纳滤法去除模拟矿山废水中金属离子的研究_李胤龙

第38卷第1期

2011年

北京化工大学学报(自然科学版)

JournalofBeijingUniversityofChemicalTechnology(NaturalScience)

Vo.l38,No.1

2011

纳滤法去除模拟矿山废水中金属离子的研究

李胤龙 杨晓松 刘 伟

1

2

1*

李 靓

1

(1.北京化工大学化学工程学院,北京 100029;2.北京矿冶研究总院环境工程研究所,北京 100044)摘 要:采用Toray公司生产的UTC-60低压纳滤膜处理模拟矿山废水,主要考察了压力、温度、流量、pH等参数对UTC-60膜通量和金属离子截留率的影响。结果表明:压力升高,膜通量增大,金属离子截留率先升后降;温度升高,膜通量增大,金属离子截留率先降后升;膜通量和金属离子截留率随流量增大均略有增大;pH对膜通量无明显影响,金属离子截留率随pH的升高先升高,到达等电点附近(pH=5)降至最低,随后由于部分金属离子结合OH-形成可溶性氢氧化物导致截留率升高。关键词:纳滤;重金属离子;矿山废水中图分类号:TQ085

引 言

矿山废水主要来源于矿坑水、废石场淋滤水、选矿废水及尾矿池废水

[1]

子量适中,具有高通量高离子截留率等特点,本文采用UTC-60纳滤膜处理模拟矿山废水。考察了UTC-60膜通量和对金属离子截留率在不同操作条件下的变化规律,为UTC-60膜处理实际矿山废水提供

技术支持。

,此类废水中含有大量的

[2]

铜、铅、锌、镉、砷、镍等重金属离子,若直接排放易破坏土壤结构、污染水体和危害人体健康法

[4]

。传统的、微生物

矿山废水处理工艺主要有化学沉淀法

及人工湿地法

[5]

[3]

1 实验部分

111 实验用膜及水质指标

实验所用膜为Toray公司提供的UTC-60低压纳滤膜片,膜片有效面积50124cm,pH范围3~8,切割分子量500,推荐使用温度小于35e。所处理

的模拟废水中重金属离子指标见表1。

表1 模拟废水水质指标

Table1 Qualityindicatorsofsimulatedwastewater

pH2181

Q/mg#L–1

Zn2+300

Cd2+1814

Cu2+4189

2

等。但是这些方法都有各自

的缺点,例如化学沉淀法处理后生成的残渣多、微生物法处理周期过长、人工湿地法占地面积大等。

纳滤膜自20世纪70年代问世以来一直备受人们的关注

[6]

,近年来更是被广泛应用于电镀、纺织

[7]

等行业废水的处理。纳滤膜法一方面对重金属

离子进行了浓缩,而另一方面透过纳滤膜的渗透水还可以循环使用。但目前对纳滤膜用于处理矿山废水的研究相对较少,Visser等Zhong等

[9]

[8]

应用了NF-70、NF-

90纳滤膜对脱除矿山废水中的硫酸盐进行了研究,

用DK4040F纳滤膜处理冬瓜山铜矿废

水,实验结果均显示膜对矿山废水中的二价离子具有很好的截留效果。

以上工作证实纳滤膜用于处理矿山废水中的二价离子是可行的。鉴于UTC-60低压纳滤膜切割分

收稿日期:2010-06-02

基金项目:北京市科技计划(D09030303790902)

第一作者:男,1987年生,硕士生*通讯联系人E-mai:lLiuw@

112 分析仪器

WT-PH861型工业在线pH计,北京万通能环科技有限公司;ULTIMA型电感耦合等离子光谱仪,法

国JY公司;JJ5000型电子天平,常熟市双杰测试仪器厂。

113 纳滤实验装置及流程

纳滤实验装置流程如图1所示。原水罐中的原料液通过稳压泵依次抽至微滤膜组件(5Lm孔径)和微滤膜组件(1Lm孔径)进行预处理,预处理后的

#22#北京化工大学学报(自然科学版) 2011年

池,中间原水罐出口处及纳滤膜池的入口处的加热和冷却装置用于控制料液温度。进入纳滤膜池的废水浓缩液部分流经转子流量计回到原水罐循环使用,渗透液质量通过电子天平称重,数据采集到计算机。在纳滤膜进出口处均设有压力传感器,实验过

程的压力及流量控制均通过阀门调节来实现。

1)原料罐;2)稳压泵;3)微滤(5Lm孔径);4)微滤(1Lm孔径);5)中间水罐;6)加热装置;7)原水电导率;8)叶片泵;9)旁路阀门;10)冷却装置;11)压力传感器;12)烧杯;13)计算机;14)纳滤;15)压力传感器;16)调节阀门;17)流量计;18)浓水电导率;19)清洗罐

图1 纳滤实验装置流程图

Fig.1 Schematicdiagramofthenanofiltrationdevice

114 透过液通量和金属离子截留率的计算

透过液通量JV由式(1)计算JV=

$V

A$t

(1)

图2 压力对膜通量及金属截留率的影响Fig.2

Influenceofpressureonthemembranefluxandremovalefficiencyofmetalions

式(1)中,$V为$t时间内所取得的料液体积;A为

纳滤膜的有效面积。

金属离子截留率R由式(2)计算R=(1-Qp/Qf)@100%

(2)

式(2)中,QQp、f分别为透过液和原料液中重金属离子质量浓度,mg/L。

由图2(b)可知,金属离子的截留率在014~

2+2+

016MPa范围内随压力增大Cd保持不变,Zn和Cu略有增大,016MPa后均随压力增大而减小,这与Frar s等的实验结果相似。出现这种现象的原因是因为压力升高导致膜通量增大的同时也导致了金属离子的通量增大,当膜通量的增大作用占主导时,表现为金属离子截留率上升;当金属离子的通量的增大作用占主导时,表现为金属离子截留率下

[12]

降。这与薛罡等得出的结论相似。综合考虑膜通量、金属离子截留率及能耗的因素,UTC-60膜的适宜操作压力为014~110MPa。212 温度对膜分离性能的影响

在料液pH为2181,流量为20L/h,压力为016MPa的条件下,温度对膜分离性能的影响见图3。鉴于UTC-60膜的推荐使用温度小于35e,实验温度范围为20~35e。

从图3(a)中可以看出,随着温度的升高,膜通量增大很快,这是由以下3方面的因素造成的:一是温度升高,水的黏度减小,使得水分子透过膜的阻力,[11]

2+

2 结果及讨论

211 压力对膜分离性能的影响

在20e,pH为2181,进料流量为20L/h的条件下,考察了压力对膜分离性能的影响,结果如图2所示。

由图2(a)可知,在操作压力范围内,膜通量随压力的增大呈线性增大,这是因为模拟废水中仅含有一定浓度的无机盐离子,膜污染和浓差极化不明显,由不可逆热力学模型膜通量公式(3)

JV=Lp($p-R$P)

[10]

(3)

可知,料液渗透压一定,膜通量随压力的增大而增大。式(3)中,Lp为纯水透过系数;$p为膜两侧压

差R

第1期 李胤龙等:纳滤法去除模拟矿山废水中金属离子的研究#23#

图3 温度对膜通量及金属离子截留率的影响Fig.3

Influenceoftemperatureonthemembranefluxandrejectionofmetalions

图4 流量对膜通量及金属离子截留率的影响Fig.4

Influenceoffluxonthemembranefluxandrejectionofmetalions

升高,缔合体半径减小,水分子更容易透过膜;三是根据溶解-扩散模型,温度升高,聚合物链活性增大、运动加剧,导致膜通道变大。图3(b)则表明随着温度的升高,金属离子截留率先略有下降,随后又略有升高,这是因为当温度升高,水的黏度减小,且由于水是在氢键的作用下以缔合体存在,温度升高,缔合体半径减小,水分子更容易透过膜,导致金属离子截留率上升。同时,温度升高,膜通道变大后,金属离子容易穿透膜,且由于金属离子在溶液中以水合离子的形式存在,温度升高,水合离子半径减小,金属离子通量增大,导致金属离子截留率下降。当金属离子通量的增大作用占主导时,表现为离子截留率下降;当水分子通量增大作用占主导时,表现为离子截留率上升。两种作用共同导致了图3(b)中表现的金属离子截留率趋势。

213 流量对膜分离性能的影响

在温度为20e,pH为2181,进料流量为20L/h的条件下,流量(Q)对膜分离性能的影响如图4所示。

量的增大略有增大,这是因为流量低时,膜面流速低,膜面处存在浓差极化现象,导致膜通量及截留率下降。流量增大后,流速增大,料液的湍动程度增大,膜面的浓差极化减弱,膜通量及金属离子截留率增大。本实验中浓差极化现象不明显,使得增大幅度较小。

214 pH对纳滤膜分离性能的影响

在温度为20e,进料流量为20L/h,压力为016MPa的条件下,pH对纳滤膜分离性能的影响如图5所示。

由图5(a)可知,在实验条件下,膜通量随pH的变化基本保持不变,图5(b)表明,金属离子截留率在pH为415时达到极大值,在pH等于5时截留率达到极小值,pH大于5时,截留率逐渐增大。说明UTC-60膜的等电点在pH为415左右,当pH大于此等电点时,UTC-60膜带负电,重金属离子受膜面负电荷吸引,截留率下降,pH小于此等电点时,UTC-60膜带正电,重金属离子受排斥,截留率相对较高,但由于此时阴离子受膜面正电荷吸引易穿过纳滤膜,为保持电荷平衡,金属离子等阳离子也较易

#24#北京化工大学学报(自然科学版) 2011年

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rejectionofmetalions

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2+

2+

pH大于5时截留率升高是因为部分Zn、Cd、Cu离子和OH形成可溶性络合物如Zn(OH)

2+

-+

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致截留率升高。

3 结论

(1)UTC-60纳滤膜具有较高的膜通量,且对2+2+2+Cr、Zn、Cu截留率较高,在pH为2181,压力为016MPa、流量为20L/h的操作条件下,UTC-60对Cr、Zn、Cu的截留率均可达95%。

(2)UTC-60纳滤膜随压力升高金属离子截留率先升后降,随温度升高截留率先降后升,增大流量能提高金属离子截留率,pH值升高对膜通量影响不大,但金属离子截留率先升高,后降低,pH大于5以后截留率逐渐升高。

(3)改变压力对不同的纳滤膜影响趋势可能不一样。实际工程中使用纳滤膜时,应根据实际水质,通过实验确定适宜的操作压力。参考文献:

[,,.2+

2+

2+

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LIYinLong YANGXiaoSong LIUWei LILiang

1

2

1

1

(1.CollegeofChemicalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029;

2.InstituteofEnvironmentalEngineering,BeijingGeneralResearchInstituteofMingandMetallurgy,Beijing100044,China)

Abstract:TheperformanceofaUTC-60low-pressurenanofiltrationmembranewasevaluatedinthetreatmentofsimulatedminingwastewater.Theeffectsofvaryingthepressure,temperature,fluxandpHonthepermeatefluxandrejectionofheavymetalionswereinvestigated.Theexperimentalresultsshowthatwithincreasingoperatingpressure,thepermeatefluxincreasedandtherejectionofheavymetalionsinitiallyincreased,andthendecreased.Withincreasingtemperature,thepermeatefluxincreasedandtherejectionofheavymetalionsinitiallydecreased,andthenincreased.Boththepermeatefluxandtherejectionofheavymetalionsincreasedslightlyasthefluxin-creased.ThepHhadnosignificanteffectonthepermeateflux.Therejectionofheavymetalionsincreasedbeforetheisoelectricpointwasreached.ThelowestrejectionwasfoundatpH5.Afterthattherejectionincreased,be--causeathigherpHheavymetalionsarecapableofformingcomplexeswithOHions.Keywords:nanofiltration;heavymeta;lminingwastewater

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0tfq.html