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反渗透技术在重金属废水处理与回用中的应用

[导读]介绍了反渗透技术的原理、反渗透技术在重金属废水处理及回用中应用需注意的问题以及近年来的最新研究成果和应用实例, 并展望了进一步研究的方向和发展趋势

电镀、采矿、化工、冶金等行业在生产过程中会产生大量含重金属的废水, 主要有矿山排水、废石场淋浸水、选矿厂尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属加工厂酸洗水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗排水, 以及电解、农药、医药、油漆、颜料等工业废水〔1〕。废水中重金属离子的种类、含量及其存在形态随不同生产情况而异, 差异很大。重金属离子污染成分在环境中只能改变其形态或被转移、稀释、积累, 但不能去除或降解, 危害很大。这些废水排放到环境中, 不仅浪费了资源还严重污染环境, 对此国家制定了严格的排放标准, 含重金属的废水必须进行处理〔2〕。

处理重金属废水的方法有很多, 如化学法、离子交换法、电解法、吸附法、反渗透法等。但由于重金属废水处理达标排放要求非常严格, 对量大、成分复杂的工业废水, 只有化学法、吸附法和反渗透法比较适用〔3〕。

化学法、吸附法等传统的废水处理技术, 处理药剂使用量大、运行费用高、反应慢且不易控制、处理效果不理想、出水水质差、残渣不稳定、回收贵金属难, 而且大多只是污染物质的转移, 会造成二次污染〔4, 5〕。用反渗透技术处理含重金属的废水则不需投加药剂, 能耗低, 设备紧凑, 易实现自动化, 不改变溶液的物理化学性质, 可以回收清水和贵金属, 适用于封闭循环无排放系统〔6〕。此外反渗透膜技术还有除杂范围广、装置简单和操作方便等优点。应用反渗透装置在处理重金属离子的同时, 还可以去除污水中其他有害物质〔3〕。

1 反渗透的原理

反渗透是渗透作用的逆过程, 一般指借助外界压力的作用使溶液中的溶剂透过半透膜而阻留某种或某些溶质的过程。实现反渗透有两个条件: 一是操作压力必须大于溶液的渗透压; 二是必须有一种高选择性、高透水性的半透膜〔7〕。用于反渗透的半透膜表面微孔尺寸一般在 1 nm 左右, 能去除绝大部分离子、质量分数 90%~95%的溶解固形物、95%以上的溶解有机物、生物和胶体以及 80%~90%的硅酸,因此反渗透处理的出水净化程度高, 能满足回用要求〔8, 9〕。在处理重金属废水时, 反渗透的截留机理主要是筛分机理和静电排斥, 因此重金属离子的截留效果还与重金属离子的价态有关 〔10, 11〕。

2 反渗透技术处理需注意的问题

2.1 反渗透膜的选择和成本分析

目前国际上生产反渗透膜的企业很多, 我国市场上即有许多国产品牌的反渗透膜, 又有不少进口品牌反渗透膜, 各种膜在性能和价格上各有千秋, 不同厂家生产的膜在抗污染能力、去除污染物的能力、产水量等方面的性能不同。不同废水含有的溶质及其浓度不同, 性质各异, 用反渗透法时注意废水的酸、碱、氧化性是极为重要的, 以便选择合适的反渗透膜〔12〕。对于膜的选择, 现在很多膜生产企业都有自己的设计软件, 能够根据水质选择膜的型号、渗透量、浓缩倍数等, 并能评估设计方案的可靠性、处理效果、膜的寿命〔13〕。

反渗透技术处理效果好, 但其装置费用较高, 随着膜材料的发展, 高效膜的出现, 其成本将会不断下降〔3〕。反渗透技术用于重金属废水回用处理, 一次性投资相对化学法和吸附法要高, 但反渗透不需另外加药, 处理后出水不需后续处理就可直接回用, 运行费用低, 回收的重金属产品也可获得不少利润, 投资回收期短。

2.2 预处理

合理的预处理方法可以延长反渗透膜的使用寿命, 降低水处理的成本, 提高出水水质。反渗透技术使用中的一个关键问题是它的进水水质必须符合要求, 否则膜很快被污染, 这会大大影响膜的使用寿命。国内曾发生过由于反渗透进水前处理不完善, 进水水质不合格, 反渗透膜仅使用两周被迫报废的事例〔14〕。可见进水水质对反渗透工艺是极其重要的。

应用反渗透技术处理重金属废水时, 尽管膜对重金属离子有高分离率, 但反渗透对处理液中的离子浓度有一定要求, 当金属离子浓度很高时, 会造成渗透压升高, 膜的分离性能降低, 因此高浓度的重金属离子废水在进行反渗透处理前可先进行化学沉淀, 降低重金属离子浓度〔14〕。合适的超滤预处理, 也可以有效减少反渗透膜的结垢, 增加反渗透的通量〔15〕。

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