等操作条件对膜通量的影响，确定合适的工艺．在此操作条件下，处理废水完全达到排放标准，且PVA得到浓缩．
关键词：动态陶瓷膜；微滤；PVA；废水处理
目前，可持续发展是人类共同面对的一个重大课题，每个国家每个行业都在探寻着适合自身情况的可持续发展的措施和方法．在纺织行业中，废水处理对于很多中小型印染厂来说都是一个十分棘手的问题．国外有些先进的污水处理设备，效果很好，可是需要投资大，能耗多，这对于中小型印染厂来说只是有心无力，毕竟在他们看来工厂的经济效益还是为先的．所以如何对这些废水进行有效的回收和利用，找到成本低廉、技术可行、易于推广的资源回收技术，关系到国民经济与生态环境的可持续发展，成为纺织行业乃至各个行业共同关注的焦点．
我国在棉织物上浆(棉织物在织造前要上浆，染色前需退浆)时所用的浆料很大部分是聚乙烯醇，即PVA．在退浆这一环节中，含PVA的退浆废水的排放对环境构成很大的危害，通常一个印染厂的退浆废水水量只占总废水量的3 ，但是COD(化学耗氧量)却达N4 000 rrcJL甚至10 000 m L，正是由于退浆废水的存在使废水的总COD超标，达不到排放标准，且高浓度的含PVA退浆废水很难用生化法降解．本文研究动态陶瓷微滤膜处理含PVA退浆废水的膜分离特征，考察操作压差、错流温度、速度等操作条件对膜通量的影响，在保证截留率，达到国家排放标准的前提下，尽量提高膜通量，为进一步的工业放大设计提供基础数据．
1 实验
1．1 实验装置及流程
本实验采用动态陶瓷膜实验装置，流程如图1所示．陶瓷管：购自浙江长兴，其平均外径为1．3 cm，平均内径为0．7 cm，表面平均孔径为2μm．粉体材料：所用Zr02粉末购自华东理工大学，平均粒径在1 μm以下．
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1．2 动态陶瓷膜的建立
未经涂膜的陶瓷管由于其孔径比较大，对PVA分子的拦截效果较差．参考相关资料设定上膜时Zr02浓度，在加压的条件下回流[1]，使得Zr02粉末能够附着于陶瓷管的细孔中，从而实现有效的涂膜．在此条件下制得Zr02动态陶瓷膜，孔径分布在0．5～ 1．0 μm．
1．3 料液
本实验所用料液为上海第二印染厂退浆工艺所产生废水．由表1可见PVA分子平均粒径在500 nm左右．
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2 结果与讨论
2．1 操作压差对膜通量的影响
对于压力推动的膜过滤过程，操作压差将直接影响膜通量，无机膜过滤过程中存在一临界压力，在临界压力之下，操作压差与膜通量呈正比关系；在临界压力之上，由于浓差极化等因素的影响，过滤压差与通量不再存在线性关系，而且操作压差对通量的影响不大，前者为压力控制区，后者为质量传递控制区．[2]
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图2(操作条件：40℃ ，0．25 m／s)为不同压差下膜通量随时间的衰减曲线．由图中可以看出，随着压差的增大，膜通量也增大，但其衰减也较快，这是由于压差增大，一方面使传质推动力增大，另一方面使PVA颗粒在膜孔或膜表面沉积，使传质阻力增大．当压差继续增大到一定程度，会在此压差下形成凝结层，出现物质传递控制，这时通量与压力无关．一般选择这样一个临界的压力作为最佳处理条件，但由于PVA颗粒本 粒径较小，在较高压差下截留率明显变低，当压力达到40 kPa时，已不能达到排放标准，要通过提高陶瓷管质量来改进．
2．2 错流速度对膜通量的影响
膜面错流速度的大小主要取决于原料的性质(黏度、颗粒含量等)和膜材料机械强度．[3]一般认为，较高的剪切速度有利于带走沉积于膜表面的颗粒、溶质等，减轻膜污染，因而可以有效地提高膜通量[4]，而且提高错流速度还有利于减轻浓差极化的影响，但也有研究结果表明，错流速度过高也会带来一些弊端．
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由图3(操作条件：40℃ ，20 kPa)可以看到，流速较低时，膜通量衰减较快，而流速增大时，通量下降幅度较缓慢．这是由于流速增大，膜表面剪切力增加，使膜表面沉积的颗粒被带走，减小了凝胶层厚度，并减小了浓差极化的影响，而流速较低时则相反．当流速增加到一定程度时，膜通量衰减不是很明显，考虑循环量以及能耗，选取0．25 m／s的流速比较合适．
2．3 操作温度对膜通量的影响
一般情况下，温度的升高会使溶液黏度下降，悬浮颗粒的溶液度增加，传质扩散系数增大，可以促使膜表面溶质向主体运动，减薄了浓差极化层，从而提高过滤速度，增加膜通量．不过，提高温度也会使能耗上升，增加操作成本；而对于性质随温度变化明显的体系，温度的影响就显得相当复杂．
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由图4(操作条件：0．25 m／s，20 kPa)可以看到随着温度的升高，膜稳定通量不断提高，提高幅度有逐渐变小的趋势．由于PVA分子粒径非常小，之所以可以用孔径不是很小的微滤膜拦截，很大原因可能是由于PVA分子溶于水后在水中有胶联、团聚现象，从而使其作为一个整体可以被拦截下来．温度升高，溶液内分子的活动加剧，有阻碍形成大颗粒的趋势，对PVA的拦截影响较大，实验证明当温度高于40℃时，滤出液CODe 超过国家相关废水排放标准．
3 动态陶瓷膜处理废水效果
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表2显示，废水经过处理(操作条件：20 kPa，0．25 m／s，40℃)后，滤出液的CODer值小于180 mg／L，达到国家有关纺织染整工业污染物的二级排放标准，能耗达到每处理1 t退浆废水低于3 kw时，残留液被浓缩，其PVA浓度最高可达原废水的7倍，可用作涂料、黏合剂等．
4 结论
(1)采用1舯以下Z 动态陶瓷膜处理含PVA退浆废水．增大操作压差可以提高通量，但由于PVA粒子较小，压力过大时容易挤压而进入膜管内，影响截流率和膜的性能．错流速度对膜通量的影响比较复杂，在流速不是很大时，膜通量随速度的增大而增大，但当流速增大到一定值后，由于剪切力过大、料液在膜管中停留时间过短及膜管内压降大等因素，膜通量随流速变化很小．温度对膜通量影响显著，温度升高可明显提高膜通量，但温度的提高对PVA溶液的性质影响也很大，要综合考虑．在本试验中，处理含PVA退浆废水的最佳工艺条件：压力20 kPa，错流速度0．25 m／s，温度40℃．
(2)在此条件下处理原废水，滤出液的CODc值小于180 mg／L，达到国家有关纺织染整工业污染物的二级排放标准，且PVA可浓缩回收利用，膜的稳定通量按近40 L·(m2·h)-1要想进一步提高膜通量，需要对陶瓷微滤膜加以改进．
参考文献
[1] 徐寅汇，武小鹰，吕少虹，等．动态陶瓷膜的制备及应用研究[J]．水处理技术，2003，29(3)：134—136．
[2] LEES，AURELLE Y，ROQUES H MD．brane Tech in Wastewater Treatment[J]．JIV~nbrSci，1984，19：23．
[3] CHERYAN~L Ultrafiltration Handbook[M]．Lancaster：Technomic Publish Co，1986．
[4] 徐南平，邢卫红，赵宜江，等．无机膜分离技术与应用[M]．北京：化学工业出版社，2003：89—103
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