CN105692817B

CN105692817B - 一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法

Info

Publication number: CN105692817B
Application number: CN201610041958.4A
Authority: CN
Inventors: 王志伟; 李子梦; 于鸿光; 马金星; 吴志超; 郑君健; 王雪野; 潘辰
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2018-02-09
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: AU2016388020A1; CN105692817A; JP2019506292A; JP6583868B2; WO2017124798A1; AU2016388020B2

Abstract

本发明提供一种适用于污水脱盐回用的膜分离方法，适用于低浓度的含盐污（废）水。本发明的污水脱盐方法通过导电复合膜的过滤及吸附作用实现。导电复合膜采用平板膜组件形式，浸没式方式运行。在通电条件下，导电复合膜完成对离子型污染物的吸附及回收。本发明耦合膜分离与电吸附除盐工艺，通过预先截留颗粒性污染物延长吸附材料的使用寿命，提高吸附效果，降低能耗。本发明装置紧凑，运行管理方便，通过控制外加电压以及膜通量来控制离子的去除效果，在合适的电压以及膜通量的条件下，实现对污（废）水中污染物净化去除。

Description

一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法

技术领域

本发明涉及一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法，运用膜过滤与电吸附耦合原理去除污水中的离子，提高出水水质，属于污（废）水处理领域。

背景技术

随着社会经济的高速发展，环境形势也愈发严峻，在众多环境问题中，水资源短缺日益严重，已经成了制约社会经济可持续发展的重大瓶颈问题。在此形势下，仅仅提倡节约用水也已不足以满足当前的用水需求，亟待进行非常规水源的开发利用，例如苦咸水的淡化、工业废水循环利用以及市政废水深度处理回用等，但某些农村地区的地下水，沿海城市混合海水的生活污水，以及化工、印染、食品加工等行业的工业废水中，均含有较高浓度的离子，例如Cl^-、NO₃ ^-、SO₄ ^2-以及各种金属离子等，其处理不当可能会引起严重的水体污染问题。此外，重金属离子一旦进入水体，会影响居民生活饮用水安全，危害人体健康，比如铅会诱发贫血症，汞的富集可引发水俣病，镉可导致骨痛病，铜摄入过量会损害肝脏，而砷的化合物剧毒，有致癌作用。因此要实现对这些非常规水源的利用，还需要对其进行脱盐处理，以达到高标准排放或有效回用的目的，成为当前的研究热点之一。

近年来电吸附技术凭借其在去除效果和能耗等方面的独特的优势，受到了广泛的关注。通过外加低电压直流供电，电吸附技术可以去除污染性离子，实现污水净化。与其他水处理技术相比，电吸附技术具有操作维护简便、设备寿命长、能耗低、无二次污染等特点，对溶解性污染物具有良好的去除效果。然而，传统的电吸附工艺对颗粒态的污染物较为敏感。颗粒物的引入不仅降低了脱盐效果，而且堵塞电极，增加了设备维护成本。因此，在处理含有颗粒污染物的含盐废水中，通常需要在电吸附工艺前端设置预处理流程以拦截颗粒物，增加了电吸附工艺的占地面积、设备成本及操作步骤。

另一方面，膜分离方法由于其优良的固液分离效果而广泛应用于污水处理领域。膜分离技术是有效解决电吸附工艺中的颗粒污染物污染问题的有效手段。限制膜分离工艺发展的最主要问题是膜污染，通过外加直流电场，使膜表面带负电荷，排斥污水中同带负电荷的颗粒污染物，从而起到控制膜污染的作用。通过耦合电吸附与膜分离工艺，形成新型导电复合膜电吸附脱盐工艺，可以同步实现颗粒物拦截与离子脱除，可以为含盐废水的处理拓展新思路。然而，现有的研究成果以及文献报道主要集中于电吸附工艺的优化，且国内专利中涉及脱盐的成果也都集中在膜分离和电吸附单独运行的工况，如木内崇文（膜分离装置以及膜分离方法发明专利公布号103052437），常铮（一种通过电吸附技术从工业废水中选择性去除Fe²⁺和/或Fe³⁺的方法发明专利公布号104609518），关于膜分离和电吸附耦合的工艺却鲜有报道。为数不多的将二者结合的工艺，如张鸿涛（一种用于脱盐系统的膜-电吸附装置发明专利公布号103693718）运用离子交换膜结合电吸附工艺对废水脱盐，其增加阳离子交换膜和阴离子交换膜的目的是分别增加阳离子与阴离子的选择透过性，离子交换膜不起污水过滤作用；其次该系统依旧无法解决颗粒污染物对装置本身的损害，且离子交换膜成本较高，运行维护较为麻烦。

本发明将膜分离与电吸附结合，同时实现污水的过滤分离与电吸附脱除离子的功能，可有效截留污水中的颗粒物，避免其对吸附材料的损害，同时去除污水中的污染性离子，避免二次污染，节省能耗，降低造价。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在污水处理中能将固液分离与脱盐功能同时实现的膜分离技术，该技术方法耦合膜分离与电吸附工艺，同时实现污水的过滤分离与电吸附脱除离子的功能，可有效截留颗粒物，吸附废水中的离子型污染物，提高脱盐的效果，无二次污染，且操作简便，能耗较低，适用于低浓度的含盐废水的处理。

本发明提出的一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法，所述分离方法采用导电复合膜反应器实现污水脱盐，所述导电复合膜反应器由进水系统1、电源系统2、膜反应器3、出水控制系统4和清水池5组成，进水系统1由进水池和进水流量调节装置组成，根据工艺要求调节进水流量，进水流量调节装置设置于进水池的进水口，进水池的出水口通过管道与膜反应器连接，膜反应器由反应池、复合膜组件6和搅拌系统组成，位于反应池中的若干片复合膜组件6分别通过导电性能良好的导线7与电源系统2的正负极相连。膜反应器采用浸没式的布置方式，搅拌器设置于反应池内，使反应池内的反应液混合均匀，膜反应器的反应池出水口通过管道与出水系统连接；

每组复合膜组件为平板膜结构，由阴极复合膜8、阳极复合膜9和分隔层10组成，其中：阴极复合膜由阴极电极11和阴极集流体12通过聚合物材料粘合而成，阳极复合膜由阳极电极13和阳极集流体14通过聚合物材料粘合而成，所述阴极复合膜8和阳极复合膜9通过分隔层10隔开，以防止短路；所述阴极集流体位于进水口一侧，阳极集流体位于出水口一侧，即进水先流经阴极集流体和阴极电极，经过分隔层，再通过阳极电极和阳极集流体，以膜出水的形式排出导电复合膜反应器；

具体步骤如下：

将符合工艺要求的进水接入进水池，通过进水流量调节装置调节进水流量，进水池的出水进入膜反应器，采用恒流或恒压的方式运行，进水先流经阴极集流体和阴极电极，经过分隔层，再通过阳极电极和阳极集流体，以膜出水的形式排出导电复合膜反应器，控制膜通量范围8 ~ 50 L/(m²h)，跨膜压差范围0.4 ~ 20 kPa，接通电源，启动膜反应器，吸附含盐废水中的离子型污染物。

本发明中，控制进水池的进水浓度低于5000 mg/L（以TDS计）。

本发明中，外加直流电压范围为0.4 ~ 2.0 V。

本发明中，电源系统由稳压直流电源为电吸附过程供电，阴极复合膜接电源负极，阳极复合膜接电源正极，电源系统与阴极或阳极连接的电路中设置电流监测装置，实时监测电流情况。

本发明中，集流体采用导电性佳的网孔状材料，所述材料为钛、钛合金材料或不锈钢材料等中任一种，电极采用碳基材料，为碳布、碳纳米管、活性炭粉末或纤维、碳气凝胶、石墨烯或炭黑中任一种，聚合物材料采用高分子聚合物，具体为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚四氟乙烯或聚丙烯腈中任一种。

本发明中，所述分隔层采用透水性较好的材料，具体为尼龙网、无纺布或聚丙烯材料中的一种。

本发明中，所述阴极复合膜和阳极复合膜可采用不同的电极材料和集流体材料。

本发明的原理是：采用平板膜电极的形式，耦合膜分离和电吸附过程，在适合的膜通量下，分离层对颗粒污染物进行截留，实现对污水的固液分离，在阴阳电极施加适合的电压，吸附污水中的离子型污染物，实现污水脱盐的目的。当电极吸附饱和后，通过短接外加电源开始解吸，将电极再生。通过吸附-解吸循环，可实现膜组件的重复利用，降低运行成本。

本发明具有以下优点：

（1）本发明采用平板膜的膜组件形式，耦合膜分离和电吸附的技术方法，可在固液分离的同时对离子型污染物进行吸附，突破膜分离和电吸附工艺的局限性，提升脱盐效果，该技术运行能耗较低，运行管理方便。

（2）本发明中的导电复合膜外侧具有截留颗粒物的功能，减少无效吸附的同时可减少对内侧吸附材料的磨损。且外加直流电场，使膜表面带负电荷，排斥污水中同带负电荷的颗粒、胶体等污染物，控制膜污染，延长膜清洗周期和膜的使用寿命，减少膜清洗的能耗，降低运行成本。

附图说明

图1为耦合膜分离与电吸附技术的脱盐工艺的示意图；

图中标号：1为进水系统，2为电源系统，3为膜反应器，4为出水控制系统，5为清水池，6为复合膜组件，7为导线，8为阴极复合膜，9为阳极复合膜，10为分隔层。

图2为单片膜复合膜组件的详细构成示意图；

图中标号：7为导线，8为阴极复合膜，9为阳极复合膜，10为分隔层，11为阴极集流体，12为阴极电极，13为阳极电极，14为阳极集流体。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例１：

采用图1中所示的工艺装置，进水系统1由进水池和进水流量调节装置组成，将经过预处理符合工艺要求的以NaCl为主的苦咸水接入进水池，进水含盐量为1200 mg/L（以TDS计），调节进水流量，控制通量为10 L/m² h。进水池的出水口通过管道与膜反应器连接，进水池的出水进入膜反应器，膜反应器由反应池、复合膜组件6和搅拌系统组成，采用图2中所示的复合膜组件，其中阳极复合膜由钛网与碳布通过PVDF粘结，阴极复合膜由不锈钢丝网与碳布通过PVDF粘结，分隔层为无纺布。阴极复合膜组件通过导电性能良好的导线7与电源系统2的负极相连，阳极复合膜通过导线与电源正极相连，膜反应器采用浸没式的布置方式，搅拌器设置于反应池内，使反应池内的反应液混合均匀，采用恒流方式运行。接通电源，运行电压为2.0 V，启动膜反应器，水力停留时间为1 h，运行6h，运行过程中跨膜压差稳定在0.7 kPa，膜反应器的反应池出水口通过管道与出水系统连接，通过出水控制系统4调节出水流量，系统的脱盐率为65-72%。

实施例２：

采用图1中所示的工艺装置，进水系统1由进水池和进水流量调节装置组成，将经过预处理符合工艺要求的冷轧废水的生物处理出水接入进水池，进水含盐量为1000 mg/L（以TDS计），悬浮固体浓度为50 mg/L，调节进水流量，控制通量为40 L/m² h。进水池的出水口通过管道与膜反应器连接，进水池的出水进入膜反应器，膜反应器由反应池、复合膜组件6和搅拌系统组成，采用图2中所示的复合膜组件，其中阳极复合膜和阴极复合膜均由钛网与碳布通过PAN粘结，分隔层为尼龙网。阴极复合膜组件通过导电性能良好的导线7与电源系统2的负极相连，阳极复合膜通过导线与电源正极相连，膜反应器采用浸没式的布置方式，搅拌器设置于反应池内，使反应池内的反应液混合均匀，采用恒流方式运行。接通电源，运行电压为1.6 V，启动膜反应器，水力停留时间为15min，运行4 h，运行过程中跨膜压差稳定在2.3 kPa，膜反应器的反应池出水口通过管道与出水系统连接，通过出水控制系统4调节出水流量，系统的脱盐率为60-70 %，出水的悬浮固体浓度低于检测限。

实施例３：

采用图1中所示的工艺装置，进水系统1由进水池和进水流量调节装置组成，将经过预处理符合工艺要求的以硝酸盐为主的某化肥生产工业废水接入进水池，进水含盐量为900 mg/L（以TDS计），调节进水流量，控制通量为10 L/m² h。进水池的出水口通过管道与膜反应器连接，进水池的出水进入膜反应器，膜反应器由反应池、复合膜组件6和搅拌系统组成，采用图2中所示的复合膜组件，其中阳极复合膜和阴极复合膜均由钛网与碳纳米管组成，分隔层为尼龙网，阴极复合膜组件通过导电性能良好的导线7与电源系统2的负极相连，阳极复合膜通过导线与电源正极相连，膜反应器采用浸没式的布置方式，搅拌器设置于反应池内，使反应池内的反应液混合均匀，采用恒流方式运行。接通电源，运行电压为2.0 V，启动膜反应器，水力停留时间为1h，运行4 h，运行过程中跨膜压差稳定在2.4 kPa，膜反应器的反应池出水口通过管道与出水系统连接，通过出水控制系统4调节出水流量，系统的脱盐率为57-68 %。

实施例４：

采用图1中所示的工艺装置，进水系统1由进水池和进水流量调节装置组成，将经过预处理符合工艺要求的某含铜废水接入进水池，进水含盐量为500 mg/L（以TDS计），调节进水流量，控制通量为25 L/m² h。进水池的出水口通过管道与膜反应器连接，进水池的出水进入膜反应器，膜反应器由反应池、复合膜组件6和搅拌系统组成，采用图2中所示的复合膜组件，其中阳极复合膜和阴极复合膜均由钛网与碳纳米管组成，分隔层为尼龙网，阴极复合膜组件通过导电性能良好的导线7与电源系统2的负极相连，阳极复合膜通过导线与电源正极相连，膜反应器采用浸没式的布置方式，搅拌器设置于反应池内，使反应池内的反应液混合均匀，采用恒流方式运行。接通电源，运行电压为1.6 V，启动膜反应器，水力停留时间为24min，运行3 h，运行过程中跨膜压差稳定在1.5 kPa，膜反应器的反应池出水口通过管道与出水系统连接，通过出水控制系统4调节出水流量，系统的脱盐率为45-58 %。

Claims

1.一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法，其特征在于所述分离方法采用导电复合膜反应器实现污水脱盐，所述导电复合膜反应器由进水系统（1）、电源系统（2）、膜反应器（3）、出水控制系统（4）和清水池（5）组成，进水系统（1）由进水池和进水流量调节装置组成，根据工艺要求调节进水流量，进水流量调节装置设置于进水池的进水口，进水池的出水口通过管道与膜反应器连接，膜反应器由反应池、复合膜组件（6）和搅拌系统组成，位于反应池中的若干片复合膜组件（6）分别通过导电性能良好的导线（7）与电源系统（2）的正负极相连；膜反应器采用浸没式的布置方式，搅拌器设置于反应池内，使反应池内的反应液混合均匀，膜反应器的反应池出水口通过管道与出水系统连接；

每组复合膜组件为平板膜结构，由阴极复合膜（8）、阳极复合膜（9）和分隔层（10）组成，其中：阴极复合膜由阴极电极（11）和阴极集流体（12）通过聚合物材料粘合而成，阳极复合膜由阳极电极（13）和阳极集流体（14）通过聚合物材料粘合而成，所述阴极复合膜（8）和阳极复合膜（9）通过分隔层（10）隔开，以防止短路；所述阴极集流体位于进水口一侧，阳极集流体位于出水口一侧，即进水先流经阴极集流体和阴极电极，经过分隔层，再通过阳极电极和阳极集流体，以膜出水的形式排出导电复合膜反应器；

具体步骤如下：

将符合工艺要求的进水接入进水池，通过进水流量调节装置调节进水流量，进水池的出水进入膜反应器，采用恒流或恒压的方式运行，进水先流经阴极集流体和阴极电极，经过分隔层，再通过阳极电极和阳极集流体，以膜出水的形式排出导电复合膜反应器，控制膜通量为8 ~ 50 L/(m²h)，跨膜压差为0.4 ~ 20 kPa，接通电源，启动膜反应器，吸附含盐废水中的离子型污染物。

2.根据权利要求1所述的一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法，其特征在于，以TDS计，控制进水池的进水浓度低于5000 mg/L。

3.根据权利要求1所述的一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法，其特征在于，外加直流电压范围为0.4 ~ 2.0 V。

4.根据权利要求1所述的一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法，其特征在于，电源系统由稳压直流电源为电吸附过程供电，阴极复合膜接电源负极，阳极复合膜接电源正极，电源系统与阴极或阳极连接的电路中设置电流监测装置，实时监测电流情况。

5.根据权利要求1所述的一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法，其特征在于，阴极集流体或阳极集流体采用导电性佳的网孔状材料，所述材料为钛、钛合金材料或不锈钢材料中任一种，阴极电极或阳极电极采用碳基材料，为碳布、碳纳米管、活性炭粉末或纤维、碳气凝胶、石墨烯或炭黑中任一种，聚合物材料采用高分子聚合物，具体为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚四氟乙烯或聚丙烯腈中任一种。

6.根据权利要求1所述的一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法，其特征在于，所述分隔层采用透水性较好的材料，具体为尼龙网、无纺布或聚丙烯材料中任一种。

7.根据权利要求5所述的一种适用于污水脱盐回用的复合膜分离方法，其特征在于，所述阴极复合膜和阳极复合膜可采用不同的电极材料和集流体材料。