綠色分離過程的生態(tài)環(huán)境效益分析

綠色分離過程的生態(tài)環(huán)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(huán)境友好結(jié)合起來，才能逆流而下。為了實(shí)現(xiàn)更綠色的分離過程，我們勢(shì)必更多地利用那些舊的和新的被證實(shí)了的高效，清潔技術(shù)。從普通的飲用水凈化器到為企業(yè)提供合格用水的大型脫鹽工廠，壓力推動(dòng)的濾膜過程涵蓋了各種各樣的應(yīng)用領(lǐng)域。在所有的壓力推動(dòng)濾膜過程下，傳遞能量來分離溶液中成分的驅(qū)動(dòng)力都是壓力梯度，而其他膜分離過程則是通過電勢(shì)來進(jìn)行分離的。壓力推動(dòng)的濾膜過程實(shí)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(dòng)的濾膜過程相比傳統(tǒng)的分離過程具有明顯優(yōu)勢(shì)，保護(hù)環(huán)境是膜分離過程最顯而易見的優(yōu)點(diǎn)，而該過程的其他優(yōu)點(diǎn)需要深入分析才能體會(huì)。例如，綜合利用膜分離過程可以同時(shí)達(dá)到環(huán)境和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，能夠同時(shí)獲得高能效、低損耗、降低固有危險(xiǎn)和避免廢物產(chǎn)生的好處，這些好處都與膜分離過程的凈收益有直接的關(guān)系。過去，為達(dá)到上述目標(biāo)通常只采用傳統(tǒng)落后方法，包括離子交換和蒸餾方法等。因此，諸多優(yōu)點(diǎn)決定優(yōu)先選擇膜分離過程。在以下章節(jié)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(yīng)用做更詳細(xì)地論述。1膜分離過程一般1.1再循環(huán)再利用技術(shù)綠色分離過程是用來描述對(duì)環(huán)境更加友好的，有助于可持續(xù)發(fā)展的分離過程。這些有利于全球的環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。尋求如何應(yīng)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(jié)約費(fèi)用，并且由于減少資源消耗使過程更高效，進(jìn)而帶來環(huán)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(huán)再利用技術(shù)，將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)更具可持續(xù)性、降低危險(xiǎn)事件的發(fā)生率和減少危廢物的處理量，可產(chǎn)生額外的社會(huì)效益。綠色分離過程的設(shè)計(jì)理念就是考慮到過程無害化，這將有助于確保諸如產(chǎn)品、材料、設(shè)備、工藝、技術(shù)等的可持續(xù)。生產(chǎn)前廢棄物最少量；安全和集約型生產(chǎn)；產(chǎn)品運(yùn)輸接近市場(chǎng)需求；使用合格的產(chǎn)品；終端再循環(huán)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(rèn)為是“綠色”的。它是建立在粒子利用率基礎(chǔ)上的，即將生產(chǎn)中引入的粒子盡可能地轉(zhuǎn)入到最終產(chǎn)品中。最小化投入和附加產(chǎn)量這兩點(diǎn)是膜分離的一個(gè)重要目標(biāo)。如何在膜分離過程中取得逐步成效，首先必將更多地應(yīng)用那些舊的和新的已被證實(shí)了的高效、清潔、節(jié)能技術(shù)。1.2膜分離過程的綠色化在世界上不存在絕對(duì)純凈的單質(zhì)，而人類往往為了某種目的迫切需要盡可能純凈的物質(zhì)。這就決定原料始端和產(chǎn)品終端的壓力不斷增加，留下的只有進(jìn)行中間過程的不斷限制和加強(qiáng)控制，因此膜分離過程必須實(shí)現(xiàn)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(jìn)行濾膜分離得到不同成分的產(chǎn)品。這個(gè)過程通常使用“綠色”分離媒介，利用物質(zhì)之間化學(xué)或者物理性質(zhì)的差異而進(jìn)行?，F(xiàn)在對(duì)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(tǒng)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(yùn)用全膜法制備純水。1.3全膜分離過程排放特點(diǎn)全膜分離過程對(duì)于水環(huán)境治理和保護(hù)具有重要作用。它能實(shí)現(xiàn)水的回收、回用，有效降低生產(chǎn)過程中有毒有害物質(zhì)向環(huán)境的排放量。通常這些物質(zhì)的存在都是痕量的，需要高性能的檢測(cè)儀器和分離設(shè)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(shí)現(xiàn)廢水的回收、回用代替排放。旨在使工業(yè)中污染最小化和產(chǎn)品最大化。1.4綠色分離過程膜分離過程實(shí)質(zhì)是納米級(jí)過濾過程，是以膜孔尺寸和電化學(xué)性為基礎(chǔ)來選擇透過物質(zhì)的一種綠色分離過程。全膜分離過程主要由傳質(zhì)速率控制，在壓力、外部電場(chǎng)力的作用下，引起水與溶質(zhì)的分離過程。1.5優(yōu)化工藝條件,減少運(yùn)行成本膜分離過程是基于膜分離機(jī)理，通過單元操作來完成，最終達(dá)到分離的目的。其著重考慮的是過程的選擇和改進(jìn)。應(yīng)用它們前需要了解基本原理，這是很關(guān)鍵的。它可以指導(dǎo)系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)和工藝條件的更優(yōu)化以獲得最大的分離度和較低的運(yùn)行成本。此外，對(duì)于膜分離過程的影響因素應(yīng)該有所了解，有助于降低能耗和資源消耗，并取得處理費(fèi)用上的理想組合。因此，對(duì)膜分離過程總體上的了解，可以鑒別和選用在水工應(yīng)用領(lǐng)域中最合適的全膜制水法。全膜系統(tǒng)各單元相輔相成，相互配合。前一單元產(chǎn)水品質(zhì)總是直接影響后一單元出水品質(zhì)，進(jìn)而決定了最終水產(chǎn)品質(zhì)量是否合乎要求。合格的高純水不僅對(duì)水工領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要，而且直接影響其他相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的安全，以及是否達(dá)到環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)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(dòng)的濾膜過程，也是最早應(yīng)用的膜法液體分離技術(shù)。它實(shí)際上是一種傳統(tǒng)的粗過濾過程，僅在膜上開有若干個(gè)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(yùn)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(jié)構(gòu)，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(xì)小顆粒，滿足后續(xù)超濾、反滲透、電除鹽本體對(duì)進(jìn)水、反洗水、清洗水水質(zhì)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(wǎng)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(xù)超濾膜的負(fù)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(tǒng)，根據(jù)差壓信號(hào)是否≥0.1MPa反饋?zhàn)钥胤聪矗部墒謩?dòng)強(qiáng)制反洗。2.3外壓式濃水不回流超濾技術(shù)從分離機(jī)理上來說，超率與微濾很相似，都是不發(fā)生相變的物理過程。典型的超濾過程是用來截留相對(duì)分子質(zhì)量>1000g/mol和粒徑大于膜孔徑的的顆粒。為了截留這些雜質(zhì)，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(dòng)壓力在0.03～0.7MPa之間。目前，應(yīng)用于水工行業(yè)的超濾從推動(dòng)力類型和運(yùn)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(yùn)行。外壓式進(jìn)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(shí)，需要考慮膜的機(jī)械強(qiáng)度高、親水性能好、材料生化性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)等期望要求。所以在設(shè)計(jì)超濾膜組件和流程之前應(yīng)根據(jù)待處理水樣的性質(zhì)，在不同的操作條件下對(duì)膜材料進(jìn)行篩選。針對(duì)期望要求，優(yōu)先選用聚偏氟乙烯中空纖維作為材質(zhì)。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(wěn)定的運(yùn)行，并能滿足超濾產(chǎn)水作為反滲透進(jìn)水的水質(zhì)要求。2.5絲的組成設(shè)計(jì)經(jīng)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(jié)構(gòu)、獨(dú)特的環(huán)隙集水—排水結(jié)構(gòu)和氣水擦洗清洗模式相結(jié)合，可以使新組件的清洗排污效果比傳統(tǒng)組件大大增強(qiáng)，納污量也大大提高，一般適用進(jìn)水濃度較高的場(chǎng)合。2.6超濾系統(tǒng)的改造(1）超濾運(yùn)行。超濾過程除化學(xué)清洗外，其他單元操作均可實(shí)現(xiàn)DCS順序控制。而與其具有相同作用的傳統(tǒng)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(fù)膜的通透特性，需配備一套反洗裝置。反洗方式：常規(guī)氣、水反洗歷時(shí)2.5min/制水周期30～45min；化學(xué)反洗歷時(shí)10min/制水周期24h，其中每7次堿、氯混洗后進(jìn)行一次酸洗。通常，超濾常規(guī)反洗排水回流至原水預(yù)處理工段；化學(xué)反洗排水經(jīng)工業(yè)廢水處理后送入工業(yè)回用工段。這些舉措可提高水的回收率。(3）化學(xué)清洗。當(dāng)膜通過化學(xué)反洗依然無法恢復(fù)其通透性時(shí)，需要進(jìn)行膜的化學(xué)清洗。清洗周期3～6個(gè)月。超濾系統(tǒng)單獨(dú)配置一套清洗裝置。清洗方式主要參照膜的材質(zhì)和進(jìn)液的特性進(jìn)行選擇。清洗劑有NaOH、NaClO、鹽酸或檸檬酸?；瘜W(xué)清洗與化學(xué)反洗排水經(jīng)工業(yè)廢水處理后送入工業(yè)回用工段，提高水的回收率。2.7透膜與氯的關(guān)系進(jìn)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(tǒng)無論是超濾的化學(xué)排水，還是后序反滲透的化學(xué)排水都可以再利用，先排至廢水池，經(jīng)泵送到工業(yè)廢水處理系統(tǒng)，再送入工業(yè)回用工段。兩個(gè)單元的常規(guī)沖洗排水先排至回收水池，經(jīng)泵送到原水預(yù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)再循環(huán)。所以，排放的廢水全部得到回用，有效提高了水的系統(tǒng)回收率。2.9反滲透膜運(yùn)行工況超濾一般應(yīng)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(hù)了反滲透膜的安全。即防止水中的固體對(duì)反滲透膜的磨損，從而改善膜的運(yùn)行工況。同時(shí)，在超濾之前設(shè)置絮凝沉淀和空擦過濾單元，預(yù)先去除原水中的雜質(zhì)，有利于超濾的產(chǎn)水率進(jìn)一步提高。3抗?jié)B透膜分離3.1分子量rol方法在水工應(yīng)用領(lǐng)域中，典型的反滲透是截留水中溶解鹽份和相對(duì)分子量>100g/mol微粒的過程。它位于超濾單元之后，分離機(jī)理與超濾十分相似，也是由壓力推動(dòng)的。只不過這種推動(dòng)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(yīng)用場(chǎng)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(kuò)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(zhì)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(yè)生產(chǎn)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(yīng)用中，優(yōu)先選擇對(duì)溶劑水具有良好的親和性，而對(duì)溶質(zhì)鹽的親和性較低的膜。一反和濃反的膜元件優(yōu)選芳香聚酰胺抗污染膜，型號(hào)分別為BW30-400FR、BW30-400XFR?？刮廴灸ぞ哂斜绕渌馁|(zhì)膜耐污染和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在pH=1～12范圍內(nèi)使用。針對(duì)二反的膜元件，要求進(jìn)水很清潔、水通量較大，所以優(yōu)選芳香聚酰胺低壓復(fù)合膜，型號(hào)為BW30-440HRLE。3.3排列比例的確定一級(jí)二段并聯(lián)式：為了提高水的回收率，并且維持每個(gè)膜元件內(nèi)流體流動(dòng)狀況相似，因此將膜組件設(shè)計(jì)成錐形結(jié)構(gòu)。多級(jí)組合式：原水經(jīng)過一級(jí)二段膜分離后，透過的產(chǎn)水和排出的濃水可以分別進(jìn)入下一級(jí)膜分離，這是一種設(shè)計(jì)上的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)更好的鈍化和回收。將一反濃水送人濃反，一反、濃反產(chǎn)水送入二反，正是基于此依據(jù)。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(tǒng)加入適量阻垢劑、還原劑、酸和堿，為的是防止系統(tǒng)結(jié)垢和膜被氧化，并調(diào)節(jié)適宜工況的pH值。當(dāng)膜產(chǎn)生結(jié)垢或污染后，膜的滲透性劣化進(jìn)而引起產(chǎn)水質(zhì)和量的變化，這時(shí)需要對(duì)膜裝置進(jìn)行定期或不定期的酸和堿循環(huán)清洗。反滲透和電除鹽共用一套清洗系統(tǒng)。設(shè)計(jì)之初需要考慮膜及其組件的選材對(duì)清洗溶液的耐受性能。3.5關(guān)于勞工控制的指標(biāo)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(yīng)用中，膜單元的進(jìn)水是否合格直接影響產(chǎn)水水質(zhì)和產(chǎn)量。因此對(duì)膜前進(jìn)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(jié)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(dòng)，并利用水室中填充的離子交換樹脂加速離子去除。當(dāng)遇到定向離子膜時(shí)，異種離子被很好的分離排出，而失效的樹脂則被連續(xù)電解的水反復(fù)再生。它克服樹脂失效后被酸和堿再生的弊端，益于環(huán)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(lián)于多級(jí)反滲透單元之后。眾所周知，單級(jí)反滲透產(chǎn)水的含鹽量偏高，不能滿足電除鹽裝置對(duì)進(jìn)水的要求。而多級(jí)反滲透經(jīng)中間加NaOH或KOH處理后，其產(chǎn)水的雜質(zhì)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(yùn)行，非加鹽模式運(yùn)行，無需提供濃水循環(huán)泵，濃水直接排出。通用電氣公司的逆流式模塊的優(yōu)勢(shì)在于進(jìn)水中允許含有高達(dá)1.0mg/L(CaCO(2）其他措施。模塊排放的濃水比二反進(jìn)水水質(zhì)更好，因此濃水常被回收到一反產(chǎn)水箱；同樣排放的極水則回收到超濾產(chǎn)水箱。這些措施有利于提高電除鹽系統(tǒng)的凈回收率，使其達(dá)到約98%。極水流由淡水進(jìn)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(chǎn)生的氣體。由于極水流中可能出現(xiàn)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(zhuǎn)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(nèi)部局部升溫會(huì)導(dǎo)致模塊損壞和泄漏，不利于安全運(yùn)行，所以要注意最小流量。如果采用密封浮頂式儲(chǔ)水罐，并在電除鹽裝置前設(shè)置保安過濾器，就可以有效避免進(jìn)水受到中間設(shè)備帶入的污染。4.4電鹽去除性能進(jìn)水SiO4.5電除鹽單元的設(shè)計(jì)思路為了保證電除鹽裝置連續(xù)供水，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，通常采用模塊化設(shè)計(jì)。即利用若干個(gè)一定規(guī)格的電除鹽模塊組合成若干套電除鹽單元。模塊化的設(shè)計(jì)思路，可以方便對(duì)故障模塊進(jìn)行維修及更換處理；另外還可以使裝置保持一定的擴(kuò)展性。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，電除鹽單元的產(chǎn)水質(zhì)量符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：二氧化硅≤10μg/L、電導(dǎo)率（25℃）≤0.10μs/cm、總有機(jī)碳≤100μg/L、O電除鹽產(chǎn)水主要補(bǔ)給工業(yè)生產(chǎn)所需，其應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。例如，環(huán)保、分析、醫(yī)藥、電力、食品等行業(yè)的應(yīng)用前景十分廣泛。5全膜技術(shù)的應(yīng)用分析在全膜分離過程的施工、設(shè)計(jì)、投入生產(chǎn)及使用過程中，這些工作是同時(shí)進(jìn)行的。因此在理論指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，必須同時(shí)進(jìn)行應(yīng)用分析，掌握工藝規(guī)律，正確應(yīng)用全膜技術(shù)。這種設(shè)計(jì)思路相當(dāng)有必要。5.1全膜分離過程傳統(tǒng)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(tǒng)方法是蒸餾。它是通過相變傳質(zhì)達(dá)到純化目的，不僅熱能消耗巨大，而且不宜實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。所以，這種分離過程也不能滿足環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)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(jī)結(jié)合。其失效的功能樹脂不再通過酸、堿進(jìn)行再生，而是利用直流連續(xù)電解水完成樹脂的自行再生。它完全能滿足在水環(huán)境友好方面的全球迫切要求。在工業(yè)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(tǒng)作為精制分離代替了混床?，F(xiàn)將反滲透、超濾、電除鹽單元結(jié)合起來，組成一系列連續(xù)運(yùn)行的可持續(xù)發(fā)展的“綠色”分離過程，即全膜分離過程。5.2原水化學(xué)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(zhì)、電除鹽深度除鹽單元組成。為了提高水的回收率，其中增設(shè)了濃水反滲透，并對(duì)工藝流程做優(yōu)化調(diào)整。工藝流程如下所示：原水→預(yù)處理→化學(xué)、消防水池→化學(xué)清水泵→管式換熱器→自清洗過濾器→超濾膜組件→超濾產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)水箱→電除鹽進(jìn)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(chǎn)水箱。超濾常規(guī)反洗水→原水預(yù)處理濃反濃水→水工回用水池電除鹽極水、二反濃水→超濾產(chǎn)水箱電除鹽濃水、換熱器疏水→一反產(chǎn)水箱。5.3設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)分析設(shè)想在水工應(yīng)用中，Q=100×2m5.5指標(biāo)分析經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐得出：全膜分離過程的產(chǎn)水導(dǎo)電度≤0.10μS/cm(25℃）和SiO5.6全膜系統(tǒng)回收率高全膜分離過程是在常規(guī)膜分離過程的基礎(chǔ)