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        廢棄反滲透膜的綜合利用研究進展

        2020-11-27 04:10:48王豐愷張玉忠趙莉芝辛清萍
        山東化工 2020年21期
        關(guān)鍵詞:聚酰胺超濾膜脫鹽

        王豐愷,葉 卉,張玉忠,趙莉芝,辛清萍,李 泓

        (天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室,天津 300387)

        反滲透(RO)膜是由模擬生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜,是反滲透技術(shù)的核心部件。由于其分離性能好、厚度薄、耐壓高等優(yōu)勢,已廣泛應(yīng)用于海水淡化、脫鹽、廢水處理與濃縮分離等領(lǐng)域,同時在電力、食品飲料、制藥、化學(xué)、石油等行業(yè)中得到大量應(yīng)用,創(chuàng)造了巨大的社會經(jīng)濟效益。據(jù)統(tǒng)計,每年4英寸和8英寸的RO膜元件銷量約八十多萬支,其中卷式RO膜約占3/4[1]。然而,隨著反滲透市場不斷增多,每年約有數(shù)十萬支RO膜元件因性能下降而被棄用,產(chǎn)生了大量RO膜廢棄物,此舉不僅造成資源浪費,同時也對自然環(huán)境產(chǎn)生了破壞。因此,為促進反滲透技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展,對膜元件廢棄物進行再利用已成為國內(nèi)外研究的新熱點。本文綜述了國內(nèi)外有關(guān)廢棄RO膜的綜合利用的研究進展,包括分級循環(huán)利用、修復(fù)再生利用、系列膜轉(zhuǎn)化應(yīng)用、膜材料轉(zhuǎn)化應(yīng)用等方面。

        1 分級循環(huán)利用

        類似的,Lawler等[3]在反滲透裝置中,將性能下降的RO膜逐漸替換至高產(chǎn)率位置,當高截留率的RO膜插入壓力容器的上游位置時,同時移除容器末端性能降低的RO膜,從而實現(xiàn)RO膜的循環(huán)利用。

        Madaenia等[4]為了降低反滲透工廠中的生物污染,對組件中RO膜分配進行設(shè)計,將不同污染程度的RO膜進行逐級替換,從而實現(xiàn)RO膜的循環(huán)利用,如圖1所示,該方案可有效降低滲透電導(dǎo)率和壓差,并延長膜的使用壽命。

        圖1 反滲透裝置中RO膜逐級替換方案

        2 修復(fù)再生利用

        將廢棄的RO膜清洗后,經(jīng)過一系列化學(xué)或物理方法處理,有望使RO膜的基本性能得以恢復(fù),從而實現(xiàn)RO膜的修復(fù)再生。

        辛永光[1]研究了一種反滲透膜元件的再生方法與裝置,對廢棄的RO膜元件進行修復(fù),先將廢棄反滲透膜元件裝在反滲透裝置中,將藥液裝入后開啟相應(yīng)的閥門使藥液在循環(huán)管路中流動,藥液經(jīng)過濾器過濾后進入反滲透裝置對廢棄RO膜元件進行循環(huán)清洗處理,經(jīng)純水沖洗后,再對其進行氧化劑的循環(huán)浸泡改性處理,最后對其用多元胺溶液循環(huán)涂覆處理。修復(fù)后的膜鹽截留性能高于納濾膜,脫鹽率介于納濾和反滲透之間,再生RO膜滲透性能基本得到恢復(fù)。

        江海[5]將廢棄的RO膜經(jīng)拆解清洗,膠帶纏繞,又經(jīng)十二烷基苯磺酸(SDBS)、次氯酸鈉(NaClO)表面處理,得到再生膜。分別從產(chǎn)水量和脫鹽率等方面對再生RO膜進行了評價,結(jié)果表明,再生膜的產(chǎn)水量接近初始水平,脫鹽率高于60%,部分可高于85%,再生膜可應(yīng)用于部分除鹽、反滲透預(yù)處理、物料分離或濃縮等領(lǐng)域,且目前已有工業(yè)應(yīng)用案例。

        Kogutid等[6]對三種不同孔結(jié)構(gòu)的RO膜污染后立即使用一種專有配方的堿性清潔劑進行清洗,并對其性能和孔隙率的變化進行了研究,結(jié)果顯示原RO膜和清洗后的RO膜表面孔的數(shù)目和結(jié)構(gòu)幾乎一致,證明立即化學(xué)清洗可使污染的RO膜得到再生效果。

        Yu等[7]通過涂覆天然絲膠蛋白表面層,對聚酰胺復(fù)合RO膜進行了改性,并對改性前后膜的純水滲透系數(shù)和鹽滲透系數(shù)進行考察。此外,還采用牛血清白蛋白(BSA)為模擬物,對膜抗污染性能進行研究。結(jié)果表明,絲膠蛋白涂層能夠增加降解膜的脫鹽率至98.9%,并可增強其抗污染性能。

        Xu等[8]通過絲膠蛋白溶液沉積,修復(fù)經(jīng)過降解的聚酰胺復(fù)合RO膜,并對修復(fù)膜的滲透性能、耐污染性能以及耐氯性能進行了研究。結(jié)果表明,再生RO膜脫鹽率可以恢復(fù)到94.0%,膜表面沉積有絲膠蛋白分子后變得更光滑,更親水且?guī)ж撾姾桑虼司哂懈鼜姷腂SA抗污染能力與耐氯性能。

        3 系列膜轉(zhuǎn)化應(yīng)用

        納濾膜是介于RO膜和超濾膜之間的新型膜分離技術(shù),如果對廢棄的RO膜表面分離層經(jīng)特定處理后,可以將其轉(zhuǎn)換為具有納濾性能的膜元件。此外,RO膜主要由多孔支撐層與聚酰胺分離層組成,對其聚酰胺分離層進行氧化降解后,也可將RO膜支撐層轉(zhuǎn)化為超濾或微濾應(yīng)用。

        Ould等[9]對廢棄RO膜滲透率與截留性能進行了考察,結(jié)果表明廢棄膜水滲透通量(2.1±0.1 L h-1m-2bar-1)是原膜的(1.0±0.1 L h-1m-2bar-1)的兩倍,脫鹽率從高于90%降低到35%-50%之間。采用建模的方法對廢棄RO膜與NF膜傳質(zhì)機理進行了比較,發(fā)現(xiàn)廢棄RO膜和NF膜傳質(zhì)規(guī)律相同,因此表明該廢棄RO膜可作為納濾膜使用,可被用于海水預(yù)處理,微咸水脫鹽,海水療法中心等滲/高滲鹽溶液的制備,以及用于珊瑚生長研究的人工海水制備等方面。

        Razdan等[10]將廢棄RO膜浸泡在多胺水溶液中,并加入葡萄糖酸銨鹽(2.0%)以提高RO膜的截留特性,并且使用烷基胺(例如丁胺,環(huán)己胺)提高具有聚酰胺識別層的復(fù)合反滲透的通量。然后摻入添加劑,使其溶質(zhì)截留率發(fā)生變化,從而導(dǎo)致廢棄的RO膜轉(zhuǎn)化為納濾膜。

        靖大為[11]以NaClO為氧化劑對廢棄RO膜進行氧化處理,并評價處理后膜元件脫鹽率、產(chǎn)水通量、污染指數(shù)以及截留率,表明再生膜性能接近納濾水平,可作為納濾膜使用。

        連冠楠[12]采用NaClO溶液對廢棄的芳香族聚酰胺RO膜進行浸泡處理,對其表面聚酰胺分離層進行降解處理。氧化后RO膜表面微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分以及截留率結(jié)果表明,廢棄RO膜經(jīng)氧化處理后,可轉(zhuǎn)化為具有納濾性能的膜,在染料脫鹽和濃縮過程中有較好的穩(wěn)定性和耐污染性。

        Lawler等[13]探討采用多種降解溶液去除廢棄膜活性層,使其轉(zhuǎn)化為超濾膜的可行性,考察其滲透率與截留率,并與超濾膜做出比較。結(jié)果表明,采用NaClO降解的膜滲透率達175±4 L h-1m-2bar-1,截留率可達74%,證明廢棄的RO膜可以轉(zhuǎn)化為超濾膜使用。

        Pontié等[14]將廢棄的RO膜在62,500 ppm的NaClO中氧化6 h轉(zhuǎn)化成一種新型超濾膜,經(jīng)過測試可知處理后的膜滲透通量可達180 L h-1m-2bar-1,截留性能類似于10 kDa的超濾膜。

        Veza等[15]將廢棄的海水RO膜通過高錳酸鉀溶液去除活化層,將其轉(zhuǎn)化為微濾膜。經(jīng)過處理后的膜元件可用于反滲透前處理設(shè)備中,可顯著減少廢水中的懸浮物。隨后,采用活性污泥處理廠的二級廢水實際測試了膜性能,出水濁度平均可降低93.9%,懸浮固體總分離效率超過97%。

        4 轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌牧蠎?yīng)用

        高分子材料是由C和H組成的長鏈聚合物鏈,當受到控制的高溫反應(yīng)時,它們可能轉(zhuǎn)化為碳材料和能源,可用于住宅和工業(yè)方面供熱以及發(fā)電[17]。

        Prince等人[18]采用燃燒或熱解方法將廢棄的RO膜轉(zhuǎn)化為碳材料,采用管式爐對廢棄RO膜在氮氣下進行熱解,450 ℃條件下焚燒后,可得到碳材料質(zhì)量占原RO膜元件的26wt%。這種碳材料可用為建筑用吸附劑和填充材料(磚)進行再應(yīng)用。

        此外,Pontié等[14]提出將廢舊的RO膜元件分解,提取其中的聚丙烯墊片重新用作土工布,鼠標墊,兒童繪畫的支撐,植物的保護罩以及家庭廚房中的芳香墻等方面。

        Lawler等[3]提出對廢舊RO膜元件進行機械研磨將其用于混凝土的填充材料。通過統(tǒng)計,該方法已經(jīng)回收再利用了95%的廢舊RO膜元件。

        5 結(jié)語

        近年來,隨著RO膜使用量的持續(xù)增加,廢棄膜數(shù)量也顯著增加,膜被污染后通常被作為廢棄物丟棄在垃圾填埋場中,雖然這些廢棄膜沒有毒害作用,但大大浪費了土地資源。為了提高環(huán)境和經(jīng)濟效益,本文綜述了目前國內(nèi)外針對廢棄RO膜元件的再利用相關(guān)的研究,為促進反滲透技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展提供了理論依據(jù)。

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