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纳滤、反渗透膜分离法在电镀污水处理中的工艺流程

发布日期:2019-08-14来源:

电镀废水中含有重金属离子、氰化物等污染物,若不经处理排放,对环境、人类危害极大。目前,国内外电镀含锌废水的处理方法中,化学沉淀法运行费用高,吸附法和离子交换法操作管理复杂,蒸发浓缩法能耗则大。膜分离法是一个高效、环保的分离技术,用于废水处理,具有高效、出水水质稳定性好、连续化操作、灵活性强等优势,在电镀废水的处理回用方面有良好的前景。
  本试验采用纳滤(NF)-反渗透(RO)组合工艺对电镀漂洗含锌废水进行分离浓缩,产水回用于镀件清洗,浓缩液的Zn2+含量达到镀液的回用要求。
  1·试验部分
  1.1 工艺流程
  含锌废水NF-RO回用工艺流程如图1所示。

  含锌废水间歇排入进水箱,经提升泵依次进入微滤(MF)、NF和RO装置。RO产水收集回用,NF、RO浓缩液均回流至进水箱,不断分离浓缩,直至RO产水电导率不能满足回用要求(>25μS·cm-1)后,排空进水箱内浓缩液,开始下一批次运行。收集的浓缩液经RO膜二级浓缩后返回镀槽回用,产生的淡水进入NF-RO工艺的进水箱,可以实现废水的零排放。与传统膜法回收工艺相比,该工艺具有水回收率高、溶质浓缩倍数大、投资成本及运行费用低等优点,产水及浓缩液均具有回收利用价值。
  1.2 膜材料
  试验采用美国某公司的RO1812芳香聚酰胺RO膜,截留相对分子质量50~100,pH适用范围为4~10;NF膜组件采用该公司NF1812膜,截留相对分子质量500~1000,pH适用范围为3~11。2种膜组件均为卷式,有效膜面积均为0.8m2。试验用微滤膜孔径为0.5μm。
  1.3 废水水质
  含锌废水由镀锌槽液稀释而成,镀锌槽液的组成及质量浓度分别为:硫酸锌350g·L-1,硫酸钠50g·L-1,硫酸铝30g·L-1,明矾50g·L-1。配制及稀释用水均为电导率小于0.1μS·cm-1的纯水,并用稀H2SO4调pH为3.8~4.4。
  2·结果与讨论
  2.1 影响膜分离性能因素
  2.1.1 压力
  由于膜产水侧与大气相通,压力为0,故膜2侧压力差(Δp)即为进水侧压力。取5mL镀锌槽液稀释至10L作为NF膜进水,其中ρ(Zn2+)为68.5mg·L-1,电导率329μS·cm-1,pH为4.28,水温23.5℃;RO进水ρ(Zn2+)为40mg·L-1,电导率为189μS·cm-1,pH为4.56,水温16.1℃。压力对NF1812及RO1812膜分离性能的影响如图2所示。

  试验表明,NF及RO膜通量(Jw)均几乎与操作压力呈线性增加,与优先吸附-毛细孔流模型相符合。
  从图2(a)可见,NF膜对Zn2+的截留率(R)随着压力的升高而下降,且压力大于0.4MPa时,下降速度加快。这可能与“滞流层”的厚度和含量增加速度过快有关。
  从图2(b)可见,RO1812膜对Zn2+离子的截留率均在99.4%以上,产水的Zn2+含量均保持在较低,质量浓度最低可达0.12mg·L-1,产水电导率均在5μS·cm-1以下,可直接回用于金属镀件的清洗。
  综合NF和RO膜出水的Zn2+含量、电导率及膜通量等因素,回用工艺中的NF和RO膜的操作压力分别设为0.35MPa和0.5MPa。
  2.1.2 进水Zn2+含量
  取镀锌槽液稀释成不同Zn2+含量,在0.35MPa下通过NF膜。结果如图3所示。

  可见,随进水Zn2+含量的升高,NF1812膜对Zn2+的去除率呈下降趋势,且当Zn2+的质量浓度低于120mg·L-1时,影响不明显。另外,进水Zn2+含量的增加导致溶液渗透压增大,从而使膜通量减小。因此,在进行NF分离时,降低进水中重金属离子的含量可有效提高膜的分离效果。
  2.1.3 pH
  试验进水ρ(Zn2+)为39.6mg·L-1,水温12~13℃。膜装置运行压力为0.35MPa。通过投加NaOH溶液改变进水pH,考察pH对NF分离Zn2+离子特性的影响,试验结果如图4所示。

  由图4可知,NF1812膜对Zn2+的截留率随进水pH的升高先有所下降后上升。当pH在5~6时,截留率最低。这是由于NF1812膜在此范围内处于等电位或0电势(ZPC),即膜表面不带有电荷[5]。等电位之前,聚酰胺膜带正电荷,对荷正电的Zn2+具有静电斥力,有利于截留;等电位之后,NF膜开始带负电荷,不利于Zn2+的截留。因此,按等电位原理,NF膜对Zn2+的截留率应随pH的增加而逐渐降低,但当pH大于6时,溶液中的OH-与Zn2+形成络合物,提高了Zn2+的截留率。
  由于膜在较低pH时对Zn2+同样具有良好的分离性能,故回用工艺进水的pH控制在3~5。
  2.1.4 水温
  考察了进水温度对NF膜分离性能的影响。结果表明,随着温度的增加,NF膜的水通量上升,截留率下降,Zn2+的泄漏量也呈上升趋势。当温度低于25℃时,膜通量及截留率变化不大。由于回用工艺的进水水温维持在15~25℃,因此温度对工艺运行效果的影响可以忽略。
  2.2 NF-RO回用分离浓缩含锌废水
  试验进水有效体积18L,进水水质及NF、RO膜运行参数(电导率σ、压力p、膜通量Jw、水的回收率fR、脱盐率等)分别见表2和表3。
 
  NF-RO回用运行结果见图5(V为产水体积)。
 
  从图5(a)可以看出,在运行时间内,系统产水体积及回收率逐渐上升,但增加速度逐渐减慢,这是由于分离过程也是浓缩过程,系统进水含量不断增加,膜通量下降。运行70min后,可获产水体积15.4L,产水回收率达85.6%。
  从图5(b)可以看出,产水电导率随着回收率的增大而增加,且上升速度加快,产水的Zn2+含量也不断上升。从运行初期至产水电导率达10μS·cm-1,产水回收率达74.4%,即说明系统可获得74.4%的去盐水,可回用于精密电镀的清洗。系统产水回收率达85.6%时,产水中Zn2+的质量浓度为0.64mg·L-1,电导率上升至25μS·cm-1,此时产水不能满足清洗回用要求,停止分离淡液。
  系统进水Zn2+的质量浓度为68.75mg·L-1,pH为4.28,经NF-RO串联浓缩后Zn2+的质量浓度为454.8mg·L-1,pH为3.78,浓缩倍数n为6.7倍。浓缩液仍未达到配制槽液要求,因此试验中采用RO膜对其进行二级低压浓缩,运行压力设为0.2MPa,运行结果见图6。
 
  从图6可以看出,随着体积浓缩倍数的增大,浓缩液得到不断浓缩,RO膜通量呈下降趋势,这与溶液渗透压有关。浓缩液中Zn2+的质量浓度与浓缩倍数几乎成线性关系,说明浓缩过程Zn2+回收率高。当浓缩倍数达3.4倍时,浓缩液Zn2+的质量浓度由454.8浓缩至1500mg·L-1,pH为3.65,可用于电镀槽液的配制。
  3·结论
  利用NF-RO组合回用工艺对电镀含锌废水进行分离浓缩达到回用目的,得到如下结论:组合回用工艺采用2级膜分离技术,淡水串联分离,2级浓水回流浓缩,产水电导率在25μS·cm-1以下,产水Zn2+的质量浓度均低于0.7mg·L-1,累计回收率高达85.6%,可直接回用于镀件的清洗。RO对浓缩液进行二级浓缩后,废水中Zn2+浓缩至进水的20倍以上,可用于电镀槽液的配制。
  NF、RO膜最佳运行压力分别为0.35、0.5MPa。进水Zn2+的质量浓度低于120mg·L-1时,其对NF及RO膜运行效果影响不显著。当进水pH、水温分别控制在3~5和15~25℃时,2者对出水水质的影响也较小。
  膜分离技术可实现电镀漂洗废水的零排放和资源化回用,对污染的减排和企业降低生产成本具有重要意义。

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