膜分离技术助力纺织废水处理随着社会和科学技术的快速发展,在资源的循环利用和环境治理中,特殊物质的分离技术成为重要研究方向。其中,分离膜技术在城镇给水处理、工业废水废气处理、生活废水循环使用、中水回用、海水淡化等领域起到了举足轻重的作用。近年来,膜分离技术在纺织废水处理中的应用增速较为明显,为纺织行业的水资源循环利用另辟蹊径。针对当前分离膜的研究热点与应用进展情况,中国纺织工程学会的第7期纺织科技新见解学术沙龙暨第二届津膜论坛于2015年4月21日在天津举行。会议主题为“分离膜技术与应用”,由《纺织学报》编辑委员会、省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室和天津膜天膜科技股份有限公司共同承办。中国工程院高从堦院士、姚穆院士,天津工业大学肖长发教授,总后勤部军需装备研究所施楣梧教授级高工,天津膜天膜科技股份有限公司徐平研究员担任领衔科学家。来自科研院所和企业的40余名专家与学者围绕膜技术的深度研发和推广应用共同探讨新见解、新思路。

1膜分离技术的发展现状

自20世纪60年代世界上出现了第一张高通量的反渗透膜,经过理论、材料、技术、设备、工艺及其集成技术的不断创新,分离膜技术取得了快速发展,其应用领域已经从早期的脱盐加工发展到国民经济的各个行业,成为工农业生产、日常生活和国防领域中不可缺少的分离方法。高从堦院士详细介绍了膜科学技术创新发展思路以及产业化的现状,主要包括处理能力达52万t/d的大型反渗透海水淡化工厂、用膜近万平方米的大型超滤退浆废水处理厂、30万t/d的膜生物反应器废水处理系统、每小时数万标方的合成氨池放气H2回收装置、年产4.5万m3无水乙醇渗透汽化厂、以及每年挽救超百万人的医用膜材料等。这些膜技术的应用案例充分体现了膜技术从无到有快速发展的近60年历程。膜的种类根据其功能和结构的不同主要分为以下几类:按外形可分为中空纤维膜、平板膜和管式膜;按推动力可分为纳滤膜、反渗透膜、电渗析膜、微滤膜和超滤膜;按材料化学组成可分为无机膜、有机膜和复合膜。膜分离技术的突出优点是占地少、能耗低、无污染且可回收有用物质,是国内外一直高度关注的高新技术领域。我国是世界分离膜的主产区之一,设备完全国产化,主要生产以平板膜、中空纤维膜为主的功能性分离膜,同时培养出一批创新精神强、科研素质高的专家和团队,带动了一批实力强劲的创新型企业,形成了运转良好的产业链。近30年来,我国膜法水处理技术也取得了较好成绩:20世纪80年代,超滤/微滤主要用于中小型水净化,反渗透开始规模化生产应用;20世纪90年代,膜生物反应器小型化生产应用,反渗透复合膜大规模普及使用;21世纪初期,超滤/微滤/膜生物反应器大规模用于工业及市政水处理;2010年以来,10万t级超滤、20万t级反渗透膜投产使用,用于工业污水和生活废水处理,但与国外先进水平相比,我国的膜分离技术从整体上还有一定差距。

2高性能膜材料的研究

膜材料的研发是膜分离技术发展的重要保证,而选择适当的膜材料对膜的开发和应用起着决定性作用,其成膜性、化学稳定性、热稳定性、耐氧化、耐酸碱性和耐微生物侵蚀以及抗污染和亲水性均是要考虑的重要因素之一。目前用于制作分离膜的高分子材料主要有纤维素酯类、聚砜类、聚酰(亚)胺类、聚酯及烯烃类、含氟(硅)类等,随着技术发展,不断有新型改性材料和其他新材料用于制备分离膜。杂萘联苯聚芳醚主要是由杂萘联苯类双酚单体(DHPZ)及其衍生物合成功能性高分子材料,由于分子主链上含有全芳非共平面扭曲链结构,具有较好的耐化学稳定性和耐热性,且可溶解于N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等常用制膜溶剂,是一类性能优良的高分子膜材料,在耐高温分离膜和离子交换膜方面具有非常好的应用前景。蹇锡高院士指出,将制备的杂萘联苯聚芳醚砜酮(PPESK)作为膜材料,采用干-湿法纺丝工艺纺制具有中空结构的气体分离基膜,在膜表面涂覆硅橡胶后,制备得到具有气体分离功能的中空纤维膜,再通过线性浊点关联式和浊点滴定计算,得到氧氮分离系数为5.3的分离膜。即使在温度升高时,也能保持较高的分离系数。目前,杂萘联苯聚芳醚膜材料的应用领域向反渗透膜、纳滤膜、超滤膜、气体分离膜、离子交换膜等功能膜领域扩展。而以聚芳酯纤维为主的热致型液晶高分子材料(TLCP),具有优异力学性能、低熔融黏度、自增强效应,在外力作用下分子链高度取向;并有突出的抗燃烧性、热稳定性;优异的耐化学腐蚀、绝缘性和抗老化性等优点。东华大学王依民教授认为,在聚芳酯溶解体系中,低黏度和高黏度的性能具有很大区别,也就是趋向差异是非常大的,时间从长到短,结晶的趋向是非常好的,符合高性能纤维必要的结构模型;在应用于膜材料方面,耐热、耐切割、耐化学品,耐酸碱等性能均比聚芳酰胺高很多,尤其是酸性环境下的过滤,同时有较好的振动衰减性、冲击吸收性,电气绝缘性;但是其成本太高,不利于大范围推广,如何通过添加不同第三单体来调节体系溶解度和黏度以降低成本,对制备出高性能的分离膜具有重大意义。浙江理工大学郭玉海教授向大家介绍了聚四氟乙烯(PTFE)微孔材料研发中对孔径控制、亲水处理、疏水处理的思路和观点,所开发的产品已经在企业有较好应用。

3高性能分离膜的应用前景

膜分离技术被认为是新型环保技术,膜在分离过程中不发生相变,能耗低且分离效率高,是解决当前淡水污染和水资源紧缺等问题的重要方法之一。徐平研究员介绍了世界上最大的膜法海水淡化厂即以色列Ashkelon海水淡化厂,它提供的淡水占整个国家总用水量的5%~6%,是世界上制水成本最低的海水淡化厂之一。在我国同样存在淡水资源紧张,已经严重制约了人民生活水平提高和工业发展,经过膜法对工业废水进行回用和海水淡化将是破解此问题的重要手段。印染行业的水、气、泥三大污染源是限制行业发展的瓶颈问题,在国家日益严格的排放标准下,已严重影响到企业的发展甚至是生存。可喜的是膜分离技术的应用实现了印染废水的回用,为印染行业的持续发展解决了后顾之忧。以浙江某印染公司为例。该公司是一家大型纺织、印染、服装、贸易企业。采用了“物化+生化+膜生物反应器+反渗透”废水处理方式,目标是印染废水回用,日处理废水规模为14000m3,2012年2月投产运行并通过验收,一直稳定运行至今。目前回用处理水量为10000m3(回用水6000m3,浓水4000m3),回用水返回至印染生产过程中,其余排放水水质达到污水综合三级排放标准(GB8978—1996《污水综合排放标准》)。其处理流程为:印染生产废水—调节池—物化处理—冷却塔—生物接触氧化—膜生物反应器系统—反渗透系统—清水池—回用至印染车间。其中经膜生物反应器系统和反渗透系统处理的不可回用废水进入废水池至废水管网达标排放。印染废水经过此综合系统的处理,约60%废水成功回用,使废水排放总量控制在指标之内,为公司印染业务的增加提供了保障。目前浙江、江苏等地多家印染企业都开始尝试使用这一新技术。膜分离技术处理印染废水取得的良好效果,不仅拓宽了该技术的应用领域,也为印染行业的节能减排、水资源的开发再利用找到了正确的方向。与会专家也特别提醒,因为各厂产品和所用染料均不一样,印染废水组成成分较为复杂,要依据废水的组分选择合适的过滤膜材料和处理方式。煤矿也是工业污水的主要来源之一,每年煤矿排放量是45亿t,占整个采矿业的80%,污水非常大,且目前大部分污水没有处理直接排到江里,加重了水资源的短缺和环境污染。针对这一市场需求,清华大学的李继定教授采用多层筛分型分离原理,研发了一套高效集成污水处理系统,具有工艺流程短、出水质量好、占地小、投资少、运行费用低的特点,受到煤矿企业的欢迎,但这一技术是否也可用于纺织废水处理还有待进一步实验。

4结语

高从堦院士指出,我国膜产业产值2014年达1000亿元,2020年将超过2000亿元。膜分离技术在海水淡化与苦咸水淡化、微污染水处理、废水回用、节能减排、新能源电池、医用膜、氯碱工业应用、气体分离等方面的应用都将有大幅增长。其中重点是废水处理和节能产品改造,也包括新能源电池的应用,这是今后膜技术,不管是在科研还是“产学研”方面,需集中解决的问题。姚穆院士为本次会议作了总结。他认为用膜法进行水处理和空气过滤具有重大的市场潜力;中国是淡水非常缺乏的国家之一,而且我国现在又是空气污染很严重的国家之一,膜技术的发展是解决这一问题的关键。目前,国内在海水淡化、污水处理、饮用水安全、大气污染、特种安全等方面取得了巨大进步,以沙龙的形式引导不同领域的专家齐聚一堂,分享研究成果,启迪各位专家和年轻学者的灵感,可对纺织工业以及材料纺织品技术进步起到极大促进作用,达到跨界融合的共赢目的。国内已建有较为健全的膜技术平台,建议通过国家重点实验室、高校、学会联合几家上市公司以及众多中小企业,形成运转良好的“产学研用”平台,大力促进膜分离技术的发展并进行推广应用,为纺织行业的可持续发展做好技术创新。

作者:舒伟 单位:中国纺织工程学会