綠色分離過程的生態環境效益分析

在綠色分離的過程中，我們將努力變得越來越重要。只有將綠色分離與環境友好結合起來，才能逆流而下。為了實現更綠色的分離過程，我們勢必更多地利用那些舊的和新的被證實了的高效，清潔技術。從普通的飲用水凈化器到為企業提供合格用水的大型脫鹽工廠，壓力推動的濾膜過程涵蓋了各種各樣的應用領域。在所有的壓力推動濾膜過程下，傳遞能量來分離溶液中成分的驅動力都是壓力梯度，而其他膜分離過程則是通過電勢來進行分離的。壓力推動的濾膜過程實際上是篩分過程，按照過濾精度和程度逐漸降低的順序大致可以分成電除鹽、反滲透、超率、微濾。壓力推動的濾膜過程相比傳統的分離過程具有明顯優勢，保護環境是膜分離過程最顯而易見的優點，而該過程的其他優點需要深入分析才能體會。例如，綜合利用膜分離過程可以同時達到環境和經濟目標，能夠同時獲得高能效、低損耗、降低固有危險和避免廢物產生的好處，這些好處都與膜分離過程的凈收益有直接的關系。過去，為達到上述目標通常只采用傳統落后方法，包括離子交換和蒸餾方法等。因此，諸多優點決定優先選擇膜分離過程。在以下章節中將從綜述膜分離過程的基本理論，到全膜法在水工體系中的應用做更詳細地論述。1膜分離過程一般1.1再循環再利用技術綠色分離過程是用來描述對環境更加友好的，有助于可持續發展的分離過程。這些有利于全球的環境保護、經濟發展和社會進步。尋求如何應用合適的綠色分離過程是極其重要的。一般通過減少廢棄物排放和提高能源利用率來節約費用，并且由于減少資源消耗使過程更高效，進而帶來環境在損害處理方面的受益。此外，在工藝中更多的引入再循環再利用技術，將促進產業更具可持續性、降低危險事件的發生率和減少危廢物的處理量，可產生額外的社會效益。綠色分離過程的設計理念就是考慮到過程無害化，這將有助于確保諸如產品、材料、設備、工藝、技術等的可持續。生產前廢棄物最少量；安全和集約型生產；產品運輸接近市場需求；使用合格的產品；終端再循環或再利用。本文所述的全膜分離過程正是遵循綠色的宗旨，所以可認為是“綠色”的。它是建立在粒子利用率基礎上的，即將生產中引入的粒子盡可能地轉入到最終產品中。最小化投入和附加產量這兩點是膜分離的一個重要目標。如何在膜分離過程中取得逐步成效，首先必將更多地應用那些舊的和新的已被證實了的高效、清潔、節能技術。1.2膜分離過程的綠色化在世界上不存在絕對純凈的單質，而人類往往為了某種目的迫切需要盡可能純凈的物質。這就決定原料始端和產品終端的壓力不斷增加，留下的只有進行中間過程的不斷限制和加強控制，因此膜分離過程必須實現綠色化！在這種供需矛盾的背景下，全膜分離過程可以嶄露頭角。它是將溶液進行濾膜分離得到不同成分的產品。這個過程通常使用“綠色”分離媒介，利用物質之間化學或者物理性質的差異而進行。現在對水污染源的抑制以及資源回用有著越來越高的需求背景下，傳統的離子交換和蒸餾過程已不能適用潮流，這就需要膜分離過程的參與，例如運用全膜法制備純水。1.3全膜分離過程排放特點全膜分離過程對于水環境治理和保護具有重要作用。它能實現水的回收、回用，有效降低生產過程中有毒有害物質向環境的排放量。通常這些物質的存在都是痕量的，需要高性能的檢測儀器和分離設備。基于污染源以及污染位置的不同，全膜分離過程一般以電除鹽、反滲透、超率、微濾的單元操作來分步實現廢水的回收、回用代替排放。旨在使工業中污染最小化和產品最大化。1.4綠色分離過程膜分離過程實質是納米級過濾過程，是以膜孔尺寸和電化學性為基礎來選擇透過物質的一種綠色分離過程。全膜分離過程主要由傳質速率控制，在壓力、外部電場力的作用下，引起水與溶質的分離過程。1.5優化工藝條件,減少運行成本膜分離過程是基于膜分離機理，通過單元操作來完成，最終達到分離的目的。其著重考慮的是過程的選擇和改進。應用它們前需要了解基本原理，這是很關鍵的。它可以指導系統性的設計和工藝條件的更優化以獲得最大的分離度和較低的運行成本。此外，對于膜分離過程的影響因素應該有所了解，有助于降低能耗和資源消耗，并取得處理費用上的理想組合。因此，對膜分離過程總體上的了解，可以鑒別和選用在水工應用領域中最合適的全膜制水法。全膜系統各單元相輔相成，相互配合。前一單元產水品質總是直接影響后一單元出水品質，進而決定了最終水產品質量是否合乎要求。合格的高純水不僅對水工領域的應用至關重要，而且直接影響其他相關工業生產的安全，以及是否達到環境友好和可持續發展的要求。2微過濾和超濾2.1膜本體的選擇微濾是由壓力推動的濾膜過程，也是最早應用的膜法液體分離技術。它實際上是一種傳統的粗過濾過程，僅在膜上開有若干個孔隙，因此只適合去除≥0.1μm的膠體，懸浮物等顆粒，工作壓力一般可放寬到7×10本文涉及的微濾分離過程均采用全量過濾形式運行，水回收率高。膜本體可卸下清洗或更換，操作方便。立式筒裝結構，納污量較大。2.2微膠濾芯過濾(1）保安過濾器。保安過濾器的作用是去除水中的細小顆粒，滿足后續超濾、反滲透、電除鹽本體對進水、反洗水、清洗水水質的濁度要求，過濾精度分別為100μm、5μm、1μm。一般選用PP棉折疊微孔膜濾芯，濾速≤10m(2）自清洗過濾器。自清洗過濾器為吸吮網式過濾器，過濾精度為100μm，置于超濾膜裝置前，可去除水中的懸浮顆粒物，減輕后續超濾膜的負荷。自清洗過濾器最大出口壓力控制在0.15～0.2MPa，擁有自控系統，根據差壓信號是否≥0.1MPa反饋自控反洗，也可手動強制反洗。2.3外壓式濃水不回流超濾技術從分離機理上來說，超率與微濾很相似，都是不發生相變的物理過程。典型的超濾過程是用來截留相對分子質量>1000g/mol和粒徑大于膜孔徑的的顆粒。為了截留這些雜質，膜的孔徑要比微濾膜要小，而水透過膜的阻力則要大些。一般超濾膜的孔徑在0.1～0.002μm之間，推動壓力在0.03～0.7MPa之間。目前，應用于水工行業的超濾從推動力類型和運行方式來考慮，大多采用外壓式濃水不回流全量過濾形式運行。外壓式進水方式易清洗，納污量大；全量過濾形式水回收率高。2.4超濾材料的篩選超濾膜用于水工時，需要考慮膜的機械強度高、親水性能好、材料生化性能穩定、抗氧化性強等期望要求。所以在設計超濾膜組件和流程之前應根據待處理水樣的性質，在不同的操作條件下對膜材料進行篩選。針對期望要求，優先選用聚偏氟乙烯中空纖維作為材質。因其操作壓力低、填充度高、易反洗、通量高，所以使得膜組件可以在較苛刻的條件下安全穩定的運行，并能滿足超濾產水作為反滲透進水的水質要求。2.5絲的組成設計經過多方面考慮，超濾膜組件選用U—PVC管式外殼和聚偏氟乙烯膜絲組成比較合適。如果將納污能力更高的外壓式結構、獨特的環隙集水—排水結構和氣水擦洗清洗模式相結合，可以使新組件的清洗排污效果比傳統組件大大增強，納污量也大大提高，一般適用進水濃度較高的場合。2.6超濾系統的改造(1）超濾運行。超濾過程除化學清洗外，其他單元操作均可實現DCS順序控制。而與其具有相同作用的傳統粒料過濾尚且停留在PLC控制方式。(2）超濾反洗。超濾反洗的目的是為了除去膜元件沾染的污垢，恢復膜的通透特性，需配備一套反洗裝置。反洗方式：常規氣、水反洗歷時2.5min/制水周期30～45min；化學反洗歷時10min/制水周期24h，其中每7次堿、氯混洗后進行一次酸洗。通常，超濾常規反洗排水回流至原水預處理工段；化學反洗排水經工業廢水處理后送入工業回用工段。這些舉措可提高水的回收率。(3）化學清洗。當膜通過化學反洗依然無法恢復其通透性時，需要進行膜的化學清洗。清洗周期3～6個月。超濾系統單獨配置一套清洗裝置。清洗方式主要參照膜的材質和進液的特性進行選擇。清洗劑有NaOH、NaClO、鹽酸或檸檬酸。化學清洗與化學反洗排水經工業廢水處理后送入工業回用工段，提高水的回收率。2.7透膜與氯的關系進水濁度≤2NTU、pH值2～11、余氯0.1～0.2mg/L、溫度15～35℃、壓力0.06～0.29MPa、透膜壓差≤0.1MPa、膜通量40.5L/m2.8廢水處理系統無論是超濾的化學排水，還是后序反滲透的化學排水都可以再利用，先排至廢水池，經泵送到工業廢水處理系統，再送入工業回用工段。兩個單元的常規沖洗排水先排至回收水池，經泵送到原水預處理系統實現再循環。所以，排放的廢水全部得到回用，有效提高了水的系統回收率。2.9反滲透膜運行工況超濾一般應用于反滲透單元之前，可以除去水中的所有固形物，極大地保護了反滲透膜的安全。即防止水中的固體對反滲透膜的磨損，從而改善膜的運行工況。同時，在超濾之前設置絮凝沉淀和空擦過濾單元，預先去除原水中的雜質，有利于超濾的產水率進一步提高。3抗滲透膜分離3.1分子量rol方法在水工應用領域中，典型的反滲透是截留水中溶解鹽份和相對分子量>100g/mol微粒的過程。它位于超濾單元之后，分離機理與超濾十分相似，也是由壓力推動的。只不過這種推動壓力高一些，一般為自然滲透壓的5倍以上。3.2反滲透膜材料利用性應用場合不同，決定了反滲透膜比超濾膜更為致密，制備工藝也不盡相同。一般要求反滲透膜孔在任何情況下都不可見，即分子的擴散是通過膜材料分子間存在的自由體積而不是膜孔。它只允許某些特定物質透過膜，在水工中只允許水和氣體分子選擇性透過。除此之外，適合工業生產的反滲透膜還需具有高通量和高選擇透過性，膜材料的選擇尤為重要。在水工應用中，優先選擇對溶劑水具有良好的親和性，而對溶質鹽的親和性較低的膜。一反和濃反的膜元件優選芳香聚酰胺抗污染膜，型號分別為BW30-400FR、BW30-400XFR。抗污染膜具有比其他材質膜耐污染和良好的化學穩定性，可在pH=1～12范圍內使用。針對二反的膜元件，要求進水很清潔、水通量較大，所以優選芳香聚酰胺低壓復合膜，型號為BW30-440HRLE。3.3排列比例的確定一級二段并聯式：為了提高水的回收率，并且維持每個膜元件內流體流動狀況相似，因此將膜組件設計成錐形結構。多級組合式：原水經過一級二段膜分離后，透過的產水和排出的濃水可以分別進入下一級膜分離，這是一種設計上的優化以實現更好的鈍化和回收。將一反濃水送人濃反，一反、濃反產水送入二反，正是基于此依據。排列比例：一反（7芯裝膜元件，28:11膜組件排列）；二反（7芯裝膜元件，19:6膜組件排列）；濃反（4芯裝膜元件，13:8膜組件排列）。3.4膜的清洗和回用反滲透正常工作過程中，需向系統加入適量阻垢劑、還原劑、酸和堿，為的是防止系統結垢和膜被氧化，并調節適宜工況的pH值。當膜產生結垢或污染后，膜的滲透性劣化進而引起產水質和量的變化，這時需要對膜裝置進行定期或不定期的酸和堿循環清洗。反滲透和電除鹽共用一套清洗系統。設計之初需要考慮膜及其組件的選材對清洗溶液的耐受性能。3.5關于勞工控制的指標一反和濃反的脫鹽率≥97%～98%；二反的脫鹽率≥95%；一反、濃反、二反的水通量分別≤18L/m3.6做好膜的研究工作在反滲透的應用中，膜單元的進水是否合格直接影響產水水質和產量。因此對膜前進水妥善處理十分重要。前處理工藝：混凝（消毒）→沉淀→空擦過濾→微濾（殺菌）→超濾→微濾（脫氯、加酸、加堿、加阻垢劑）。4電鹽分離過程4.1電離子分離過程電除鹽是一種將離子電遷移、離子選擇性透過膜、離子交換及水的電離、極化相結合的新型分離過程。它通過兩端電極直流作用使水中離子定向移動，并利用水室中填充的離子交換樹脂加速離子去除。當遇到定向離子膜時，異種離子被很好的分離排出，而失效的樹脂則被連續電解的水反復再生。它克服樹脂失效后被酸和堿再生的弊端，益于環境友好。4.2反滲透含鹽量偏高由于電除鹽單元只適合處理總鹽<50mg/L以下的水，因此一般串聯于多級反滲透單元之后。眾所周知，單級反滲透產水的含鹽量偏高，不能滿足電除鹽裝置對進水的要求。而多級反滲透經中間加NaOH或KOH處理后，其產水的雜質含量較低，完全符合電除鹽裝置所需要求。4.3濃水的回收和極水排放(1）膜塊選擇。通常選用通用電氣公司的膜塊。其在淡水室、濃水室和極水室中填充了陰陽離子交換樹脂，能在一次直通式逆流模式中運行，非加鹽模式運行，無需提供濃水循環泵，濃水直接排出。通用電氣公司的逆流式模塊的優勢在于進水中允許含有高達1.0mg/L(CaCO(2）其他措施。模塊排放的濃水比二反進水水質更好，因此濃水常被回收到一反產水箱；同樣排放的極水則回收到超濾產水箱。這些措施有利于提高電除鹽系統的凈回收率，使其達到約98%。極水流由淡水進口分流獲取，直至溢出電極水室。極水流作用是冷卻電極并引出極水室中產生的氣體。由于極水流中可能出現氫氣、氧氣和氯氣聚集，阻礙通路、增加電耗，因此在極水排放管頂采取釋放氣體至室外的措施；同樣濃水也采取相同的措施。供給模塊的大部分電能最終轉化為熱能。如果模塊在低于最小水流量的條件下工作，則因內部局部升溫會導致模塊損壞和泄漏，不利于安全運行，所以要注意最小流量。如果采用密封浮頂式儲水罐，并在電除鹽裝置前設置保安過濾器，就可以有效避免進水受到中間設備帶入的污染。4.4電鹽去除性能進水SiO4.5電除鹽單元的設計思路為了保證電除鹽裝置連續供水，提高系統運行的穩定性和可維護性，通常采用模塊化設計。即利用若干個一定規格的電除鹽模塊組合成若干套電除鹽單元。模塊化的設計思路，可以方便對故障模塊進行維修及更換處理；另外還可以使裝置保持一定的擴展性。經生產實踐證明，電除鹽單元的產水質量符合國家相關標準：二氧化硅≤10μg/L、電導率（25℃）≤0.10μs/cm、總有機碳≤100μg/L、O電除鹽產水主要補給工業生產所需，其應用領域日趨廣泛。例如，環保、分析、醫藥、電力、食品等行業的應用前景十分廣泛。5全膜技術的應用分析在全膜分離過程的施工、設計、投入生產及使用過程中，這些工作是同時進行的。因此在理論指導的基礎上，必須同時進行應用分析，掌握工藝規律，正確應用全膜技術。這種設計思路相當有必要。5.1全膜分離過程傳統制取高純水普遍選用離子交換過程。這種分離過程涉及大量酸堿和再生水的使用，以及廢水中和處理，很難作為綠色分離過程。另一種制備高純水的傳統方法是蒸餾。它是通過相變傳質達到純化目的，不僅熱能消耗巨大，而且不宜實現大規模工業化生產。所以，這種分離過程也不能滿足環境友好和可持續發展的要求。全膜分離過程的電除鹽是將離子交換和電滲析有機結合。其失效的功能樹脂不再通過酸、堿進行再生，而是利用直流連續電解水完成樹脂的自行再生。它完全能滿足在水環境友好方面的全球迫切要求。在工業上，超濾代替了粒狀濾料過濾；反滲透用來代替陽床和陰床；電除鹽系統作為精制分離代替了混床。現將反滲透、超濾、電除鹽單元結合起來，組成一系列連續運行的可持續發展的“綠色”分離過程，即全膜分離過程。5.2原水化學改性全膜分離過程主要由超濾去除所有顆粒物、反滲透去除溶解物質、電除鹽深度除鹽單元組成。為了提高水的回收率，其中增設了濃水反滲透，并對工藝流程做優化調整。工藝流程如下所示：原水→預處理→化學、消防水池→化學清水泵→管式換熱器→自清洗過濾器→超濾膜組件→超濾產水箱→一反給水泵→一反保安過濾器→一反高壓泵→一反膜組件→一反產水箱→二反給水泵→二反保安過濾器→二反高壓泵→二反膜組件→二反產水箱→電除鹽進水泵→電除鹽保安過濾器→電除鹽裝置→高純水箱→除鹽水泵→脫氣膜→主廠房。一反濃水→濃水箱→濃反給水泵→濃反保安過濾器→濃反高壓泵→濃反膜組件→一反產水箱。超濾常規反洗水→原水預處理濃反濃水→水工回用水池電除鹽極水、二反濃水→超濾產水箱電除鹽濃水、換熱器疏水→一反產水箱。5.3設計輸出超濾、一反、二反、電除鹽單元額定出力分別為201、178、198、178m5.4經濟分析設想在水工應用中，Q=100×2m5.5指標分析經生產實踐得出：全膜分離過程的產水導電度≤0.10μS/cm(25℃）和SiO5.6全膜系統回收率高全膜分離過程是在常規膜分離過程的基礎