CN103933865B - 一种快速确定水处理中纳滤膜种类和操作条件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速确定水处理中纳滤膜种类和操作条件的方法，属于水处理中纳滤膜回用领域。其步骤为：（1）筛选压力X₁、温度X₂、进水流量X₃为响应因子，设计实验组合；（2）采用膜通量Y₁和污染指数Y₂为响应值；（3）将纳滤膜在纯水中浸泡，预压备用；（4）将废水经保安过滤器过滤；（5）进行过滤试验；（6）在步骤（5）完成后膜过滤实验的开始和2h时，分别采用天平测定出水通量，采用电导率仪测定电导率，紫外分光光度计测定UV₂₅₄，得到脱盐率和有机物去除率；（7）确立回归模型方程；（8）确定最佳操作条件；（9）确立膜性能评价指标I。本发明能较快地对纳滤膜性能进行定量评价，并通过量化的方法比较各纳滤膜。

Description

一种快速确定水处理中纳滤膜种类和操作条件的方法

技术领域

本发明属于水处理中纳滤膜回用领域，更具体地说，涉及工业废水的回用中选择纳滤膜的方法及对纳滤膜操作条件优化的方法。

背景技术

纳滤膜分离技术处理工业废水是通过对废水中的污染物的分离而达到废水处理的目的，改变了以前废水处理过程复杂、污染严重、能耗高的局面，使工业废水处理相对简单，无二次污染，而且能回收可再利用物质和水，具有节能、无相变、设备简单、操作方便等特点。当整个工艺系统设计安装完成后，选择适宜的操作条件以减轻膜污染是切实可行的。增大操作压力是提高膜通量的有效途径，但在较高压力条件下膜面易出现浓差极化现象，引起膜污染。因此选择适宜的操作压力是有必要的。进水流量对膜污染，特别是处理高浓度料液时的膜污染有很大的影响。增大进水流量，流体的剪切力增大，有利于带走膜面沉积物，从而有效减轻膜污染。温度升高，一方面能有效降低料液的粘度使纳滤膜的渗透通量增大，另一方面会影响料液中组分的溶解度。一般而言，大部分无机盐的溶解度随温度的升高溶解度增大，但个别的无机盐例如Ca(OH)₂的溶解度随温度升高反而下降。当料液中含有Ca(OH)₂等化合物时，升高温度使此类化合物更易在膜面沉淀析出，促进膜污染，因此对温度的选择应根据所处理废水的组成综合考虑。因此，在实际操作中通过实验的方法确定纳滤膜的最佳操作条件是有必要的。

《微滤/纳滤联用技术深度处理印染废水》（《水处理技术》，第36卷第9期，2010年9月，作者：马江权，郭楠，许守永，候永涛和陆庆玲）马江权，郭楠考察了纳滤膜的COD去除率、盐截留率和脱色效果，并考察了各种操作条件对渗透通量的影响，但没有实现操作条件对膜污染改善的量化研究。

《反渗透膜处理维生素C凝结水的最优条件》（《环境工程学报》，第6卷第12期，2012年12月，作者：肖入峰，刘景洋和张建强）。肖入峰，刘景洋等采用无量纲化多元回归分析方法，分析了操作条件指标与渗透水评价指标两套指标体系之间的关系，定量评价了各个操作条件指标对渗透水评价指标的整体影响程度，并在此基础上研究了最佳操作条件的工艺参数。该方法实验次数多，周期长，不能实现快速评价膜性能，且分析繁琐。

对于纳滤膜的选择及其操作条件的优化，目前并没有一种统一的量化方法来评价各纳滤膜的性能，并进行纳滤膜间比较。现有技术中的纳滤膜性能的评价中，定性分析居多，分析方法复杂，不能实现快速评价膜性能，并实现各纳滤膜间的定量的比较。

发明内容

1.要解决的技术问题

现有技术的膜污染影响研究中，针对操作条件对膜性能的影响未进行数字量化，对于此问题，本发明提供了一种快速确定水处理中纳滤膜种类和操作条件的方法，该方法可以实现快速量化测定操作条件对膜性能影响，并通过量化的测定方法选择适合特定水质的纳滤膜，且通过本发明可以实现操作条件对膜污染改善的数字化研究，为控制操作条件减轻膜污染提供基础。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下。

一种快速确定水处理中纳滤膜种类和操作条件的方法，其步骤为：

（1）根据单因素实验确定操作条件及其范围，筛选压力X₁、温度X₂、进水流量X₃为响应因子，依据Box-Behnken中心组合试验设计原则，设计实验组合；

（2）采用膜通量Y₁和污染指数Y₂为响应值：其中L⁰ _p和L¹ _p分别为纳滤膜初始膜通量、过滤后的膜通量；

（3）将待选的纳滤膜在纯水中浸泡约24h后，再在纳滤系统中压力为1.5～1.6MPa下预压1～1.5h至纯水通量不变，备用；

（4）将废水经保安过滤器过滤；

（5）将步骤（4）中预处理后的废水加入进水槽，在步骤（1）所设计的实验条件下，对步骤（3）预处理后的纳滤膜进行过滤试验；

（6）在步骤（5）完成后膜过滤实验的开始和2h时，分别采用天平测定出水通量，分别为初始膜通量L⁰ _p，过滤后的膜通量L¹ _p，采用电导率仪测定电导率，紫外分光光度计测定UV₂₅₄，得到脱盐率和有机物去除率；

（7）采用Design-Expert软件对步骤（2）中的响应值和步骤（1）中的三个响应因子之间的关系进行分析，确立回归模型方程：

$Y_k=b_0+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{X}_i+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{ii}}{X_i}^2+\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{ij}}{X}_i{X}_j;$

其中Y_k为响应值，k取1，2；Y₁为膜通量，Y₂为污染指数，b₀、b_i、b_ii、b_ij分别为常数、一次回归系数、二次回归系数及相互作用系数；X_i为响应因子，i取1、2、3，X₁为压力，X₂为温度，X₃为进水流量；

（8）分析步骤（7）中的回归模型方程，确定三个响应因子X₁、X₂、X₃和两个响应值Y₁、Y₂在实验区域内的最大和最小值，采用Design-Expert软件中的数值优化功能，得到响应值Y₁膜通量取最大值、Y₂污染指数取最小值时的压力X₁、温度X₂、进水流量X₃，即为最佳操作条件；

（9）确立膜性能评价指标I，在步骤（8）得到的最佳操作条件下，重复进行步骤（4）～（6），得到最佳操作条件下的膜性能评价指标I，选择I值较大的膜，该纳滤膜在最佳操作条件附近过滤，纳滤膜的过滤性能最佳。

优选地，所述的步骤（6）中，脱盐率和有机物去除率的计算方式如下：

脱盐率=（进水电导率-出水电导率）/进水电导率；

有机物去除率=（进水UV₂₅₄-出水UV₂₅₄）/进水UV₂₅₄。

优选地，在所述的步骤（9）中，膜性能评价指标I为：I=初始膜通量×（1-污染指数/100）×脱盐率×有机物去除率。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明的一种快速确定水处理中纳滤膜的种类和操作条件的方法，通过测定膜过滤开始和2h时的膜通量和水质，并通过膜通量、污染指数与操作条件（压力P，温度T，进水流量Q）关系的拟合，能快速得到待测膜的拟合方程，计算得到其最佳的操作条件。在最佳的操作条件下，比较各纳滤膜膜通量、污染指数、出水水质（电导率、UV₂₅₄），得到适合该水质的最优膜。本发明的创新在于能够对膜性能进行快速评价及预测，周期短，能预测得到一定范围的操作条件内各点的膜性能，定量比较各纳滤膜，测定各纳滤膜性能所需时间和工作量都较少；

（2）本发明采用Design-Expert软件计算得到关于响应因子（操作条件）和响应值之间的回归模型方程，考虑到纳滤膜性能随操作条件的连续变化，从而能较快的对纳滤膜性能进行定量评价，精确地优化操作条件，并通过量化的方法比较各纳滤膜；

（3）本发明的一种快速确定水处理中纳滤膜的种类和操作条件的方法，该实验方法所需废水较少，其测定精确度高，操作简单，进而方便对纳滤膜性能的比较、并对其操作条件进行优化。

附图说明

图1为纳滤系统装置结构示意图。

图中：1、冷却装置；2、进水槽；3、进水泵；4、旁通阀；5、压力表；6、流量计；7、纳滤膜膜槽；8、在线天平；9、阀门；10、浓缩液；11、渗滤液。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。但本发明要求保护的范围不局限于实施例所阐述的范围。

实施例1

本实施例的快速确定水处理中纳滤膜的种类和操作条件的方法，其具体步骤如下：

（1）某发酵制药废水生化出水经保安过滤器预处理后的水质如表1：

表1某发酵制药废水生化出水经保安过滤器预处理后的水质

（2）选用星达公司的NFW纳滤膜、海德能公司的HNF90纳滤膜进行试验。膜过滤实验前，以纯水清洗纳滤膜并浸泡约24h后，在1.5-1.6MPa压力下预压1.2h左右，直至纯水的膜通量稳定，备用。

（3）将废水经保安过滤器过滤。纳滤膜分离装置结构简图如图1所示。打开旁通阀4，废水由进水槽2经进水泵3增压进入纳滤膜膜槽7，进水槽2中的废水通过冷却装置1控制温度，纳滤膜分离装置通过压力表5读取操作压力，用流量计6计量进水流量，用在线天平8计量膜通量，打开阀门9后，渗滤液11和浓缩液10均通过管路回流至进水槽2。膜过滤实验在平板式纳滤膜装置上进行，设有三个膜槽，单槽有效膜面积40cm²，本研究采用三槽并联方式平行运行，进水槽2中添加10L经预处理后的发酵制药废水。

（4）在单因素的实验的基础上，依据Box-Behnken中心组合试验设计原则，对纳滤膜过滤实验时压力（X₁）、温度（X₂）、进水流量（X₃）3个因素的3个水平进行响应面实验分析纳滤膜性能。实验设计及结果NFW膜见表2、HNF90见表3。

表2NFW膜实验设计与结果

表3HNF90膜实验设计与结果

（5）采用Design-Expert软件进行统计分析：压力(X₁)、温度(X₂)和进水流量(X₃)，膜通量和污染指数作为响应值，得到的NFW膜和HNF90膜的回归模型方程如下：

NFW膜膜通量=70.70+17.82*X₁+15.48*X₂-2.16*X₃+0.65*X₁*X₂+3.49*X₁*X₃-5.59*X₂*X₃+8.58*X₁ ²+4.58*X₂ ²-0.79*X₃ ²；

NFW膜污染指数=27.61+3.36*X₁+0.81*X₂-0.70*X₃+6.01*X₁*X₂+0.30*X₁*X₃-2.20X₂*X₃+0.12*X₁ ²+3.54*X₂ ²-7.96*X₃ ²；

HNF90膜膜通量=37.83+6.08X₁+2.87X₂+2.28X₃-1.28X₁X₂+1.61X₂X₃-1.86X₂ ²-1.98X₃ ²；

HNF90膜污染指数=24.33+2.87X₁+3.20X₂+0.15X₃+3.84X₁X₂-2.74X₁ ²-2.41X₂ ²-4.85*X₃ ²。

（6）分析回归模型方程，利用Design-Ex pert软件中的数值优化功能，将膜通量最大化，污染指数最小化，得到各纳滤膜的最佳操作条件。对于NFW膜膜通量为95.31L/m²h，膜污染指数为21.82，得到最佳操作条件：压力P为966kPa，温度T为24℃，进水流量Q为456L/h。对于HNF90膜膜通量为40.70L/m²h，膜污染指数为13，得到最佳操作条件：压力P为1.55MPa温度T为21℃，进水流量Q为456L/h。

（7）在膜过滤实验的开始和2h时，分别采用天平测定出水通量，分别为初始膜通量L⁰ _p，过滤后的膜通量L¹ _p，采用电导率仪测定电导率，紫外分光光度计测定UV₂₅₄，测定进水的电导率为18.60ms/cm，NFW膜出水的电导率为11.53ms/cm，HNF90膜出水的电导率为2.86ms/cm，测定进水的UV₂₅₄为0.96，NFW膜出水的UV₂₅₄为0.007，HNF90膜出水的UV₂₅₄为0.007，

脱盐率=（进水电导率-出水电导率）/进水电导率，

有机物去除率=（进水UV₂₅₄-出水UV₂₅₄）/进水UV₂₅₄，

则NFW膜脱盐率为0.38，有机物去除率为0.99，HNF90膜脱盐率为0.85，有机物去除率为0.99；

（8）确立最佳操作条件下的膜性能评价指标I=初始膜通量*（1-污染指数/100）×脱盐率×有机物去除率。通过计算在最佳操作条件下，INFW=28.0，I_HNF90=29.8。所以选择HNF90膜。

Claims (1)

1.一种快速确定水处理中纳滤膜种类和操作条件的方法，其步骤为：

(1)根据单因素实验确定操作条件及其范围，筛选压力X₁、温度X₂、进水流量X₃为响应因子，依据Box-Behnken中心组合试验设计原则，设计实验组合；

(2)采用膜通量Y₁和污染指数Y₂为响应值：其中L⁰ _p和L¹ _p分别为纳滤膜初始膜通量、过滤后的膜通量；

(3)将待选的纳滤膜在纯水中浸泡约24h后，再在纳滤系统中压力为1.5～1.6MPa下预压1～1.5h至纯水通量不变，备用；

(4)将废水经保安过滤器过滤；

(5)将步骤(4)中预处理后的废水加入进水槽，在步骤(1)所设计的实验条件下，对步骤(3)预处理后的纳滤膜进行过滤试验；

(6)在步骤(5)完成后膜过滤实验的开始和2h时，分别采用天平测定出水通量，分别为初始膜通量L⁰ _p，过滤后的膜通量L¹ _p，采用电导率仪测定电导率，紫外分光光度计测定UV₂₅₄，得到脱盐率和有机物去除率；

(7)采用Design-Expert软件对步骤(2)中的响应值和步骤(1)中的三个响应因子之间的关系进行分析，确立回归模型方程：

其中Y_k为响应值，k取1，2；Y₁为膜通量，Y₂为污染指数，b₀、b_i、b_ii、b_ij分别为常数、一次回归系数、二次回归系数及相互作用系数；X_i为响应因子，i取1、2、3，X₁为压力，X₂为温度，X₃为进水流量；

(8)分析步骤(7)中的回归模型方程，确定三个响应因子X₁、X₂、X₃和两个响应值Y₁、Y₂在实验区域内的最大和最小值，采用Design-Expert软件中的数值优化功能，得到响应值Y₁膜通量取最大值、Y₂污染指数取最小值时的压力X₁、温度X₂、进水流量X₃，即为最佳操作条件；

(9)确立膜性能评价指标I，在步骤(8)得到的最佳操作条件下，重复进行步骤(4)～(6)，得到最佳操作条件下的膜性能评价指标I，选择I值较大的膜，该纳滤膜在最佳操作条件附近过滤，纳滤膜的过滤性能最佳；

上述方法，基于纳滤膜分离装置，它包括冷却装置(1)；进水槽(2)；进水泵(3)；旁通阀(4)；压力表(5)；流量计(6)；纳滤膜膜槽(7)；在线天平(8)；阀门(9)；浓缩液(10)；渗滤液(11)，打开旁通阀(4)，废水由进水槽(2)经进水泵(3)增压进入纳滤膜膜槽(7)，进水槽(2)中的废水通过冷却装置(1)控制温度，纳滤膜分离装置通过压力表(5)读取操作压力，用流量计(6)计量进水流量，用在线天平(8)计量膜通量，打开阀门(9)后，渗滤液(11)和浓缩液(10)均通过管路回流至进水槽(2)；

其中：所述的步骤(6)中，脱盐率和有机物去除率的计算方式如下：

脱盐率＝(进水电导率-出水电导率)/进水电导率；

有机物去除率＝(进水UV₂₅₄-出水UV₂₅₄)/进水UV₂₅₄；

其中：在所述的步骤(9)中，膜性能评价指标I为：I＝初始膜通量×(1-污染指数/100)×脱盐率×有机物去除率。