葉宇兵

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

放射性污染是影響飲用水水質(zhì)的三大因素之一，由其引發(fā)的水質(zhì)安全問題已在發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家引起了廣泛的研究和關(guān)注[1-2]。目前，放射性污染飲用水處理技術(shù)主要包括常規(guī)物理法、化學(xué)法、生物法和組合方法以及膜分離法[3-6]。與常規(guī)的處理技術(shù)相比，膜分離技術(shù)具有去除率高、能耗低、占地少、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性廣、易與常規(guī)處理工藝進(jìn)行集成等優(yōu)點(diǎn)[7]。但是，在納濾(NF)和反滲透(RO)處理放射性廢水過程中，均會(huì)產(chǎn)生大量放射性濃水，其處理處置是一直沒有妥善解決的難題。

膜蒸餾(membrane distillation，MD)是借助疏水性微孔膜只允許水蒸氣等易揮發(fā)組分通過膜孔的特點(diǎn)，在疏水膜兩側(cè)溫度差產(chǎn)生的蒸氣壓力差驅(qū)動(dòng)下，熱側(cè)料液中的水蒸氣等易揮發(fā)組分通過膜孔，而料液中的污染物則被截留在熱側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)污水的凈化[8-9]。與NF和RO技術(shù)相比，MD技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[10-11]：(1)可常壓操作，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，容易操作；(2)料液濃度和濃差極化現(xiàn)象對(duì)MD過程的影響較小，可處理極高濃度的料液；(3)可以使用一些低品位能源，如太陽能、地?zé)?、工廠廢熱/余熱等，減少M(fèi)D過程的能耗；(4)MD分離純度高。根據(jù)膜冷側(cè)對(duì)已通過膜孔的水蒸氣等易揮發(fā)組分的冷凝方式不同，MD分為以下4種基本形式：直接接觸式MD、氣隙式MD、氣掃式MD和真空膜蒸餾(vacuum membrane distilla-tion，VMD)。對(duì)比其他3種MD基本形式，VMD使用抽氣裝置使得膜滲透?jìng)?cè)維持負(fù)壓或真空，增加疏水膜兩側(cè)的跨膜壓差，使得傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力增加，膜通量也會(huì)明顯增加。因此，本研究選擇VMD技術(shù)用于膜處理工藝處理放射性污染飲用水過程中產(chǎn)生的放射性濃水。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

聚四氟乙烯(PTFE)疏水膜具有出眾的疏水性、熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)性以及機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，是用來做MD疏水膜的優(yōu)良材料。本試驗(yàn)中采用的PTFE平板膜相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 PTFE膜參數(shù)Tab.1 Characteristics of PTFE Membrane

1.2 試驗(yàn)裝置

本研究試驗(yàn)裝置如圖1所示，VMD系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：進(jìn)料液首先在料液箱(10 L)中加熱至設(shè)定溫度(Tf=298.0～353.0 K)，隨后熱料液被磁力循環(huán)泵輸送至膜組件中。料液箱中設(shè)置有恒溫控制器，可控制進(jìn)料液溫度保持穩(wěn)定(誤差為±0.1 K)。通過旁路調(diào)節(jié)閥，可控制進(jìn)料液在膜組件中流速v為0.23～0.69 m/s(對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)為1 039～3 117)。在滲透?jìng)?cè)，由于真空泵作用，形成30～100 kPa負(fù)壓(Pp)。料液側(cè)的蒸氣透過膜孔，在負(fù)壓條件下，進(jìn)入冷凝器被快速冷凝，并儲(chǔ)存于蒸餾液儲(chǔ)存罐中用于后續(xù)分析。

注：(1)料液箱;(2)加熱棒;(3)磁力循環(huán)泵;(4)旁路調(diào)節(jié)閥;(5)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì);(6)溫度計(jì);(7)膜組件;(8)壓力表;(9)冷凝管;(10)冷卻水循環(huán)裝置;(11)蒸餾液儲(chǔ)液罐;(12)真空泵圖1 真空膜蒸餾裝置原理圖Fig.1 Schematic Diagram of VMD Apparatus

1.3 試驗(yàn)方法

(1)VMD系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

VMD系統(tǒng)產(chǎn)水效能主要受進(jìn)料液溫度、進(jìn)料液流速和真空度3個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)影響，因此，在進(jìn)行試驗(yàn)之前，首先對(duì)VMD系統(tǒng)的最佳運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行探究。本試驗(yàn)以VMD系統(tǒng)的清水通量J0作為考核指標(biāo)，分別探究進(jìn)料液溫度(303.0～353.0 K)、進(jìn)料液流速[30～130 L/h，本試驗(yàn)中為方便進(jìn)行參數(shù)控制，采用進(jìn)料液流量進(jìn)行流速控制，進(jìn)料液流量、膜面線流速及雷諾數(shù)之間的關(guān)系如式(1)]和真空度(35～100 kPa)對(duì)VMD系統(tǒng)產(chǎn)水能力的影響，得出自制VMD裝置最佳運(yùn)行參數(shù)。

(1)

其中：Re——雷諾數(shù)；

ρ——水的密度，取1 000 kg/m3；

v——水的流速，m/s；

d——水力半徑，m；

μ——水的動(dòng)力黏滯系數(shù)，Pa·S。

所用膜組件為定制，將膜組件分為若干平行流道，流道總面積為4.8×10-5m2，水力半徑為2.28×10-3m，因此，可根據(jù)進(jìn)水流量得到水的膜面流速和雷諾數(shù)，如表2所示。

表2 進(jìn)料液流量、膜面線流速及雷諾數(shù)之間的關(guān)系Tab.2 Relationship among Feed Quantity of Flow, Velocity and Reynolds Number

膜通量也稱滲透通量，指VMD過程中，單位膜面積上單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)水量，通常用J表示，它是衡量VMD系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。試驗(yàn)過程中，每間隔一定時(shí)間，分別用電子天平測(cè)定產(chǎn)生的蒸餾液質(zhì)量，然后，用式(2)計(jì)算VMD系統(tǒng)的膜通量。

(2)

其中：J——VMD系統(tǒng)膜通量，kg/(m2·h)；

m——一定時(shí)間內(nèi)蒸餾液質(zhì)量，kg；

A——疏水膜有效面積，m2；

t——取樣時(shí)間間隔，h。

本研究采用相對(duì)膜通量(J/J0)來對(duì)VMD系統(tǒng)運(yùn)行過程中的膜通量變化過程進(jìn)行描述，其中J0是VMD系統(tǒng)的清水通量，即以去離子水為進(jìn)料液時(shí)VMD系統(tǒng)的膜通量。

(2)VMD系統(tǒng)對(duì)放射性濃水處理效果試驗(yàn)

為考查VMD系統(tǒng)對(duì)放射性濃水處理效果，本研究采用模擬放射性濃水(含133Cs和88Sr)及RO過程產(chǎn)生的實(shí)際放射性濃水進(jìn)行試驗(yàn)，分別探究進(jìn)料液中核素濃度、含鹽量以及實(shí)際廢水中存在的雜質(zhì)對(duì)VMD效果的影響。

核素去除率是考查VMD系統(tǒng)處理放射性濃水效能的關(guān)鍵指標(biāo)。核素去除率(nuclide removal rate，NRR)用式(3)計(jì)算。

(3)

其中：NRR——核素去除率；

Cf2——進(jìn)料液中核素離子質(zhì)量濃度，mg/L；

Cd2——蒸餾液中核素離子質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 VMD系統(tǒng)最佳運(yùn)行參數(shù)確定

首先探究自制VMD裝置的最佳運(yùn)行參數(shù)，采用清水通量作為考查指標(biāo)。影響系統(tǒng)產(chǎn)水能力的主要因素有：進(jìn)料液溫度、進(jìn)料液流速和真空度。

(1)進(jìn)料液溫度的影響

進(jìn)料液溫度為303.0～353.0 K。當(dāng)VMD系統(tǒng)進(jìn)料液流速為80 L/h、真空度為100 kPa時(shí)，VMD系統(tǒng)運(yùn)行1 h內(nèi)，不同溫度條件下產(chǎn)水質(zhì)量如圖2所示。

圖2 不同進(jìn)料液溫度時(shí)產(chǎn)水質(zhì)量隨時(shí)間變化Fig.2 Variation of Output Capacity under Different Temperatures with Time

在不同溫度條件下，VMD系統(tǒng)滲透?jìng)?cè)產(chǎn)水質(zhì)量均與時(shí)間線性相關(guān)，說明VMD系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，單位時(shí)間的產(chǎn)水量比較穩(wěn)定。因此，通過1 h的產(chǎn)水質(zhì)量，可以有效推導(dǎo)VMD系統(tǒng)的膜通量。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)料液溫度與VMD系統(tǒng)膜清水通量之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 進(jìn)料液溫度對(duì)VMD系統(tǒng)清水通量的影響Fig.3 Effect of Feed Temperature on VMD Pure Water Flux

如圖3所示，VMD系統(tǒng)清水通量與進(jìn)料液溫度成指數(shù)關(guān)系(R2=0.991 0)，這是由于傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力隨著進(jìn)料液溫度升高而指數(shù)提升。在MD系統(tǒng)運(yùn)行過程中，水蒸氣等易揮發(fā)組分的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力是膜兩側(cè)的蒸氣壓差，隨著進(jìn)料液溫度的上升，進(jìn)料液側(cè)的飽和蒸氣壓指數(shù)上升。不同進(jìn)料液溫度時(shí)，進(jìn)料液測(cè)的飽和蒸氣壓Psat(T)用Antoine式(4)進(jìn)行計(jì)算[12-13]。

(4)

其中：Psat(T)——在一定溫度時(shí)，平面上純水的飽和蒸氣壓，Pa；

T——進(jìn)料液溫度，K。

如式(4)，進(jìn)料液側(cè)的飽和蒸氣壓與進(jìn)料液溫度成指數(shù)關(guān)系，因此，進(jìn)料液溫度的升高使得傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力指數(shù)上漲，清水通量也隨之呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。VMD系統(tǒng)清水通量與膜兩側(cè)壓力差的關(guān)系如圖4所示。

圖4 VMD系統(tǒng)清水通量與膜兩側(cè)壓力差的關(guān)系Fig.4 Relationship between VMD Pure Water Flux and Transmembrane Pressure

VMD系統(tǒng)清水通量與膜兩側(cè)壓力差呈線性相關(guān)(R2=0.990 7)，在滲透?jìng)?cè)真空度一定時(shí)，進(jìn)料液溫度越高，膜兩側(cè)壓力差越大，VMD系統(tǒng)產(chǎn)水能力越強(qiáng)。因此，為了最大可能地提高VMD過程膜通量，理論上需要盡量地提升進(jìn)料液溫度。但是，在試驗(yàn)過程中，進(jìn)料液溫度過高不僅可能給試驗(yàn)人員造成危險(xiǎn)，還會(huì)增加系統(tǒng)能耗，且對(duì)裝置中各組件的耐高溫性能提出了更高要求。另外，由于膜組件以及進(jìn)料液管道暴露于空氣中，進(jìn)料液溫度越高，環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)影響越大。因此，本試驗(yàn)設(shè)置試驗(yàn)溫度為328 K。

(2)進(jìn)料液流速

本試驗(yàn)中進(jìn)料液流速設(shè)定為30～130 L/h。當(dāng)VMD系統(tǒng)進(jìn)料液溫度為328.0 K、真空度為100 kPa時(shí)，進(jìn)料液流速與系統(tǒng)清水通量之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 進(jìn)料液流速對(duì)VMD系統(tǒng)清水通量的影響Fig.5 Effect of Feed Velocity on VMD Pure Water Flux

由圖5可知，隨著進(jìn)料液流速增大，VMD系統(tǒng)清水通量也隨之增加。但是，在進(jìn)料液流速較小時(shí)(30～80 L/h，Re<2 300，層流區(qū))，清水通量隨進(jìn)料液流速增加較快；進(jìn)料液流速為90～100 L/h(2 3002 700，紊流區(qū))時(shí)，清水通量開始趨于穩(wěn)定(表2)。這是因?yàn)樵趯恿鲄^(qū)增加進(jìn)料液的流速會(huì)顯著減小邊界層的厚度，從而增加傳質(zhì)效率；在過渡區(qū)，流速的提升對(duì)傳質(zhì)效率的影響開始減弱；在紊流區(qū)，流速的增加則不會(huì)影響邊界層厚度，對(duì)產(chǎn)水量無顯著影響。

綜上，Re處于層流區(qū)時(shí)，進(jìn)料液流速的增加對(duì)膜通量的影響最大；在過渡區(qū)，雖然清水通量仍隨著進(jìn)料液流速增加而增加，但流速的增加對(duì)清水通量的提升效果已不明顯，且增加了循環(huán)泵的能耗。因此，本試驗(yàn)將最佳進(jìn)料液流速設(shè)定在層流區(qū)與過渡區(qū)交界處，即80 L/h。

(3)真空度

本試驗(yàn)真空度設(shè)定為35～100 kPa。當(dāng)VMD系統(tǒng)進(jìn)料液溫度為328.0 K、進(jìn)料液流速為80 L/h時(shí)，滲透?jìng)?cè)真空度與VMD系統(tǒng)清水通量之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 真空度對(duì)VMD系統(tǒng)清水通量的影響Fig.6 Effect of Vacuum Pressure on VMD Pure Water Flux

由圖6可知，VMD系統(tǒng)清水通量與真空度的關(guān)系為“L”型曲線。當(dāng)真空度在50 kPa以下時(shí)，產(chǎn)水量幾乎為0；真空度增加至60 kPa時(shí)才開始產(chǎn)水，清水通量?jī)H為2.18 kg/(m2·h)，真空度為70 kPa時(shí)清水通量也僅為5.88 kg/(m2·h)。隨后，隨著滲透?jìng)?cè)真空度的上升，清水通量呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)(R2=0.978 3)，從70 kPa時(shí)的5.88 kg/(m2·h)增至100 kPa時(shí)的52.47 kg/(m2·h)。上述結(jié)果說明，當(dāng)滲透?jìng)?cè)真空度高于60 kPa時(shí)才能產(chǎn)生足夠的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力，而驅(qū)動(dòng)力越大，產(chǎn)水能力越強(qiáng)；同時(shí)，真空度越大時(shí)，不僅越有利于產(chǎn)水能力的提升，而且越有利于真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，本試驗(yàn)選擇最大真空度，為100 kPa。

綜上，本試驗(yàn)選擇的最佳運(yùn)行參數(shù)為：進(jìn)料液溫度為328.0 K，進(jìn)料液流速為80 L/h，真空度為100 kPa。最佳運(yùn)行參數(shù)下，VMD系統(tǒng)清水通量為52.47 kg/(m2·h)。若無特別說明，本研究所有試驗(yàn)均在最佳運(yùn)行參數(shù)條件下進(jìn)行。

2.2 VMD傳質(zhì)過程

VMD系統(tǒng)傳質(zhì)阻力主要來源于液相傳質(zhì)阻力以及膜孔傳質(zhì)阻力。本研究對(duì)VMD傳質(zhì)過程的研究采用清水，液相傳質(zhì)阻力可以忽略。因此，本研究?jī)H探討VMD系統(tǒng)的膜孔傳質(zhì)過程。

膜孔傳質(zhì)過程與氣體分子平均自由程和膜孔直徑有關(guān)，如式(5)[14]。

(5)

其中：λi——?dú)怏w分子平均自由程，m；

kB——波爾茲曼常數(shù)，取值為1.38×10-23J/K；

T′——膜孔內(nèi)平均溫度，K；

P——膜孔內(nèi)平均壓力，kPa；

σi——?dú)怏w分子碰撞直徑，m。

在本研究中，水蒸氣(氣體平均碰撞直徑為2.641 ?)被認(rèn)為是唯一能夠進(jìn)入膜孔的氣體分子。在進(jìn)料液溫度為303.0～353.0 K、滲透?jìng)?cè)真空度為35～100 kPa條件下，λwater為0.24～5.50 μm。本研究所用的PTFE膜平均膜孔徑dp為0.1 μm(λwater>dp)，因此，水蒸氣擴(kuò)散過程中，氣體分子與膜面之間的碰撞是主要的碰撞形式。本研究采用克努森擴(kuò)散模型[式(6)]描述膜孔傳質(zhì)過程。

(6)

其中：B——膜傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m3·h·kPa)，取決于膜孔內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)制；

r——平均膜孔徑，m；

ε——膜孔隙率；

δ——膜厚度，mm；

τ——彎曲系數(shù)；

R——通用氣體常數(shù)，取值為8.314 J/(mol·K)；

M——水的摩爾質(zhì)量，取值為18 g/mol；

采用式(7)、式(8)所示的DGM模型[14]來預(yù)測(cè)VMD系統(tǒng)的膜通量。

(7)

ΔP=Pfm-Ppm

(8)

其中：ΔP——跨膜壓差，Pa。

Pfm、Ppm——進(jìn)料側(cè)、滲透?jìng)?cè)膜表面分壓，kPa。

本研究所采用的PTFE膜，平均膜孔徑r為0.1 μm，膜孔隙率ε為70%，膜厚度δ為0.55 mm，另外，本研究采用彎曲系數(shù)2來預(yù)測(cè)膜通量，利用安東尼方程計(jì)算平整表面上，溫度T時(shí)純水飽和蒸氣壓Psat(T)，得到DGM通量與試驗(yàn)通量對(duì)比(表3)。

表3 DGM通量和試驗(yàn)通量對(duì)比Tab.3 Comparison of DGM Simulated Flux and Experimental Flux

如表3所示，試驗(yàn)通量與DGM通量之間的平均相對(duì)誤差為7.64%，表明本研究中VMD系統(tǒng)的傳質(zhì)過程符合DGM模型的描述，同時(shí)也說明Knudsen擴(kuò)散是本研究的主要傳質(zhì)機(jī)理。

2.3 VMD系統(tǒng)對(duì)放射性濃水的處理效能

為了考查自制的VMD系統(tǒng)對(duì)核素的去除效果，分別采用SRC1～SRC7這7種模擬放射性濃水以及RO放射性濃水作為進(jìn)料液，以出水核素濃度、NRR以及膜通量作為考核指標(biāo)。模擬放射性濃水中采用非放射性素133Cs和88Sr代替RO放射性濃水中的核素(238U)進(jìn)行試驗(yàn)，如表4所示。

表4 模擬放射性濃水成分Tab.4 Contents of Synthetic Radioactive Wastewater

同時(shí)，本研究還采用了濟(jì)南某放射性污染地下水治理示范工程現(xiàn)場(chǎng)RO放射性濃水進(jìn)行試驗(yàn)，具體水質(zhì)如表5所示。

表5 RO放射性濃水水質(zhì)參數(shù)Tab.5 Water Quality Parameters of RO Radioactive Concentrate

2.3.1 核素濃度對(duì)去除效果的影響

首先采用SRC1～SRC3作為VMD系統(tǒng)進(jìn)料液，考查系統(tǒng)對(duì)Sr2+和Cs+去除效果，結(jié)果如圖7所示。

圖7 VMD對(duì)SRC溶液中Sr2+和Cs+離子的去除效果Fig.7 Removal Efficiencies of Sr2+ and Cs+ by VMD of SRC Solutions

如圖7所示，VMD系統(tǒng)對(duì)Sr2+和Cs+均具有較好的去除效果，其中出水Sr2+質(zhì)量濃度均在2.92 μg/L以下，系統(tǒng)對(duì)Sr2+去除率均在99.97%以上；出水Cs+質(zhì)量濃度均在1.63 μg/L以下，系統(tǒng)對(duì)Cs+去除率均在99.99%以上。

圖8 VMD系統(tǒng)處理模擬放射性濃水時(shí)膜通量 隨時(shí)間變化Fig.8 Permeate Flux as a Function with Time by VMD of SRC Solutions

圖9 含鹽量對(duì)VMD系統(tǒng)去除Sr2+和Cs+效率的影響Fig.9 Effect of Feed Salt Concentration on Sr2+ and Cs+ Removal Efficiencies with VMD System

同時(shí)，如圖8所示，在VMD系統(tǒng)處理SRC1～SRC3這3種放射性濃水過程中，相對(duì)膜通量始終保持在98.04%以上，說明在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，核素離子濃度不影響系統(tǒng)膜通量。上述結(jié)果說明VMD是一種有效的放射性濃水處理方法。

2.3.2 含鹽量對(duì)核素去除效果的影響

采用SRC4～SRC7作為進(jìn)料液，研究含鹽量對(duì)VMD系統(tǒng)處理放射性濃水效能的影響，結(jié)果如圖9所示。

如圖9所示，進(jìn)料液中NaCl濃度的增加對(duì)VMD系統(tǒng)去除Sr2+和Cs+的效果基本無影響，系統(tǒng)對(duì)Sr2+和Cs+的去除率均高于99.98%，表明VMD工藝對(duì)放射性濃水具有較好的處理效果，且進(jìn)料液中的含鹽量對(duì)核素去除效果無影響。

另外，進(jìn)料液中含鹽量對(duì)VMD系統(tǒng)處理放射性濃水過程中膜通量的影響如圖10～圖11所示。

圖10 進(jìn)料液中含鹽量對(duì)VMD系統(tǒng)膜通量的影響Fig.10 Effect of Feed Salt Concentration on VMD Permeate Flux

圖11 含鹽量對(duì)VMD系統(tǒng)處理放射性濃水 時(shí)膜通量的影響Fig.11 Effect of Feed Salt Concentration on VMD Permeate Flux for SRC Treatment

如圖10所示，隨著進(jìn)料液中NaCl濃度的升高，VMD系統(tǒng)膜通量線性下降(R2=0.995 1)，這一結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道相吻合，這是因?yàn)樵黾舆M(jìn)料液濃度將會(huì)降低水分子活度，從而減小水的飽和蒸氣壓[15]。另外，進(jìn)料液濃度的增加也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)料液的黏度增加、邊界層變厚、傳質(zhì)和傳熱阻力增加，從而導(dǎo)致膜通量下降。同時(shí)，如圖11所示，采用SRC4～SRC7這4種放射性濃水作為進(jìn)料液時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，膜通量逐漸下降，這是因?yàn)殡S著進(jìn)料液含鹽量的提升，NaCl在膜表面結(jié)晶沉積，導(dǎo)致膜孔堵塞，膜通量下降[16]。當(dāng)進(jìn)料液中NaCl質(zhì)量濃度達(dá)到200 g/L時(shí)，初始滲透通量仍有清水通量的63.77%，這表明VMD系統(tǒng)對(duì)高濃度含鹽放射性濃水處理過程仍然適用。

2.3.3 VMD系統(tǒng)對(duì)放射性濃水的處理效能

為研究VMD系統(tǒng)對(duì)實(shí)際放射性濃水的處理效能，本研究采用RO放射性濃水作為進(jìn)料液，VMD系統(tǒng)對(duì)U的去除效果隨運(yùn)行時(shí)間變化關(guān)系如圖12所示。

圖12 VMD對(duì)RO放射性濃水中U的去除效果Fig.12 U Removal Efficiencies as a Function with Time during VMD of RO Radioactive Concentrate

在連續(xù)運(yùn)行的360 min內(nèi)，VMD系統(tǒng)對(duì)RO放射性濃水中的U具有很好的去除效果，進(jìn)料液中U的質(zhì)量濃度為210.320 μg/L，而蒸餾液中U的質(zhì)量濃度均在0.056 μg/L以下，VMD系統(tǒng)對(duì)U的去除率在99.97%以上。

同時(shí)，如圖13所示，在處理RO放射性濃水過程中，VMD系統(tǒng)膜通量出現(xiàn)了明顯下降：運(yùn)行360 min后，VMD系統(tǒng)膜通量從初始的52.42 kg/(m2·h)降至28.72 kg/(m2·h)，相對(duì)膜通量從99.90%降至52.79%，下降了47.11%。但是，VMD系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo)率一直保持在較低水平(1.07～3.17 μS/cm)。這是因?yàn)樵赩MD系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)了膜污染現(xiàn)象，但是膜污染并未導(dǎo)致膜孔濕潤(rùn)，未影響蒸餾液水質(zhì)。如表5所示，RO放射性濃水中除放射性核素濃度超標(biāo)外，總硬度為584 mg/L，同時(shí)還存在不同濃度的無機(jī)鹽，都容易導(dǎo)致膜污染的形成。同時(shí)，天然地下水中還存在天然有機(jī)物等，會(huì)進(jìn)一步造成膜污染現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖13 VMD處理放射性濃水時(shí)相對(duì)膜通量及 出水電導(dǎo)率隨時(shí)間變化Fig.13 Normalized Flux Ratio and Conductivity as a Function with Time during VMD of RO Radioactive Concentrate

綜上，VMD系統(tǒng)對(duì)RO放射性濃水中的核素具有較好的處理效果，但是系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生了膜污染現(xiàn)象。雖然，膜污染的產(chǎn)生并未影響VMD系統(tǒng)的NRR和脫鹽率，但是導(dǎo)致了膜通量及相應(yīng)產(chǎn)水能力的下降。因此，想要提高VMD系統(tǒng)產(chǎn)水能力，需對(duì)VMD系統(tǒng)處理放射性濃水過程中膜污染規(guī)律及形成機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)研究，并尋求合適的膜污染控制技術(shù)。

3 結(jié)論

(1)自制VMD系統(tǒng)的最佳運(yùn)行參數(shù)為：進(jìn)料液溫度328 K、進(jìn)料液流速80 L/h、真空度100 kPa，此時(shí)系統(tǒng)清水通量為52.47 kg/(m2·h)。

(2)板框式VMD系統(tǒng)的傳質(zhì)過程符合DGM模型的描述，Knudsen擴(kuò)散是系統(tǒng)的主要傳質(zhì)機(jī)理，試驗(yàn)通量與DGM通量之間的平均相對(duì)誤差為7.64%。

(3)VMD系統(tǒng)對(duì)放射性濃水中的核素具有較好的處理效果，對(duì)核素離子的去除率均在99.97%以上，進(jìn)料液中核素濃度、含鹽量以及其他物質(zhì)對(duì)核素去除效果無影響。

(4)RO放射性濃水中存在無機(jī)鹽、天然有機(jī)物等，處理過程中會(huì)產(chǎn)生膜污染，導(dǎo)致膜通量下降。

(5)VMD系統(tǒng)對(duì)放射性濃水中的核素具有較好的去除效果，但是放射性濃水中存在的無機(jī)鹽、有機(jī)物等會(huì)產(chǎn)生膜污染，導(dǎo)致膜通量及相應(yīng)產(chǎn)水能力的下降，因此，在膜蒸餾運(yùn)行過程中，需進(jìn)行預(yù)處理或污染過程控制，降低進(jìn)料液中的污染物對(duì)運(yùn)行效果的影響。