【摘要】：氨氮廢水處理是目前水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),高濃度氨氮廢水廣泛存在于多種現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,由于其具有較強(qiáng)的生物毒性,因此常采用物理化學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行處理。目前針對(duì)高濃度氨氮廢水處理的主要方法是吹脫法、吸附法、化學(xué)沉淀法、反滲透法等。膜技術(shù)是水處理領(lǐng)域研究中的一個(gè)重要方向,其中膜蒸餾工藝在分離水溶液中揮發(fā)性物質(zhì)方面具有很大的優(yōu)勢(shì),本研究主要通過膜蒸餾工藝來處理高濃度氨氮廢水,意在找到一種高濃度氨氮廢水處理的新方法。課題研究主要從三個(gè)方面展開:工藝形式與參數(shù)的確定及優(yōu)化;原料液相和滲透相的成分性質(zhì)影響研究;以及控制膜結(jié)構(gòu)參數(shù)的制膜條件,通過這三方面對(duì)膜蒸餾法處理高濃度氨氮廢水進(jìn)行系統(tǒng)的考察研究,為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供必要的參考。與傳統(tǒng)的膜分離工藝形式不同,目標(biāo)物需要以氣體形式透過膜孔,因此工藝中存在相轉(zhuǎn)化過程。對(duì)氨氮廢水進(jìn)行處理時(shí),首先要對(duì)原料液pH值進(jìn)行調(diào)節(jié),使氨氮以易揮發(fā)狀態(tài)存在,在氨氮分子透過膜的同時(shí),水也會(huì)以蒸汽的形式進(jìn)入膜孔,因此,在考察氨氮去除率和傳質(zhì)能力的同時(shí),更要考察水蒸汽的傳質(zhì)情況,從而對(duì)膜蒸餾工藝的分離性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。本實(shí)驗(yàn)采用氯化銨溶液來模擬高濃度氨氮廢水,采用中空纖維膜和平板膜組件進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)用膜材料包括聚丙烯(PP),聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏氟乙烯(PVDF),實(shí)驗(yàn)采用間歇循環(huán)的運(yùn)行方式,根據(jù)不同的組件形式確定不同的運(yùn)行時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,膜蒸餾工藝對(duì)模擬氨氮廢水具有很好的處理效果,采用有效面積為9m2的聚丙烯中空纖維膜組件,原料液容積為20L,氨氮濃度為600mg/L時(shí),在常溫下20min內(nèi)氨氮去除率就達(dá)到98%以上,具有很好的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)分別采用了直接接觸膜蒸餾(DCMD),氣掃膜蒸餾(SGMD)和真空膜蒸餾(VMD)對(duì)模擬氨氮廢水進(jìn)行了影響因素的研究,包括原液相和滲透相的溫度,原料液初始pH值,原料液流速和滲透相流速。研究結(jié)果表明,對(duì)于三種膜蒸餾形式來說,溫度對(duì)氨氮的傳質(zhì)有很大的影響,溫度越高,氨氮的去除率越大,但與此同時(shí),系統(tǒng)的水通量也大幅提高,從而使氨氮和水的分離效率大幅度下降,對(duì)于DCMD而言,水通量的大小不僅與原料液的溫度有關(guān),更與膜兩側(cè)液體的溫度差有關(guān)。原料液pH值對(duì)氨氮的處理效率也有很大影響,當(dāng)原料液初始pH達(dá)到12時(shí),氨氮去除率得到明顯提高,同時(shí)對(duì)水通量有一定的抑制作用,是一種重要的調(diào)控手段。原料液流速和滲透相流速對(duì)不同的膜蒸餾工藝形式有著不同的影響,對(duì)于DCMD和VMD,提高原料液流速對(duì)氨氮的傳質(zhì)有一定的促進(jìn)作用,但對(duì)氣SGMD影響不大,而提高滲透相流速對(duì)SGMD的傳質(zhì)過程有關(guān)鍵的影響,但對(duì)DCMD影響不大。通過對(duì)三種膜蒸餾工藝的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),采用PTFE平板膜組件,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,DCMD的效果最好,氨氮去除率達(dá)到84%以上。實(shí)驗(yàn)考察了原料液成分和性質(zhì)對(duì)氨氮處理效果的影響,研究結(jié)果表明,原料液中氨氮濃度的提高并沒有影響處理效率,反而能夠提高氨氮的傳質(zhì)和分離效率,當(dāng)原料液濃度提高到1800mg/L時(shí),20min內(nèi)氨氮去除率就可達(dá)到87%以上。原料液中一定含量的Na+和Ca~(2+)在一定程度上可以抑制水通量,向1L原料液中投入50g NaCl時(shí),水通量減少了50%以上,同時(shí)氨氮去除率還有所提高,但過高的鹽濃度使膜表面濃差極化效應(yīng)嚴(yán)重,容易產(chǎn)生鹽的析出,過量的Ca~(2+)還會(huì)引起膜表面的結(jié)垢,從而增加膜的傳質(zhì)阻力。原料液中小分子多元醇的引入同樣對(duì)水通量有一定的抑制作用,對(duì)氨氮的去除效率沒有太大的影響,但當(dāng)濃度過高時(shí),同樣會(huì)產(chǎn)生濃差極化效應(yīng),從而使邊界層內(nèi)溶液的粘度提高,阻礙了氨氮的傳質(zhì)。實(shí)驗(yàn)研究表明,原料液中乙二醇或丙三醇的含量不宜超過1%。課題對(duì)滲透相種類和含量的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,提高硫酸濃度并不能使氨氮去除率提高,但卻使水通量大幅提高。當(dāng)硫酸濃度由0.5%提高至10%時(shí),總過膜通量提高了1.6倍以上,從而大大地降低了膜的分離效率,因此在實(shí)際運(yùn)行中,吸收液應(yīng)采用濃度較低的硫酸溶液。由于滲透相中的吸收液不需要較高的酸濃度,因此考察了采用乙酸和碳酸作為滲透相的可行性。結(jié)果表明,乙酸和碳酸并不適合作為膜蒸餾的滲透相,采用乙酸作為吸收液時(shí),含量不要超過2%。吸收液中Na+濃度的提高可以促進(jìn)水通量,對(duì)氨氮的傳質(zhì)沒有影響,雖然Mg~(2+)提高了水通量,降低了分離系數(shù),但由于Mg~(2+)也可以與氨氮發(fā)生反應(yīng),促使氨氮在滲透相中發(fā)生相變,因此在一定程度上也提高了氨氮的傳質(zhì)系數(shù),但過高的Mg~(2+)濃度會(huì)使?jié)B透相中生成Mg(OH)2附著于膜表面,從而使傳質(zhì)系數(shù)下降。本研究還采用溶液相轉(zhuǎn)化法制備了聚偏氟乙烯平板膜,考察了不同聚合物濃度,LiCl添加劑含量和制膜厚度三個(gè)制膜條件對(duì)膜蒸餾工藝處理氨氮廢水的影響。結(jié)果表明,聚合物濃度的提高使膜內(nèi)大孔發(fā)展受到抑制,孔隙率下降,而聚合物濃度較低時(shí),所得膜的表面疏水性并不高,不利于膜蒸餾過程,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,適宜采用的聚合物濃度為16 wt%。鑄膜液LiCl的投加使膜的孔隙率得到提高,但LiCl添加量過高時(shí),膜內(nèi)出現(xiàn)粒狀結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),不利于氨氮在膜內(nèi)的傳質(zhì),實(shí)際操作中,適宜的LiCl投加量為4 wt%左右。膜厚度的增加明顯降低了膜的滲透和分離性能,膜下層的海綿狀結(jié)構(gòu)層嚴(yán)重阻礙了氨氮的傳質(zhì)和分離,因此在保證膜機(jī)械強(qiáng)度的條件下,膜應(yīng)該越薄越好。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

(a)PVDF10% (b)PVDF12% (c)PVDF14% (d)PVDF16% (e)PVDF18% (f)PVDF20%(g)PVDF22%圖 6-7 不同聚合物濃度成膜的斷面 SEM 圖Fig.6-7 SEM of membrane cross section in different polymer concentrations

(g) PVDF22%圖 6-8 不同聚合物濃度成膜的表面 SEM 圖Fig.6-8 SEM of membrane surface in different polymer concentrations合物濃度為 10%時(shí)（圖 6-7 中的 a），由于聚合物濃度較低，溶較快，此時(shí)非溶劑向內(nèi)擴(kuò)散的過程占主導(dǎo)過程，從而導(dǎo)致了膜而在聚合物濃度為 16%時(shí)（圖 6-7 中的 d），膜內(nèi)大孔結(jié)構(gòu)發(fā)展斷面，孔隙率較高，這樣的結(jié)構(gòu)使膜具有較高的傳質(zhì)效率，這也%時(shí)氨氮的傳質(zhì)效果最好的原因。聚合物濃度下成膜的表面結(jié)構(gòu) SEM 如圖 6-8 所示。隨著聚合物的發(fā)展受到了明顯的抑制，孔的數(shù)量越來越少，孔徑也越來越致密。這是因?yàn)?PVDF 濃度的提高使鑄膜液粘度增加，溶劑與明顯下降，阻礙的表面孔的形成。一般來說，膜孔越大，孔隙高，但對(duì)于疏水膜工藝而言，聚合物濃度偏低，膜孔較大同樣能下降，膜孔容易被潤(rùn)濕，從而影響氨氮的傳質(zhì)過程，因此在聚合物濃度不應(yīng)過低，從實(shí)驗(yàn)中可以看出，濃度為 16%左右最

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本文編號(hào)：2719722