無機(jī)陶瓷膜處理冷軋乳化液廢水
來源：江蘇久吾高科技股份有限公司 閱讀：2920 更新時間：2009-08-13 13:431 前 言
在鋼鐵廠，為了消除帶鋼冷軋時產(chǎn)生的變形熱，常以乳化液作潤滑、冷卻劑。乳化液主要由20%的礦物油或植物油、乳化劑和水組成。由于乳化液因水分受熱蒸發(fā)，使鹽含量增加、穩(wěn)定性降低，也會因氧化或細(xì)菌作用而變質(zhì)，所以要連續(xù)排出一部分老的乳化液，補(bǔ)充新的乳化液，一般使用2-3個月就要全部更新。在排放以前需經(jīng)過一定的處理，以除去廢水中油類物質(zhì)。一般的治理方法有化學(xué)法、物理法、加熱法和機(jī)械法等，當(dāng)前使用最多的是化學(xué)法和膜分離法。
化學(xué)法治理的主要缺點(diǎn)是消耗大量的化學(xué)藥劑，并難以達(dá)到理想的破乳效果，且產(chǎn)生新的含油污泥。膜分離方法主要是通過膜對油滴及懸浮粒子的有效截留，而達(dá)到油水分離的目的。具有出水水質(zhì)好、操作方便、占地面積小、不產(chǎn)生新的污泥等優(yōu)點(diǎn)。高分子膜在此方面已有了較多的研究和應(yīng)用。但由于其材料本身的限制，對于膜污染的控制手段、膜清洗的方法等方面均受到一定的限制，主要表現(xiàn)為通量較低以及出水的油含量難以穩(wěn)定。與有機(jī)膜相比，無機(jī)陶瓷膜由于其具有較高的通量、優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的截留能力及耐酸堿、耐有機(jī)溶劑、清洗方便、使用壽命長等突出優(yōu)點(diǎn)，已日益顯示出其極強(qiáng)的競爭力，成為乳化液廢水治理有發(fā)展前景的方法之一。如Bansal等用動態(tài)氧化鋯膜對各種類型的乳化液廢水進(jìn)行了處理，以及Behave and Fleming使用氧化鋁膜在此領(lǐng)域也進(jìn)行了一些研究工作，得出了一些規(guī)律。但由于各應(yīng)用體系的特殊性，仍需對特定的體系研究主要的操作參數(shù)對過濾性能的影響，以確定適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件。本文采用國內(nèi)已工業(yè)化生產(chǎn)的陶瓷微濾膜處理鋼鐵廠乳化液廢水，以得到合適的膜操作參數(shù)和清洗條件，為陶瓷膜在此領(lǐng)域的進(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用提供依據(jù)。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2.1 原料液性質(zhì)
料液由某鋼鐵廠提供，主要由一些陰離子型表面活性劑、礦物油、水及一些其他雜質(zhì)組成，呈灰色，pH為6-7左右，性質(zhì)較為穩(wěn)定，油含量為5g/L。
2.2 實(shí)驗(yàn)流程
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實(shí)驗(yàn)采用錯流過濾的操作方式，流程如圖1所示。料液在儲槽內(nèi)經(jīng)泵輸運(yùn)通過流量計(jì)，進(jìn)入膜管，在操作壓差的推動下，料液在膜表面進(jìn)行滲透，進(jìn)入滲透側(cè)，截留液返回儲槽。
2.3 分析方法
對于油含量的分析，原料液采用重量法，石油醚萃；滲透液采用非分散紅外法FOMA2300油分儀(佛山分析儀器廠)。
3 結(jié)果與討論
3.1 膜的選擇
本實(shí)驗(yàn)采用0.2μm的氧化鋁和0.2μm氧化鋯膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。操作條件：溫度為12℃，操作壓差0.1MPa，膜面速度7m/s，通量結(jié)果如圖2所示。由圖中可以看出，氧化鋯膜通量明顯高于氧化鋁膜，這是因?yàn)檠趸啽砻鎻?qiáng)極性的作用，使油對膜的粘附功小，油滴不易吸附在膜的表面，減少了膜孔的堵塞及膜表面油滴的吸附，從而改善了膜的污染情況，使得氧化鋯膜較氧化鋁膜的滲透通量高。許多研究者發(fā)現(xiàn)在膜過濾的過程中，過濾的機(jī)理并不是單純的由孔徑控制[7]。如膜表面與顆粒的親合力，膜表面對顆粒的吸附等因素，在過濾中也起著重要的作用。對于滲透液油含量的分析結(jié)果，兩種膜過濾的滲透液油含量均小于10-2kg/m3，達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，0.2μm的氧化鋯膜無論是初始過濾通量還是穩(wěn)
定過濾通量均高于氧化鋁膜，且滲透液的含油量達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。因此采用0.2μm的氧化鋯微濾膜對冷軋乳化液廢水處理較為優(yōu)越。
3.2 操作條件的確定
3.2.1 操作壓差對過濾性能的影響
過濾壓差ΔPt=(P1+P2)/2-P3，即膜管入口和出口的平均壓力與滲透側(cè)的壓力之差，為傳質(zhì)過程的推動力，是影響膜過濾性能的重要因素之一。圖3是各操作壓差下，膜過濾基本穩(wěn)定時的通量。對于純水過濾，ΔPt與通量成正比關(guān)系；而對于乳化液廢水，則存在一個臨界操作壓差，即在臨界壓力范圍以內(nèi)，屬壓力控制區(qū)，一般是過濾通量隨操作壓差增大而增大；超過臨界操作壓差后，操作壓差增大，傳質(zhì)阻力增大，操作壓差對通量的影響則不明顯，表明了在膜表面開始形成凝膠阻力層。同時操作壓過高，容易把油滴擠入膜孔內(nèi)，從而引起膜孔堵塞，過濾層孔徑減小，因此膜污染的程度加重。從圖3中可以看出曲線上的趨勢在0.15-0.20MPa左右通量變化比較緩慢，故操作壓差為0.2MPa以下較合適。
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3.2.2 膜面速度對過濾性能的影響
在陶瓷膜過濾液體的應(yīng)用中，一般采用錯流過濾的作用方式，由于流體剪切力的作用，可以減少膜表面的沉積和濃差極化的影響。對于含顆粒體系，膜面速度對過濾性能的影響與顆粒的粒徑分布、料液的濃度及料液的流體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。一般認(rèn)為膜面速度增大，膜通量提高。但是膜面速度的增大意味著能耗的增加。因此，對于膜面速度對過濾性能的影響的研究很有必要。本文在溫度為12℃、ΔPt為0.1MPa時對不同膜面速度對過濾性能的影響進(jìn)行了研究。
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由圖4可以看到流速增大過濾通量有所上升。這是由于流速增大，膜管內(nèi)流體的剪切力增大，帶走膜表面的油滴越多，減小了凝膠層的厚度，即減小了過濾的阻力。但流速的提高意味著能耗的增大。綜合考慮膜面速度對通量、能耗的影響，可以得出：膜面速度一般在57m/s較為適宜。
3.2.3 溫度對過濾性能的影響
溫度對過濾過程的影響比較復(fù)雜。溫度上升，滲透液的粘度下降，擴(kuò)散系數(shù)增加，減少了濃差極化的影響。但溫度上升會使料液的某些性質(zhì)改變。如會使料液中某些組分的溶解度下降，使吸附污染增加[9]。溫度的改變也會影響膜面及膜孔與料液中可引起污染的成分的作用力，這些都會影響過濾的性能。對于本實(shí)驗(yàn)體系料液的主要成分是油滴、表面活性劑、水及其它一些雜質(zhì)。溫度對過濾通量的影響主要是溫度對液體粘度的影響、溫度對料液中油滴粒徑分布及油滴與膜表面作用力的影響。圖5的操作壓差為0.1MPa、膜面速度為7m/s，不同溫度下膜通量隨時間的衰減曲線？梢钥闯鰷囟扰c過濾起始通量的影響較為顯著。這主要是粘度的改變所致。但是膜通量在高溫下的衰減較為迅速，隨著溫度的升高，膜通量下降幅度增大，尤其是溫度上升到45℃時，穩(wěn)定時通量較35℃時小。因此，可以認(rèn)為，溫度升高，雖然滲透液的粘度減小，并可以改善濃差極化的影響，有利于提高膜通量。但另一方面，溫度升高，使膜孔及膜表面對料液中可引起污染的組分的作用力改變，降低了膜通量。溫度在35℃以下時，前者的影響起主要的作用。溫度繼續(xù)升高，后者的影響逐漸增大。因此較為適合的操作溫度應(yīng)在35℃左右。
3.3 膜的清洗
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對于含油廢水體系，主要污染源為油污以及一些無機(jī)離子的沉積或吸附，選用表面活性劑和硝酸對膜進(jìn)行清洗。表面活性劑可以除去膜表面及膜孔內(nèi)的油污等有機(jī)物，而硝酸則可以去除一些無機(jī)離子。圖6為250mol/m3的硝酸與4kg/m3的表面活性劑在常溫下依次對膜清洗20分鐘，多次清洗膜水通量的恢復(fù)情況。在0.1MPa的操作壓力下，新膜的水通量為0.35m3(m2·h)-1左右，用過以后每次清洗的通量基本上恢復(fù)在0.280.30m3(m2·h)-1之間。在過濾的過程中逐漸增加操作壓力，以加速膜的污染，當(dāng)通量降至0.07m3(m2·h)-1左右時，對膜進(jìn)行清洗，可以看出清洗后膜的過濾能量仍有較好的恢復(fù)。
3.4 與其它膜處理結(jié)果的比較
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表1給出的無機(jī)膜與有機(jī)膜對冷軋乳化液的處理結(jié)果，可以看出，本實(shí)驗(yàn)采用的氧化鋯膜在處理乳化液廢水的過程中無論是過濾通量還是滲透液油含量均具有較好的效果。
4 結(jié) 論
通過對陶瓷膜處理冷軋乳化液廢水的處理過程進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：
1.對于冷軋乳化液廢水的處理，采用氧化鋯膜較氧化鋁膜有較高的通量，并能保證一定的截留率，透過液油含量可小于10-2kg/m3，達(dá)到國家環(huán)保排放要求；
2.通過對工藝條件的研究，認(rèn)為較為合適的操作參數(shù)為：操作壓差在0.2MPa以下，膜面流速宜選在57m/s，溫度應(yīng)在35℃左右；
3.表面活性劑及硝酸的清洗可以基本上恢復(fù)膜的通量，膜再生具有良好的重復(fù)性。
