劉旭東，孔喜鑫，梁異璞，趙陽，于濤銘

（沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

我國是紡織業(yè)大國，紡織業(yè)廢水是我國廢水污染物的主要來源之一，據《2020 年中國生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計年報》報導，紡織業(yè)的化學需氧量、氨氮、總氮、總磷等污染物排放量均占全國42 個工業(yè)企業(yè)的前三名。而印染行業(yè)是紡織業(yè)最重要的組成部分，印染廢水及其污染物排放量占紡織業(yè)的70%～80%[1-3]，是紡織業(yè)污染物的主要來源。印染廢水整體成分復雜，色度高，有毒物質含量高，屬于復雜的、毒性強的有機廢水[4-9]。因紡織印染所用的面料、工藝不同，印染種類、用量和助劑也不同，從而影響印染廢水的成分和水質。因此，印染廢水處理技術應結合不同的水質不同的工藝階段采取不同的處理技術?，F階段主要的印染廢水處理方法有物理處理技術、化學處理技術和生物處理技術等。但是由于印染過程中所選的染料、助劑等各不相同，廢水水質波動較大，這使得傳統(tǒng)的生物處理技術很難對印染廢水進行有效處理。

正滲透技術是利用正滲透膜兩側的滲透壓差為驅動力，使水分子自發(fā)的從原料液（高化學勢）進入汲取液（低化學勢）中，污染物被截留在膜的一側，達到分離污染物和水的技術。正滲透技術具有能耗低、膜污染輕、污染物分離效率高等優(yōu)點[10-13]，這使得正滲透技術在難生物處理廢水的處理中具有良好的應用前景。目前，正滲透技術主要應用在海水淡化、工業(yè)廢水處理、垃圾滲濾液處理等領域。使用正滲透技術處理印染廢水可以加大水資源的回收利用效率，減少水資源消耗，提高印染廢水的處理能力，減少印染廢水對環(huán)境污染。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗藥品與儀器

NaCl 為分析純，購自天津市科密歐化學試劑有限公司生產?；钚匀玖希╔-3B）、分散染料（3B 100%）購自浙江長征化工有限公司。精確稱量58.44 g NaCl，配置成1 mol/L 的NaCl 溶液做汲取液。各稱量50 mg 染料，配置50 mg/L 的模擬印染廢水溶液。

本實驗所用儀器見表1。

表1 主要實驗儀器

1.2 實驗方法

1.2.1 正滲透實驗

實驗裝置圖如圖1 所示，FO 膜的有效面積為10 cm2（2.5 cm×4 cm），膜材料為聚酰胺復合膜（國初科技（廈門）有限公司），FO 模塊兩側的腔體體積為10 cm3（長4 cm，寬2.5 cm，深度1 cm），其中原料液和汲取液在各腔內沿相同流向循環(huán)，水流流速由兩個蠕動泵控制，流速為0.5 L/min，汲取液置于電子天平上以讀取汲取液的質量變化。實驗中兩側的溫度由恒溫水浴鍋控制，汲取液（DS）為1 L的1 mol/L 的NaCl 溶液，原料液（FS）為1L的模擬印染廢水，運行時間為4h。

圖1 正滲透實驗裝置圖

水通量是評價膜通量性能的重要指標。它指的是單位時間內單位膜面積可傳輸的水量。通過精密天平稱量汲取液的質量，前30 min 每5 min 記錄1次汲取液的質量，后210 min 每10 min 記錄1 次汲取液的質量。水通量按照公式（1）計算。

水通量是評價膜通量性能的重要指標。它指的是單位時間內單位膜面積可傳輸的水量。通過精密天平稱量汲取液的質量，前30 min 每5 min 記錄1次汲取液的質量，后210 min 每10 min 記錄1 次汲取液的質量。水通量按照公式（1）計算。

式中：JW—水通量，L/(m2·h)或LMH；

mt、m0—t、0 時刻汲取液質量，g；

A—正滲透膜的有效膜面積，1×10-3m2；

Δt—兩次測量時間間隔，h；

ρ—水的密度，即1×103kg/m3。

本實驗選取COD 和色度作為模擬印染廢水中主要的測定指標，用重鉻酸鉀法測定COD，用色度儀測定色度。計算正滲透工藝對COD 和色度的截留效率由截留率R表示。截留率通過公式（2）計算。

式中：R—截留率，%

CF—原料液中初始污染物濃度，mg/L；

CD—原料液中運行后的污染物濃度，mg/L。

1.2.2 膜污染恢復實驗

膜污染是正滲透水通量變化的重要影響因素，針對膜污染的種類進行合適的清洗，可以得到更高的水通量恢復率。本實驗采用超聲清洗，即在實驗結束后將膜片拆下，放入去離子水中，使用超聲清洗儀對膜片進行清洗，清洗之后的膜片放入膜組件，在相同條件下進行正滲透實驗，測定清洗前后水通量的變化。水通量恢復率FRR（%）通過公式（3）計算。

式中：JW1—第1 次正滲透實驗前的初始水通量，L/(m2·h)；

JW2—進行膜清洗后的初始水通量，L/(m2·h)。

2 實驗結論

2.1 染料類型對正滲透性能的影響

紡織印染行業(yè)染料有很多的各類，每種染料的物理、化學性質都不同，針對不同類型的染料正滲透處理性能也不同。本實驗選擇活性染料和分散染料配置模擬印染廢水為原料液，以1 mol/L 的NaCl溶液為汲取液，在25 ℃時進行正滲透實驗，探究不同種類模擬印染廢水對正滲透性能的影響。由圖2（a）和（b）可知，AL-FS 模式下活性染料初始水通量為14.79 L/(m2·h)、分散染料為14.98 L/(m2·h），AL-DS 模式下為17.82 L/(m2·h)和17.97 L/(m2·h)，活性染料的初始水通量低于分散染料。而平均連續(xù)運行4 h 時的平均水通量活性染料印染廢高于分散染料，這可能是因為活性染料為水溶性染料，相同質量濃度的活性染料可以提供較大的滲透壓，使有效滲透壓差降低，初始水通量較小。隨著實驗的進行，由于分散染料水溶性較差，其更容易在膜表面形成濾餅層，降低FO 膜的透過性，從而降低水通量?；钚匀玖弦驗槠錇樗苄匀玖?，所形成的膜污染較輕，對水通量的影響較小。水通量的變化率實驗開始時較大，隨著實驗的進行變化趨于平穩(wěn)，這是由于實驗過程中的膜污染是一個由輕到重的過程，實驗后期污染層基本形成，對水通量的影響減小，水通量趨于穩(wěn)定。

由圖2（c）和（d）可知活性染料印染廢水的污染物截留率低于分散染料，這是由于水溶性的活性染料更容易通過正滲透膜，污染物截留率降低?；钚匀玖吓c分散染料在AL-FS 模式下得截留率相差不大（COD：0.4%; 色度：0.2%），而在AL-DS 模式下截留率相差較大（COD：4.1%；色度：3.7%），AL-FS 模式時活性層朝向原料液FO 膜可以有效的截留污染物，兩種染料的截留率都很大。而AL-DS模式時，多孔支撐層朝向原料液FO 膜對污染物的截留率降低，但是由于分散染料水溶性小難以通過FO 膜，造成兩種染料的截留率相差較大。

2.2 膜朝向對正滲透性能的影響

FO 膜為非對稱膜，由致密活性層和多孔支撐層組成，因此FO 膜具有兩種不同的操作形式，即活性層朝向原料液（AL-FS）以及活性層朝向汲取液（AL-DS）兩種操作形式。當汲取液為1 mol/L 的NaCl 溶液，原料液為模擬活性染料廢水，溶液溫度為25 ℃時，探究兩種操作模式下水通量隨時間變化趨勢見圖3（a）。

圖3 膜朝向對FO 性能的影響

由圖可知，兩種模式下的水通量均隨著時間的增加而下降。AL-FS，初始水通量14.79 L/(m2·h)低于AL-DS 模式17.82 L/(m2·h)，這可能是濃差極化現象導致的。濃差極化現象分為外濃差極化現象（ECP）和內濃差極化現象（ICP）。內濃差極化（ICP）現象發(fā)生在多孔支撐層內部，極大地降低了膜兩側的滲透壓驅動力，從而降低水通量，ICP 現象可降低80%以上水通量。AL-FS 模式下，發(fā)生的是稀釋性ICP 和濃縮型ECP，而AL-DS 模式下，發(fā)生的是濃縮型ICP 和稀釋性ECP，濃縮型ICP 具有較大的有效滲透壓差，AL-FS 模式的初始水通量低于AL-DS[14]。連續(xù)運行4h 后AL-FS 水通量減小率（2.9%）明顯低于AL-DS 水通量減小率（7.2%），這可能是由于隨著時間的發(fā)展原料液中的污染物在膜上的膜污染造成的。由于AL-DS 模式原料液朝向多孔支撐層，更容易形成膜污染，使有效滲透壓降低，水通量降低更明顯。

圖4 溫度向對FO 性能的影響

2.3 溫度對正滲透性能的影響

溫度是影響正滲透性能的重要因素，以1 mol/L的NaCl 溶液為汲取液，以模擬活性染料印染廢水為原料液，AL-FS 模式下，分別在15 ℃、25 ℃和35 ℃，進行正滲透實驗，比較不同溫度下正滲透水通量及污染物截留率變化。由圖（4）可知，隨著溫度的升高正滲透水通量呈現上升趨勢，根據范式公式隨著溫度的升高，溶液的滲透壓升高，導致水分子更容易從原料液測進入汲取液，使正滲透水通量不斷升高。污染物截留率隨著溫度升高而下降，反向溶質通量隨著溫度的升高而升高，這可能是由于溶液溫度升高導致分子運動速度加快，分子運動更加活躍，污染物和汲取質透過FO 膜進入對向溶液當中。

2.4 膜清洗對正滲透性能的影響

膜污染現象是膜技術應用中不可避免的，FO技術以溶液兩側的滲透壓差為驅動力，不需要外加壓力，膜污染較輕，并且由于不需要外加壓力，膜表面形成的較為疏松不緊密，可以使用物理清洗去除。超聲清洗技術是利用超聲波在液體中的空化作用、加速作用和直進流作用對液體和污染物直接、間接作用，使污染物層被分散、乳化、剝離從而達到清洗目的。將連續(xù)運行4 h 后的正滲透膜片取下，放入去離子水中放入超聲波清洗機清洗20 min，清洗后的膜放入模組件中，按相同條件進行正滲透實驗，測試初始水通量，水通量恢復率見圖5。通過超聲清洗后，AL-FS 模式下得通量恢復率為94.3%，AL-DS 模式下為91.2%，清潔效果較好。兩種模式下得水通量恢復率存在一定的差距，是因為AL-DS模式下污染物進入多孔支撐層中，堵塞支撐層空隙，而AL-FS 模式膜污染只發(fā)生在活性層的表面更容易通過超聲清洗去除。

圖5 膜通量恢復率

3 結論

1）通過對兩種不同類型印染廢水的處理研究，正滲透技術可以應用于處理模擬印染廢水，并且都有較好的正滲透水通量和污染物截留率。長時間運行模式下，活性染料比分散染料水通量更高，處理效果更好。

2）正滲透技術處理模擬印染廢水時，AL-FS 模式優(yōu)于AL-DS 模式。

3）溫度對正滲透性能有影響，隨著溫度的升高，正滲透水通量增大、污染物截留率降低。

4）正滲透膜污染較輕，污染層疏松，通過超聲清洗水通量恢復率較高。