蘇賽賽

（太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008）

近年來，隨著開采、加工、冶煉等行業(yè)生產(chǎn)活動的日益增加，產(chǎn)生了大量的重金屬廢水，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害［1］。鋅作為一種重金屬元素，一旦進(jìn)入到環(huán)境中很難被降解，同時鋅作為一種身體必需的營養(yǎng)元素，人們常常缺乏對鋅濃度超標(biāo)所帶來危害的認(rèn)識［2］。鋅的大量存在會降低人體的免疫功能，增加人體對疾病的易感性，危害人體健康。膜分離技術(shù)利用一種特殊的半透膜將溶液隔開，以壓力為驅(qū)動力，當(dāng)廢水流經(jīng)膜面時，其中的污染物被截留，而水分子透過膜，廢水得到凈化。相比常規(guī)廢水處理技術(shù)，膜技術(shù)具有高效、節(jié)能、設(shè)備簡單、占地面積小、操作方便等優(yōu)點(diǎn)［3－5］。膜分離技術(shù)已被嘗試應(yīng)用到重金屬廢水處理中，且取得了很好的處理效果［6－8］。因此，本文選用膜分離法處理低濃度含鋅廢水，主要考察膜分離過程中添加劑種類和含量、進(jìn)水Zn2＋濃度、膜操作壓力、反應(yīng)時間對Zn2＋的截留率、膜滲透通量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)水樣

本實(shí)驗(yàn)中所用水樣在參照某大型冶煉企業(yè)電解鋅產(chǎn)生的漂洗廢水成分的基礎(chǔ)上，采用人工配制，其主要成分如表1所示。

表1 電解鋅漂洗廢水主要成分的質(zhì)量濃度 g／L

1.1.2 試劑

七水硫酸鋅（ZnSO4·7H2O）、酒石酸鉀鈉（PST）等。所用化學(xué)試劑均為分析純，溶液采用去離子水配制。

1.1.3 膜分離裝置及膜組件性能參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用由2個并聯(lián)的平板過濾裝置構(gòu)成的小型膜過濾裝置，該裝置能廣泛應(yīng)用于各種料液的濃縮和過濾，如圖1所示。整個實(shí)驗(yàn)的最佳操作條件為：溫度5℃～45℃，壓力低于1.0MPa。超濾膜（UF）和低壓反滲透膜（LPRO）被應(yīng)用在膜組件中，其主要性能參數(shù)如第60頁表2所示。

圖1 膜分離反應(yīng)器示意圖

表2 超濾膜UF和RO的性能參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

供液箱中的溶液經(jīng)微型泵送入平板膜組件進(jìn)行錯流連續(xù)過濾，待其出水穩(wěn)定后（約運(yùn)行10min～20min）開始在排水口收集滲透液，測試其電導(dǎo)率和所含的Zn2＋濃度，并記錄滲透液的滲透流量。進(jìn)行每次膜過濾實(shí)驗(yàn)之后，將膜片取出，在去離子水中浸泡10min左右再裝入裝置中，同時向供液箱中加入去離子水作為清洗劑，過膜壓力調(diào)至0.9MPa，系統(tǒng)運(yùn)行0.5h左右，直至恢復(fù)至初始的純水通量。然后，進(jìn)行下一次的膜過濾實(shí)驗(yàn)。

1.3 分析方法

1.3.1 鋅含量的測定

水樣中鋅含量的測定采用原子吸收分光光度法（GB 7475－87），所用儀器為Analytikjena AAS Vario 6原子吸收分光光度儀。 1.3.2 電導(dǎo)率的測定

電導(dǎo)率測試儀型號為DDS－307，上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)。

1.3.3 滲透通量

滲透通量計(jì)算公式為式（1）。

式中：Jf為料液的滲透通量；Q為料液流量；A為膜面積。

1.3.4 截留率

截留率計(jì)算公式如式（2）。

式中：R為膜的截留率；Cf為進(jìn)水濃度；Cp為滲透液濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 酒石酸鉀鈉（PST）濃度對膜分離過程的影響

其他學(xué)者在使用添加劑強(qiáng)化膜分離過程時，極少有人采用酒石酸鉀鈉作為添加劑。采用不同濃度PST處理原水的鋅離子去除率如圖2所示。

圖2 PST質(zhì)量濃度對鋅離子去除率的影響

由圖2可見，采用PST作為添加劑處理原水的效果非常好，在投加質(zhì)量濃度為10mg／L時，對于UF膜和RO膜，鋅離子的去除率都已經(jīng)達(dá)到了90%以上。隨著投加濃度的增加，鋅離子的去除率幾乎沒有增加，一直維持在91%左右。這說明，當(dāng)投加質(zhì)量濃度≤10mg／L時，PST對鋅離子的絡(luò)合效果已達(dá)到最佳。因此，采用PST處理原水時，采用較低濃度的PST就可達(dá)到較好的處理效果。

原水過膜的膜通量隨投加PST濃度的變化如圖3所示。由圖3可以看出，在相同的情況下，UF的膜通量始終大于RO的膜通量。對于UF膜來講，PST濃度的改變對UF膜通量的影響較大；尤其是當(dāng)投加的PST質(zhì)量濃度從0mg／L升至30mg／L的過程中，UF的膜通量有一個明顯的下降；當(dāng)PST質(zhì)量濃度繼續(xù)增加時，UF的膜通量幾乎保持不變。對于RO膜來講，投加PST之后只是使其膜通量略有下降，而且PST濃度的增加對其膜通量影響較小，RO膜通量始終維持在8.2L／（m2·h）左右。

UF膜的孔徑較大，其透過機(jī)理主要是篩分原理，直徑較大的分子被UF膜所截留，使用PST作為添加劑時，由于原水中成分較為復(fù)雜，UF的膜孔較易被水中的大分子物質(zhì)（如PST或其他有機(jī)物與金屬形成的絡(luò)合物等）堵塞，造成膜污染阻力的增加，膜通量降低。當(dāng)投加的PST增加到一定濃度時，膜表面已經(jīng)形成了較為致密的污染層，故此后的膜通量也開始趨于穩(wěn)定。而RO膜孔徑較小，一般在1nm左右，而且過膜機(jī)理為界面現(xiàn)象和吸附作用，所以與UF膜相比，即使各種污染物在膜表面沉積，對其膜通量影響也較小。

圖3 PST質(zhì)量濃度對膜通量的影響

2.2 操作壓力對膜分離過程的影響

操作壓力對膜分離過程的影響如圖4所示。對于UF膜來說，無論是否添加PST，隨著跨膜壓力的上升，鋅離子去除率都呈現(xiàn)很一致的下降趨勢；添加PST后的鋅離子去除效果好于不加PST。對于RO膜來講，當(dāng)過膜壓力上升時，含有PST的進(jìn)水中鋅離子去除率下降較為劇烈，尤其是當(dāng)壓力升至0.4MPa以上時，去除率出現(xiàn)了大幅度的下降。而不加PST的進(jìn)水受壓力變化影響較小，在壓力升至0.5MPa以上時，去除率才有小幅度的下降。

圖4 操作壓力對鋅離子去除率的影響

膜通量隨壓力的變化如圖5所示。膜操作壓力增大，膜的滲透通量增大，膜的污染阻力也在逐漸增加，膜滲透通量的上升速度與壓力的增加幅度基本符合線性關(guān)系。根據(jù)膜過濾理論，產(chǎn)水量和操作壓力成正比，隨著壓力的增加，產(chǎn)水量相應(yīng)增大，這一點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。對于UF膜來說，當(dāng)投放添加劑PST后，同等壓力情況下，膜通量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于不加PST的配水。對于RO膜來說，膜通量隨壓力增加的幅度要小于UF膜，且膜通量隨壓力的變化幾乎不受PST加入的影響。

圖5 操作壓力對膜通量的影響

2.3 進(jìn)水Zn2＋濃度對膜分離過程的影響

進(jìn)水中Zn2＋的濃度會影響膜分離中的吸附量、濾餅層的產(chǎn)生和濃差極化作用，從而影響整個系統(tǒng)的截留率。因此，本實(shí)驗(yàn)考察了進(jìn)水Zn2＋濃度對膜分離過程的影響，從而確定膜分離方法對含鋅廢水處理的最佳濃度范圍。

如圖6所示，當(dāng)進(jìn)水Zn2＋濃度升高時，UF膜和RO膜對Zn2＋的去除率都呈下降趨勢。對比UF膜和RO膜，在未添加任何添加劑的情況下，UF膜的鋅離子去除率一直低于相應(yīng)的RO膜的鋅離子去除率，再次驗(yàn)證了RO膜對金屬離子具有較好的截留作用。在進(jìn)水Zn2＋質(zhì)量濃度低于100mg／L時，UF膜對Zn2＋的去除率保持在70%以上，RO膜對Zn2＋的去除率保持在85%以上，充分說明UF膜和RO膜對于低濃度廢水的處理效果比較理想。

圖6 鋅離子去除率與鋅離子起始濃度的關(guān)系

膜通量隨進(jìn)水離子濃度變化如圖7所示。由圖7可見，進(jìn)水鋅離子濃度的變化對UF膜和RO膜通量影響不同。對于UF膜來說，膜通量隨進(jìn)水鋅離子濃度的上升呈現(xiàn)下降趨勢，尤其是當(dāng)進(jìn)水鋅離子質(zhì)量濃度大于60mg／L之后，膜通量的下降也更加明顯。對RO膜來講，進(jìn)水鋅離子濃度對其膜通量影響較小，膜通量在鋅離子濃度上升時幾乎保持穩(wěn)定。這是由于，UF膜透過機(jī)理主要是篩分原理，而RO膜的過膜機(jī)理為界面現(xiàn)象和吸附作用。

圖7 膜通量與鋅離子起始濃度的關(guān)系

3 結(jié)論

1）整體上看，酒石酸鉀鈉（PST）的加入使得Zn2＋回收率增加幅度有限，對Zn2＋電沉積過程回收率的影響不顯著。

2）通過采用不同濃度PST處理原水的鋅離子去除率的影響可見，當(dāng)PST投加質(zhì)量濃度≤10mg／L時，PST對鋅離子的絡(luò)合效果最佳。UF的膜通量始終大于RO的膜通量，PST濃度的改變對UF膜通量的影響較大，而對于RO膜來講，投加PST之后只是使其通量略有下降。

3）對于UF膜來說，隨著跨膜壓力的上升，鋅離子去除率都呈現(xiàn)很一致的下降趨勢；對于RO膜來講，當(dāng)過膜壓力上升時，含有PST的進(jìn)水中鋅離子去除率下降較為劇烈，而不加PST的進(jìn)水受壓力變化影響較小。

4）當(dāng)進(jìn)水Zn2＋濃度升高時，UF膜和RO膜對Zn2＋的去除效率均呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)進(jìn)水Zn2＋質(zhì)量濃度低于100mg／L時，UF膜和RO膜的去除率分別保持在70%和85%以上。因此，UF膜和RO膜對于低濃度含鋅廢水的處理效果比較理想。

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