工业废水处理中的膜分离技术研究

（中国石化集团茂名石化公司水务运行部，广东  茂名  525000）

摘  要：随着工业化的不断发展，工业废水排放问题日益凸显。膜分离技术因其高效、环保、节能等优势逐渐成为工业废水处理领域的热门技术。本文就工业废水处理中的膜分离技术进行了系统研究和归纳总结。综合分析表明，膜分离技术在工业废水处理中具有广泛应用前景。但是，仍存在着膜材料选择、膜性能稳定性、污染物 fouling 等方面的技术瓶颈，需要进一步加强研究和开发。同时，还需要加强政策引导和法规制定，促进膜分离技术在工业废水处理中的普及和推广，以实现更好的环境保护和可持续发展。

关键词：工业废水处理；膜分离技术；应用现状；发展趋势

0. 引言

随着工业化的不断推进以及人们对环境问题的日益重视，工业废水处理成为了一个备受关注的领域。工业废水中存在着各种有害物质和污染物，如果未经有效处理直接排放至环境中，将会对周围的水体、土壤、空气等造成严重的污染和破坏。因此，现代化的工业废水处理技术显得尤为重要。作为一种高效、环保、节能的处理技术，膜分离技术在工业废水处理中得到了广泛应用。该技术通过不同类型的膜过滤废水，将其中的固体颗粒、微生物、溶解物等根据分子大小或其他特征分离出来，从而实现对废水的净化和回收利用。本文旨在系统研究和总结工业废水处理中的膜分离技术，探讨其适用性、优缺点以及关键技术问题，进一步促进膜分离技术在工业废水处理中的应用和推广，为环境保护和可持续发展做出积极贡献。

1. 膜分离技术基本概述

1.1 膜分离技术原理

膜离技术是一种以膜为介质进行分离、过滤的技术。它利用了不同分子大小和化学性质的物质在不同材料的膜上相互作用不同的特点，实现对混合物中的成分进行分离、纯化或浓缩。膜分离技术的原理主要包括两个方面：

图1 膜分离技术原理

（1）渗透复合：渗透复合是指膜上的溶剂分子向膜内侧（或外侧）渗透，将被分离的物质分子随着溶剂分子一起移动。在膜上存在渗透通道的情况下，溶剂分子将穿过膜，而被分离的物质则被截留在膜表面。这个过程可以通过调整温度、压力和反应物质的浓度等条件来控制。

（2）筛分作用：筛分作用是指根据膜孔径大小，通过筛选作用来分离混合物中的不同分子大小的成分。膜孔径越小，被分离的物质分子也就越小。由于不同材料的膜孔径大小不同，在选择不同材料的膜时，可以实现对不同大小的成分进行筛选和分离。

膜分离技术的原理是利用膜与混合物中成分之间的物理或化学相互作用，通过渗透复合和筛分作用实现成分的分离和纯化。它具有操作简便、投资少、不需大量能源以及对环境污染小等优点，已经成为工业生产和科研实验中广泛应用的一种分离方法。

1.2 应用优势

（1）高效性：膜分离技术取代了传统的过滤、离心和沉淀的方法， 去除杂质或者浓缩物质更加快速、高效， 这将有助于加快工业生产和实验室分析流程。

（2）低能耗: 相对于传统方法，膜分离技术的能耗非常低，因为它不需要强制压缩或外部驱动力。 从而降低了工艺所需的运行成本。

（3）均匀性: 膜分离技术具有高度的选择性，可以根据需要筛选特定大小、形态以及质量的物质。 可以通过不同的膜类型和生成方式来调整其孔径和排列，从而实现特定的分离效果。

（4）制备过程简单： 膜分离技术相对于其他分离技术制备过程更加简单， 成本也更加低。 以致使在实验中频繁进行分离或者浓缩的化学品或者混合物体可以非常容易地进行处理。

（5）环保友好: 膜分离技术无需使用有毒有害的试剂和溶剂，这种技术是一个安全、可持续发展的工艺，对环境友好，利于节能减排。

下表1为某化工厂应用膜分离法处理污水项目的实际指标数据。

表1 污水进水水质与设计出水水质指标

 2. 膜分离技术在工业废水处理中的应用

2.1 电渗析法

电渗析法指的是通过电场作用，利用电解质溶液在离子交换膜中发生离子迁移和浓差极化现象，使得离子逐渐被分离并收集的一种分离技术。它是一种连续性、高效、无污染的离子分离技术，广泛应用于海水淡化、废水处理、生物制品纯化等领域。

2.2 液膜法

液膜法是一种用于制备薄膜材料的方法，也称为溶液旋涂法。该方法是将溶解的材料涂抹在基底上制备薄膜。通常，溶解的材料会通过滴定或旋转涂布器在基底表面形成一个均匀的薄液膜，然后通过加热或干燥使其转变为薄膜。该方法具有简单、快速、易于控制膜厚度等优点，适用于制备各种材料的薄膜，如聚合物、金属氧化物、碳纳米管等。因此，在电子学、光学、生物医学等领域得到了广泛应用。

2.3 纳滤法

纳滤法（Nanofiltration，NF）是一种利用半透膜分离溶液中的各种成分的技术。它比反渗透膜处理和超过滤膜处理更加细致，可以除去更小的溶质、离子，以及有机物分子。主要应用于水净化、废水处理、食品加工、生物制药等领域。纳滤膜的选择范围通常是0.1至10纳米。相比于传统的过滤方法，纳滤法具有许多优点。例如，纳滤法可以将大部分溶液中的离子和小分子有机物分离出来，并且可以保留更多有用的营养成分。此外，纳滤法可以用于不同种类的液体，如纯水、溶液和悬浊液。纳滤法的操作简单、效率高，因此已被广泛用于半导体制造、食品制造和化学工业等领域。

2.4 超低压反渗透法

超低压反渗透法是一种利用半透膜分离溶液中的各种成分的技术。它比传统的反渗透法更加节能、环保和经济，在饮用水、废水处理、海水淡化等领域中得到广泛应用。传统的反渗透膜需要高压来逼迫水通过膜孔，消耗大量能量，而LP-RO使用低压下的反渗透膜，可以节省50%至70%的能源。此外，由于操作压力较低，也减少了膜表面的污垢和破损，延长了膜的使用寿命。在LP-RO过程中，水被迫通过半透膜，使其流过孔隙，而含有溶质的水则停留在膜的一侧。这样就实现了对水中溶质的去除和水的净化。LP-RO技术可以有效地去除溶解在水中的盐类、有机物和微生物等，得到高品质的水。综合来看，LP-RO技术是一种高效、环保、经济的水处理技术，具有广泛的应用前景。

2.5 胶束增强超滤法

胶束增强超滤法（Surfactant Enhanced Ultrafiltration，SEUF）是一种利用表面活性剂（surfactant）提高超滤的分离效率的技术。它常用于水处理、废水处理和生物制品的分离等领域。在SEUF中，表面活性剂作为增强剂被添加到待处理液体中。待处理液体随后通过超滤膜，由于膜的特殊结构，直径大于其孔隙的物质被截留，而小分子物质和溶剂则通过膜孔透过。同时，表面活性剂在超滤膜表面形成胶束结构，有效地去除微小分子、胶体、沉淀物和悬浮物等难处理物。SEUF具有许多优点，如操作简单、成本低、能耗低、高效率、易于实现连续操作和可控制的选择性。此外，SEUF还可以在处理高浓度污染物时避免膜污染和堵塞等问题，从而提高了膜的使用寿命。SEUF技术是一种高效、经济、环保的分离技术，在水处理、废水处理和生物制品的分离等领域中具有广泛的应用前景。

2.6 水溶性聚合物络合超滤法

水溶性聚合物络合超滤法是一种分离和纯化生物大分子（如蛋白质、多糖等）的方法。它利用水溶性聚合物与生物大分子形成复合物，通过超滤膜将复合物和其他小分子分离开来。这种方法可以选择性地分离出目标生物大分子，并且同时可以去除其他杂质和小分子。该方法的优点是使用的是水溶性聚合物作为络合剂，不会对目标生物大分子造成损伤或污染。此外，这种方法操作简便、成本低廉，可以应用于大规模生产中。然而，需要注意的是，选择合适的络合剂和超滤膜是非常重要的，否则可能会导致失效或者低分离效率。

2.7 微滤膜技术

微滤膜技术是一种应用于物质分离和纯化的技术。它利用特殊的微孔大小滤膜（通常在0.1-10微米之间）来过滤液体或气体中的杂质和微粒，从而实现分离。这种技术可用于从生物、食品、水处理和化学等行业中分离和纯化物质，可以有效去除细菌、病毒、有机物、沉淀等物质。微滤膜技术比传统的过滤方法更为高效和可靠，同时还能够实现较低的能耗和减少废弃物产生。它是一种广泛应用的技术，在饮料、制药、废水处理、环境保护等领域有广泛的应用。

3. 目前膜分离技术存在的问题及发展动向

3.1目前膜分离技术存在的问题

（1）膜污染：膜分离过程中，难以避免膜面的积垢、附着物和沉淀等导致膜通量降低，需要经常清洗或更换膜。

（2）抗污染性能不高：有些物质会在膜表面附着形成污染层，导致膜通量降低，从而影响膜分离效果。

（3）膜选择性有限：目前膜对于大分子物质的分离效果相对较好，而对于小分子物质的分离效果相对较差。

（4）成本高：目前膜分离技术还需要更多的改进，在生产成本和操作成本方面仍然较高。

3.2未来膜分离技术的发展动向

（1）开发新型膜材料：研究开发具有更好抗污染性能、选择性和机械稳定性的新型膜材料，例如聚合物纳米复合材料、金属有机框架材料等。

（2）提高膜制备和加工技术：提高膜制备和加工技术，包括膜的纳米级控制、多层复合等技术，以提高膜的性能。

（3）加强膜后处理和维护：加强对膜表面污染的控制和膜后处理技术，如化学清洗、生物清洗等。

（4）推广膜分离技术：积极推广膜分离技术在水处理、食品加工、制药、化工等领域的应用，促进其发展和推广。

4. 膜分离技术的研究热点

膜分离技术是一种高效、节能、环保的分离技术，近年来在生物医药、食品加工、环境治理等领域得到越来越广泛的应用。目前，膜分离技术的研究热点主要集中在膜材料、膜结构和新型膜分离技术的开发和研究。其中，新型膜材料的研究是当前的重点之一，研究人员正在开发具有更好抗污染性能、选择性和机械稳定性的新型膜材料，如高通量纳滤膜、聚合物纳米复合材料、金属有机框架材料等。此外，膜结构的研究也备受关注，研究人员正在开发多层膜、纳米孔膜、防污膜等结构的膜，以提高膜的性能和寿命。另外，新型膜分离技术的开发也是当前的研究热点之一，如振荡膜分离技术、膜蒸馏技术、电渗析技术等，这些新技术可以克服传统膜分离技术存在的一些问题，并拓展其应用范围。总之，膜分离技术的研究热点主要集中在提高膜的性能和开发新型膜分离技术，以满足不同领域的需求，并推动膜分离技术的进一步发展与应用。

5. 总结

通过对工业废水处理中的膜分离技术进行研究，不难发现，膜分离技术可以有效地去除工业废水中的悬浮物、胶体、有机物和无机盐等污染物。这种技术具有高效、节能、无二次污染、操作简便等优点，已经成为工业废水处理的主流技术之一。在膜分离技术中，微滤、超滤和纳滤是常用的三种膜技术。不同的膜技术适用于不同的废水处理工艺，需要进行技术选型和工艺优化。膜污染是膜分离技术中一个重要的问题。膜污染会导致膜通量下降、运行成本增加以及膜寿命缩短。因此，膜污染的防治策略是保证膜分离技术运行稳定的关键。膜分离技术在工业废水处理中的应用还存在一些挑战和难点，如膜材料的选择、膜组件的优化设计、膜系统的自动化控制等。这些问题需要通过进一步的研究和探索来得到解决。总之，膜分离技术在工业废水处理中具有广泛的应用前景，其优点明显、技术不断创新和完善，将对环境保护和资源节约发挥重要作用。

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