环境治理中膜接触器的应用研究

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　　摘要：膜接触器可以将膜分离与化工单元操作进行有效结合，是一种先进的高效分离器，可在不同接触的情况下实现相间传质，被广泛应用于废气治理、重金属选择吸收等环境治理中。对此，本文首先对膜接触器的分类原理及结构形式进行介绍，然后对不同膜接触器在环境治理中的应用原理进行分析，并以某废水治理项目为研究对象，对膜接触器在环境治理中的应用方式进行深入研究。
　　关键词：膜接触器;分类;原理;结构应用
　　中图分类号：X703.2 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）02-00-02
　　DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.015
　　Abstract：Membrane contactor can effectively combine membrane separation with chemical unit operation.It is an advanced high-efficiency separator that can realize phase-to-phase mass transfer without contact.It is widely used in waste gas treatment and selective absorption of heavy metals.Governing. In this regard， this article first introduces the classification principle and structural form of membrane contactors，then analyzes the application principles of different membrane contactors in environmental treatment， and takes a wastewater treatment project as the research object to analyze the membrane contactors in the environment. Further research on the application of governance.
　　Key words：Membrane contactor;Classification;Principle;Structural application
　　膜接触器技术是在微孔膜技术基础上发展起来的新型杂化膜过程，膜接触器传质比表面积，另外，通过膜所隔离的两流体相相互独立，因此可避免发生液泛、沟流等问题，与分散相接触分离器相比应用优势明显，被广泛应用于废水治理、医药、食品等领域。因此，对膜接触器技术在环境治理中的应用方式进行深入研究意义重大。
　　1 膜接触器的分类
　　1.1 按膜两侧流体形态
　　膜两侧两相流体的形态有所不同，据此可将膜接触分离器分为液/液型、液/气型、气/液型三种。
　　1.2 按工作原理
　　根据膜接触器工作原理不同，可将其分为气体吸收膜接触器以及连续萃取膜接触器等。
　　1.3 按膜结构
　　根据膜接触器所用膜材料不同，可将其分为复合型膜接触器、无孔膜接触器以及多孔膜接触器。
　　2 膜接触器原理及结构形式
　　在膜接触器的应用中，在气/液或者液/液不混溶的基础上，即可通过膜分离，对于各个组分不具有选择性，只可作为气/液或者液/液的屏障，两相不会发生混合或者分散，组分可通过扩散的方式，从一相转移至另一相，在此过程中可保持相平衡，因此，蒸馏、萃取、结晶、催化等反应均可在膜接触器中完成。
　　膜接触器的结构形式有很多种，包括旋转环式、平板式、中空纤维式等等，其中，中空纤维式最为常见，中空纤维式是由多个微孔聚丙烯（PP）中空纤维膜相互交错所形成的，在膜接触器中心位置有挡板结构，能够有效减少程旁路，壳程液体流速与膜表面保持垂直，因此传质效率比较高。
　　3 不同膜接觸器在环境治理中的应用原理
　　3.1 膜蒸馏（MD）
　　在膜蒸馏过程中，热侧溶液中容易挥发的组分可以通过疏水微孔膜，以气态的形式进入冷侧，在冷凝作用下，即可实现膜分离。根据透过侧不同，可将膜蒸馏分为多种类型，包括吸气式膜蒸馏、直接接触式膜蒸馏、低压式膜蒸馏等等。膜蒸馏过程可以在低温常压下进行，因此，只需提供太阳能、地热能作为能源基础即可，应用成本比较低。另外，在环境治理中，膜蒸馏方式对于离子、难挥发性物质等的截留率将近100%。
　　3.2 膜吸收
　　膜吸收法是一种新型脱氨技术，其通过应用微孔疏水膜，能够将料液和吸收液进行有效分离，在膜两侧，易挥发组分可形成分压差，据此可作为驱动力，可促进料液通过膜孔转移至吸收液侧。膜吸收法的脱氨性能优势明显，主要被应用于氨氮废水环境治理中。
　　3.3 膜萃取
　　膜萃取又被称为固定膜界面萃取技术，其能够将膜过程与液/液萃取进行有效结合，通过分隔料液相以及萃取相的微孔膜表面即可完成传质过程。膜萃取能够有效减少萃取剂在料液中的夹带损失，还可使用高效萃取剂，在膜基反萃（MBSS）过程中，萃取剂可再生。
　　3.4 膜填料替代
　　通过将中空纤维膜应用于精馏分离中，中空纤维膜的接触比表面比较大，设备体积小，同时，液体可充满中空纤维膜，如果流速比较低，接触面积依然可保持稳定。另外，膜可有效分离气液，使得二者无需直接接触，进而避免液泛现象。
　　4 膜接触器在废水治理中的应用实例
　　4.1 废水水质
　　在某工厂生产中，两套液氨整理设备同时运行，工厂每日废水排放量在150～200m3之间。在建设废水处理站后，严格执行GB4287-2012《纺织染整工业水污染物排放标准》中的要求，在对废水进行净化处理后，可将废水引入至排放管网中。 　　4.2 废水特性分析
　　在该工厂生产中，所排放的液氨整理废水中的有害物质包括氨氮、微量挥发性有机物以及硫酸根等等。在废水环境中，微量挥发性有机物的浓度比较低，但是在环境治理中会造成表面张力降低，进而造成膜接触器润湿率增加，同时传质性能不断降低，由此可见，在废水环境治理中，应采取有效措施提升表面张力。
　　4.3 废水治理工艺
　　综合考虑该工厂废水水质特征，在废水环境治理中，将袋式过滤、活性炭吸附与膜接触器脱氨进行有效结合。
　　4.3.1 袋式过滤器
　　在袋式过滤器的应用中，由于滤袋具有过滤作用，因此在废水治理中可截留废水中的悬浮物、织物纤维等，避免对后续治理过程造成不良影响。该废水治理站所用系统是由2个?220mmxl200mm的袋式过滤器所组成的，并配有2个10μm滤袋，其中1个备用。单套袋式过滤器系统的废水处理能力为10m3/h。
　　4.3.2 活性炭吸附
　　活性炭吸附法的应用原理为活性炭对于废水中的微量有机物可发挥吸附净化作用，有效去除各类微量挥发性有机物，提升废水表面张力，在经过活性炭吸附作用后，出水即可满足膜接触器对于表面张力的要求。活性炭吸附系统是由3个?1500×4300mm的活性炭罐所组成的，颗粒活性炭的碘值在900以上，系统为两用一备结构形式，单套设备的废水环境治理能力为10m3/h。
　　4.3.3 膜接触器
　　在该工厂废水治理中，膜接触器是由48只聚丙烯中空纤维膜组件所组成的，共分为8路，每路采用6级串联方式。废水首先进入袋式过滤器，然后再通过活性炭吸附罐的吸附作用，最后即可进入至膜接触器装置中。在膜接触器装置前，安装热交换器以及自动温控系统，水温在35℃左右，另外还需采用pH值自控系统，通过加入一定量的NaOH，可将废水pH控制在11.5～12之间，另外，吸收液为pH在1～2之间的稀硫酸溶液，在酸循环作用下，即可吸收废水通过膜的氨分子。
　　4.4 环境治理效果
　　该工厂采用上述复合废水治理系统，设备运行稳定性较高，在废水治理中加强检修，对于部分受损的膜接触器及时更换，出水水质稳定，满足系统设计要求。在废水治理系统的实际运行中，当废水经过活性炭吸附罐后，废水表面张力可从45～60mN/m提升至65～70mN/m，能够有效满足膜接触器废水治理实际需要。另外，在经过六级膜接触器的脱氨作用后，废水氨氮去除率可达到98%以上，废水在经过净化处理后，出水氨氮质量浓度低于18mg/L。该工厂高浓度氨氮废水在经過上述处理后，可达到清洁生产要求，该废水治理系统的运行成本在30～40元/m2之间。
　　5 结语
　　综上所述，本文主要对膜接触器在环境治理中的应用进行了详细探究。新型膜接触器具体包括膜蒸馏、膜填料替代膜吸收以及膜萃取，具有高效、节能等特点，在废水废气治理中应用优势明显。在未来的发展中，还应加强对于低廉、高稳定膜材料的研究，促进该项技术的推广应用。
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　　收稿日期：2020-01-04
　　作者简介：代培春（1990-），男，汉族，本科学历，助工，研究方向为环境工程。
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