電鍍含鋅廢水的納濾－反滲透處理回用研究
                   茆亮凱1，張林生1，陸繼來(lái)2，王志良2，趙珊珊2
    （1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096；2.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇南京210036）
    摘要：采用納濾（NF）-反滲透（RO）組合工藝濃縮回收電鍍含鋅廢水，研究了運(yùn)行壓力、進(jìn)水含量、pH、水溫對(duì)膜分離效果的影響。結(jié)果表明，NF-RO1812膜對(duì)Zn2+具有良好的截留效果，產(chǎn)水電導(dǎo)率在25μS·cm-1以下，產(chǎn)水Zn2+的質(zhì)量濃度均低于0.7 mg·L-1，累計(jì)回收率高達(dá)85.6%，可直接回用于鍍件的清洗；濃縮液經(jīng)RO二級(jí)濃縮后，Zn2+的質(zhì)量濃度由454.8 mg·L-1濃縮至1 500 mg·L-1，可用于電鍍槽液的配制。
    關(guān)鍵詞：電鍍廢水；納濾；反滲透；回用
    中圖分類號(hào)：TQ028.8；X781.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-3770(2011)03-0105-003
    電鍍廢水中含有重金屬離子、氰化物等污染物，若不經(jīng)處理排放，對(duì)環(huán)境、人類危害極大。目前，國(guó)內(nèi)外電鍍含鋅廢水的處理方法中，化學(xué)沉淀法運(yùn)行費(fèi)用高，吸附法和離子交換法操作管理復(fù)雜，蒸發(fā)濃縮法能耗則大。膜分離法是一個(gè)高效、環(huán)保的分離技術(shù)，用于廢水處理，具有高效、出水水質(zhì)穩(wěn)定性好、連續(xù)化操作、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在電鍍廢水的處理回用方面有良好的前景[2]。
    本試驗(yàn)采用納濾（NF）-反滲透（RO）組合工藝對(duì)電鍍漂洗含鋅廢水進(jìn)行分離濃縮，產(chǎn)水回用于鍍件清洗，濃縮液的Zn2+含量達(dá)到鍍液的回用要求。
    1·試驗(yàn)部分
    1.1工藝流程
    含鋅廢水NF-RO回用工藝流程如圖1所示。
              
    含鋅廢水間歇排入進(jìn)水箱，經(jīng)提升泵依次進(jìn)入微濾（MF）、NF和RO裝置。RO產(chǎn)水收集回用，NF、RO濃縮液均回流至進(jìn)水箱，不斷分離濃縮，直至RO產(chǎn)水電導(dǎo)率不能滿足回用要求（>25μS·cm-1）后，排空進(jìn)水箱內(nèi)濃縮液，開(kāi)始下一批次運(yùn)行。收集的濃縮液經(jīng)RO膜二級(jí)濃縮后返回鍍槽回用，產(chǎn)生的淡水進(jìn)入NF-RO工藝的進(jìn)水箱，可以實(shí)現(xiàn)廢水的零排放。與傳統(tǒng)膜法回收工藝相比，該工藝具有水回收率高、溶質(zhì)濃縮倍數(shù)大、投資成本及運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)水及濃縮液均具有回收利用價(jià)值。
    1.2膜材料
    試驗(yàn)采用美國(guó)某公司的RO1812芳香聚酰胺RO膜，截留相對(duì)分子質(zhì)量50～100，pH適用范圍為4～10；NF膜組件采用該公司NF 1812膜，截留相對(duì)分子質(zhì)量500～1 000，pH適用范圍為3～11。2種膜組件均為卷式，有效膜面積均為0.8 m2。試驗(yàn)用微濾膜孔徑為0.5μm。
    1.3廢水水質(zhì)
    含鋅廢水由鍍鋅槽液稀釋而成，鍍鋅槽液的組成及質(zhì)量濃度分別為：硫酸鋅350g·L-1，硫酸鈉50g·L-1，硫酸鋁30 g·L-1，明礬50 g·L-1。配制及稀釋用水均為電導(dǎo)率小于0.1μS·cm-1的純水，并用稀H2SO4調(diào)pH為3.8～4.4。
    2·結(jié)果與討論
    2.1影響膜分離性能因素
    2.1.1壓力
    由于膜產(chǎn)水側(cè)與大氣相通，壓力為0，故膜2側(cè)壓力差（Δp）即為進(jìn)水側(cè)壓力。取5 mL鍍鋅槽液稀釋至10L作為NF膜進(jìn)水，其中ρ(Zn2+)為68.5mg·L-1，電導(dǎo)率329μS·cm-1，pH為4.28，水溫23.5℃；RO進(jìn)水ρ(Zn2+)為40 mg·L-1，電導(dǎo)率為189μS·cm-1，pH為4.56，水溫16.1℃。壓力對(duì)NF 1812及RO 1812膜分離性能的影響如圖2所示。
             
    試驗(yàn)表明，NF及RO膜通量（Jw）均幾乎與操作壓力呈線性增加，與優(yōu)先吸附-毛細(xì)孔流模型相符合[3]。
    從圖2（a）可見(jiàn)，NF膜對(duì)Zn2+的截留率（R）隨著壓力的升高而下降，且壓力大于0.4 MPa時(shí)，下降速度加快。這可能與“滯流層”的厚度和含量增加速度過(guò)快有關(guān)[4]。
    從圖2（b）可見(jiàn)，RO 1812膜對(duì)Zn2+離子的截留率均在99.4%以上，產(chǎn)水的Zn2+含量均保持在較低，質(zhì)量濃度最低可達(dá)0.12 mg·L-1，產(chǎn)水電導(dǎo)率均在5μS·cm-1以下，可直接回用于金屬鍍件的清洗。
    綜合NF和RO膜出水的Zn2+含量、電導(dǎo)率及膜通量等因素，回用工藝中的NF和RO膜的操作壓力分別設(shè)為0.35 MPa和0.5 MPa。
    2.1.2進(jìn)水Zn2+含量
    取鍍鋅槽液稀釋成不同Zn2+含量，在0.35 MPa下通過(guò)NF膜。結(jié)果如圖3所示。
           
    可見(jiàn)，隨進(jìn)水Zn2+含量的升高，NF 1812膜對(duì)Zn2+的去除率呈下降趨勢(shì)，且當(dāng)Zn2+的質(zhì)量濃度低于120 mg·L-1時(shí)，影響不明顯。另外，進(jìn)水Zn2+含量的增加導(dǎo)致溶液滲透壓增大，從而使膜通量減小。因此，在進(jìn)行NF分離時(shí)，降低進(jìn)水中重金屬離子的含量可有效提高膜的分離效果。
    2.1.3 pH
    試驗(yàn)進(jìn)水ρ(Zn2+)為39.6 mg·L-1，水溫12～13℃。膜裝置運(yùn)行壓力為0.35 MPa。通過(guò)投加NaOH溶液改變進(jìn)水pH，考察pH對(duì)NF分離Zn2+離子特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
             
    由圖4可知，NF1812膜對(duì)Zn2+的截留率隨進(jìn)水pH的升高先有所下降后上升。當(dāng)pH在5～6時(shí)，截留率最低。這是由于NF1812膜在此范圍內(nèi)處于等電位或0電勢(shì)（ZPC），即膜表面不帶有電荷[5]。等電位之前，聚酰胺膜帶正電荷，對(duì)荷正電的Zn2+具有靜電斥力，有利于截留；等電位之后，NF膜開(kāi)始帶負(fù)電荷，不利于Zn2+的截留。因此，按等電位原理，NF膜對(duì)Zn2+的截留率應(yīng)隨pH的增加而逐漸降低，但當(dāng)pH大于6時(shí)，溶液中的OH-與Zn2+形成絡(luò)合物，提高了Zn2+的截留率。
    由于膜在較低pH時(shí)對(duì)Zn2+同樣具有良好的分離性能，故回用工藝進(jìn)水的pH控制在3～5。
    2.1.4水溫
    考察了進(jìn)水溫度對(duì)NF膜分離性能的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的增加，NF膜的水通量上升，截留率下降，Zn2+的泄漏量也呈上升趨勢(shì)。當(dāng)溫度低于25℃時(shí)，膜通量及截留率變化不大。由于回用工藝的進(jìn)水水溫維持在15～25℃，因此溫度對(duì)工藝運(yùn)行效果的影響可以忽略。
    2.2 NF-RO回用分離濃縮含鋅廢水
    試驗(yàn)進(jìn)水有效體積18 L，進(jìn)水水質(zhì)及NF、RO膜運(yùn)行參數(shù)（電導(dǎo)率σ、壓力p、膜通量Jw、水的回收率fR、脫鹽率等）分別見(jiàn)表2和表3。
             
    NF-RO回用運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖5（V為產(chǎn)水體積）。
             
    從圖5（a）可以看出，在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)產(chǎn)水體積及回收率逐漸上升，但增加速度逐漸減慢，這是由于分離過(guò)程也是濃縮過(guò)程，系統(tǒng)進(jìn)水含量不斷增加，膜通量下降。運(yùn)行70 min后，可獲產(chǎn)水體積15.4 L，產(chǎn)水回收率達(dá)85.6%。
    從圖5（b）可以看出，產(chǎn)水電導(dǎo)率隨著回收率的增大而增加，且上升速度加快，產(chǎn)水的Zn2+含量也不斷上升。從運(yùn)行初期至產(chǎn)水電導(dǎo)率達(dá)10μS·cm-1，產(chǎn)水回收率達(dá)74.4%，即說(shuō)明系統(tǒng)可獲得74.4%的去鹽水，可回用于精密電鍍的清洗。系統(tǒng)產(chǎn)水回收率達(dá)85.6%時(shí)，產(chǎn)水中Zn2+的質(zhì)量濃度為0.64mg·L-1，電導(dǎo)率上升至25μS·cm-1，此時(shí)產(chǎn)水不能滿足清洗回用要求，停止分離淡液。
    系統(tǒng)進(jìn)水Zn2+的質(zhì)量濃度為68.75 mg·L-1，pH為4.28，經(jīng)NF-RO串聯(lián)濃縮后Zn2+的質(zhì)量濃度為454.8 mg·L-1，pH為3.78，濃縮倍數(shù)n為6.7倍。濃縮液仍未達(dá)到配制槽液要求，因此試驗(yàn)中采用RO膜對(duì)其進(jìn)行二級(jí)低壓濃縮，運(yùn)行壓力設(shè)為0.2 MPa，運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖6。
              
    從圖6可以看出，隨著體積濃縮倍數(shù)的增大，濃縮液得到不斷濃縮，RO膜通量呈下降趨勢(shì)，這與溶液滲透壓有關(guān)[7]。濃縮液中Zn2+的質(zhì)量濃度與濃縮倍數(shù)幾乎成線性關(guān)系，說(shuō)明濃縮過(guò)程Zn2+回收率高。當(dāng)濃縮倍數(shù)達(dá)3.4倍時(shí)，濃縮液Zn2+的質(zhì)量濃度由454.8濃縮至1 500 mg·L-1，pH為3.65，可用于電鍍槽液的配制。
    3·結(jié)論
    利用NF-RO組合回用工藝對(duì)電鍍含鋅廢水進(jìn)行分離濃縮達(dá)到回用目的，得到如下結(jié)論：組合回用工藝采用2級(jí)膜分離技術(shù)，淡水串聯(lián)分離，2級(jí)濃水回流濃縮，產(chǎn)水電導(dǎo)率在25μS·cm-1以下，產(chǎn)水Zn2+的質(zhì)量濃度均低于0.7 mg·L-1，累計(jì)回收率高達(dá)85.6%，可直接回用于鍍件的清洗。RO對(duì)濃縮液進(jìn)行二級(jí)濃縮后，廢水中Zn2+濃縮至進(jìn)水的20倍以上，可用于電鍍槽液的配制。
    NF、RO膜最佳運(yùn)行壓力分別為0.35、0.5 MPa。進(jìn)水Zn2+的質(zhì)量濃度低于120 mg·L-1時(shí)，其對(duì)NF及RO膜運(yùn)行效果影響不顯著。當(dāng)進(jìn)水pH、水溫分別控制在3～5和15～25℃時(shí)，2者對(duì)出水水質(zhì)的影響也較小。
    膜分離技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電鍍漂洗廢水的零排放和資源化回用，對(duì)污染的減排和企業(yè)降低生產(chǎn)成本具有重要意義。
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文章來(lái)自：中國(guó)水處理化學(xué)品網(wǎng) 文章作者：網(wǎng)絡(luò)管理員

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