王付杉，李繼超，邢玉雷，韓克鑫，徐國榮

（1.自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192；2.山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東 青島 266035）

高鹽廢水是指含鹽量超過30 000 mg/L 的廢水，其主要來自各個(gè)行業(yè)水的深度處理過程，這種廢水通常含有的物質(zhì)種類較多，其中主要包含硬度結(jié)垢離子、有機(jī)物、懸浮物雜質(zhì)、鹽四類物質(zhì)［1］。高鹽廢水中含有大量污染物，直接排放會(huì)造成水體的嚴(yán)重污染，同時(shí)廢水中的鹽成分也是一種資源，回用非常有必要。目前處理高鹽廢水的方法主要有蒸發(fā)濃縮法、膜滲透除鹽法及膜蒸餾濃縮法等。其中，膜蒸餾濃縮是一種以疏水微孔膜兩側(cè)蒸汽壓力差為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力的膜分離過程，具有截鹽率高、設(shè)備簡單、操作方便、可利用低品位熱源（如太陽能、地?zé)帷U熱）、可進(jìn)行高濃度鹽水濃縮及對膜的機(jī)械強(qiáng)度要求低等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)［2-3］。膜蒸餾技術(shù)廣泛應(yīng)用于海水及苦咸水淡化、食品工業(yè)中果汁濃縮、廢水回收處理和超純水制備等領(lǐng)域［4］。

文章旨在通過單效真空膜蒸餾方式對含NaCl高鹽廢水進(jìn)行濃縮實(shí)驗(yàn)研究，研究操作條件對膜通量和截鹽率的影響規(guī)律，并驗(yàn)證其可行性，為工業(yè)中的高鹽廢水處理提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)げ牧?/h3>

PTFE 膜材料具有疏水性強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)研究中使用PTFE 中空纖維膜組件（南京中科碧盾新膜科技有限公司提供），具體參數(shù)見表1。

表1 PTFE中空纖維膜組件參數(shù)Tab.1 Parameters of PTFE hollow fiber membrane component

1.2 實(shí)驗(yàn)料液

含NaCl 的高鹽廢水溶液，電導(dǎo)率在35 000～80 000 μs/cm之間。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)采用的單效真空膜蒸餾（VMD）裝置流程見圖1。

圖1 單效真空膜蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.1 Flow chart of experimental apparatus for single effect vacuum membrane distillation

實(shí)驗(yàn)過程中，含NaCl高鹽廢水溶液經(jīng)過過濾后由料液循環(huán)泵打入料液罐中，料液罐中的加熱器加熱料液到指定溫度后，進(jìn)入中空纖維膜組件管程內(nèi)，膜組件殼程一側(cè)通過真空泵抽真空，并控制壓力在一定數(shù)值；在膜組件中，來自熱料液側(cè)的水蒸氣在壓力差作用下通過疏水的PTFE 膜孔進(jìn)入冷凝水側(cè)，在冷卻器和風(fēng)機(jī)的輔助下，實(shí)現(xiàn)冷凝，冷凝水在冷凝水罐中收集，并由冷凝水泵排放，未通過PTFE 膜的高鹽廢水在料液循環(huán)泵作用下回到料液罐中，繼續(xù)濃縮。

1.4 實(shí)驗(yàn)性能參數(shù)測定

1.4.1 膜通量

膜通量是膜蒸餾過程中重要的指標(biāo)參數(shù)，影響因素包括膜下游側(cè)壓力值、料液流量、料液溫度、料液濃度等，其計(jì)算公式如下［5］：

式中：J為膜蒸餾過程膜通量，單位L/m2·h；V為一定時(shí)間測定的膜下游冷凝水的體積，單位L；S為膜的有效面積，單位m2；t為收集一定體積冷凝水所需時(shí)間，單位h。

1.4.2 截鹽率

截鹽率（R）用于評估膜組件對鹽類的攔截效率，其計(jì)算公式如下：

式中：R為截鹽率，單位%；DF為料液電導(dǎo)率，單位μs/cm；DP為餾出液電導(dǎo)率，單位μs/cm。

2 高鹽廢水濃縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 膜下游側(cè)壓力對膜通量及截鹽率的影響

真空膜蒸餾是以疏水膜兩側(cè)蒸氣壓力差為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力的膜分離過程，因此膜下游側(cè)壓力對傳質(zhì)過程的影響非常大。膜下游側(cè)壓力對膜通量和截鹽率的影響結(jié)果見圖2。實(shí)驗(yàn)中采用疏水性PTFE中空纖維膜，設(shè)置高鹽廢水料液溫度為75 ℃，料液流量為1 m3/h，料液濃度為35 000 μs/cm。在此操作條件下，通過圖2可以看出，隨著膜下游側(cè)壓力值的增大，膜通量逐漸降低，而膜截鹽率維持在99.8%以上。隨著膜下游側(cè)壓力值的增大，在原料側(cè)壓力值一定的前提下，跨膜兩側(cè)的壓力差逐漸減小，導(dǎo)致PTFE 膜兩側(cè)跨膜傳質(zhì)推動(dòng)力逐漸降低，而PTFE 膜兩側(cè)的跨膜通量與傳質(zhì)推動(dòng)力成正比，因此膜通量隨著膜下游側(cè)壓力值增大而降低。

圖2 膜下游側(cè)壓力對膜通量及截鹽率的影響Fig.2 Effect of membrane downstream side pressure on membrane flux and salt interception rate

2.2 料液流量對膜通量及截鹽率的影響

實(shí)驗(yàn)中采用的PTFE 中空纖維膜纖維直徑很小，管內(nèi)液體流動(dòng)主要以層流為主，傳質(zhì)過程存在濃度邊界層和溫度邊界層，因而料液流量大小會(huì)影響傳質(zhì)過程，進(jìn)而影響膜通量。

高鹽廢水料液流量對膜通量和截鹽率的影響結(jié)果見圖3。實(shí)驗(yàn)中采用疏水性PTFE 中空纖維膜，設(shè)置高鹽廢水料液溫度為70 ℃，料液濃度為35 000 μs/cm，膜下游側(cè)壓力值維持在15 kPa。

圖3 料液流量對膜通量及截鹽率的影響Fig.3 Effect of feed liquid flow on membrane flux and salt interception rate

通過圖3可以看出，在此操作條件下，隨著高鹽廢水料液流量的加大，膜通量逐漸增加，而膜截鹽率維持在99.8%以上。這是因?yàn)榱弦毫髁康脑黾酉魅趿斯軆?nèi)流體流動(dòng)的層流邊界層，使得傳質(zhì)阻力降低，同時(shí)溫度邊界層也變薄，使得膜表面溫度升高，料液蒸發(fā)速率加快，傳質(zhì)效率提高，膜通量增加。

2.3 料液溫度對膜通量及截鹽率的影響

高鹽廢水料液溫度對膜通量和截鹽率的影響結(jié)果見圖4。實(shí)驗(yàn)中采用疏水性PTFE 中空纖維膜，設(shè)置高鹽廢水料液流量為1 m3/h，料液濃度為35 000 μs/cm，膜下游側(cè)壓力值維持在15 kPa。在此操作條件下，通過圖4可以看出，隨著高鹽廢水料液溫度的升高，膜通量逐漸增大，而膜截鹽率維持在99.8%以上。產(chǎn)生這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是因?yàn)榱弦簜?cè)溫度升高，使得膜蒸餾過程的熱側(cè)蒸氣壓增加，進(jìn)而增加PTFE 膜兩側(cè)的壓力差，也就使得膜蒸餾過程的傳質(zhì)推動(dòng)力增加。但需要注意的是，膜蒸餾過程使用的是疏水性PTFE 中空纖維膜，膜絲在實(shí)驗(yàn)過程中存在被潤濕的可能，溫度越高，被潤濕的可能性越大。此外，中空纖維膜組件制作所用環(huán)氧密封樹脂在高溫下容易脫落，造成膜組件漏液，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。因此，在膜蒸餾過程中，一般設(shè)置蒸發(fā)溫度在60～80 ℃之間。

圖4 料液溫度對膜通量及截鹽率的影響Fig.4 Effect of feed liquid temperature on membrane flux and salt interception rate

2.4 料液濃度對膜通量及截鹽率的影響

高鹽廢水料液濃度對膜通量和截鹽率的影響結(jié)果見圖5。實(shí)驗(yàn)中采用疏水性PTFE 中空纖維膜，設(shè)置高鹽廢水料液流量為1 m3/h，料液溫度為70 ℃，膜下游側(cè)壓力值維持在15 kPa。在此操作條件下，通過圖5可以看出，隨著高鹽廢水料液濃度的增大，膜通量逐漸減小，而膜截鹽率維持在99.8%以上。這是因?yàn)檎婵漳ふ麴s過程，在膜的原料液側(cè)存在濃度邊界層，料液濃度的升高會(huì)導(dǎo)致邊界層的濃差極化現(xiàn)象加劇，進(jìn)而導(dǎo)致傳質(zhì)效果變差，膜通量降低。同時(shí)，料液的黏度會(huì)隨著含鹽量濃度的增加而增加，黏度增加又會(huì)導(dǎo)致濃度邊界層和溫度邊界層變厚，使得蒸氣壓降低，傳質(zhì)推動(dòng)力減小，膜通量降低?？偟膩碚f，料液濃度增加會(huì)導(dǎo)致膜通量降低。

圖5 料液濃度對膜通量及截鹽率的影響
Fig.5 Effect of feed liquid concentration on membrane flux and salt interception rate

3 結(jié)論

針對工業(yè)生產(chǎn)中常見的含氯化鈉（NaCl）高鹽廢水，以疏水性PTFE 中空纖維膜組件為載體，采用真空膜蒸餾的方式進(jìn)行濃縮處理實(shí)驗(yàn)研究，研究各項(xiàng)操作條件對膜通量和截鹽率的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膜下游側(cè)壓力增加，膜通量會(huì)逐漸降低；廢水料液流量和料液溫度的增加均有助于提高膜通量；廢水料液濃度的增加，會(huì)抑制傳質(zhì)過程，降低膜通量。各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作條件對膜截鹽率的影響很小，膜截鹽率一直保持在99.8%以上，說明疏水性PTFE 中空纖維膜蒸餾用于高鹽廢水濃縮具備可行性。