多效膜蒸餾法濃縮回收二甲基亞的研究

多效膜蒸餾法濃縮回收二甲基亞的研究

二甲基硝胺（mts）廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，如醫(yī)藥、化工、電子、合成纖維等。DMSO具有高滲透性,對許多生物存在毒副作用,且DMSO廢水的可生化性很差,一般傳統(tǒng)生物處理過程中會產(chǎn)生惡臭氣味(如二甲基硫醚、硫化氫等)膜蒸餾技術(shù),以其操作條件溫和、分離效率高、設(shè)備體積小和可利用低溫?zé)嵩吹葍?yōu)點(diǎn),在廢水處理方面顯示了廣闊的應(yīng)用前景。但由于傳統(tǒng)膜蒸餾過程中需要提供大量蒸發(fā)熱來實(shí)現(xiàn)相變過程,其造水比通常小于11材料和方法1.1反滲透cod型料液:含DMSO的化纖廢水(DMSO濃度為6.2g/L,COD為1473mg/L,室溫下電導(dǎo)率為51μS/cm),某碳纖維廠洗滌污水。試劑:二甲基亞砜,天津市江天化工技術(shù)有限公司,分析純。1.2聚丙烯中空纖維膜的制備雙Y型氣隙式多效膜蒸餾組件,由天津凱鉑能膜工程技術(shù)有限公司提供,膜組件內(nèi)含750根聚丙烯中空纖維膜和1500根實(shí)壁毛細(xì)管管,其中聚丙烯中空纖維膜外徑0.63mm,內(nèi)徑0.33mm,孔隙率65%,平均孔徑0.2μm,有效長度1.05m,有效膜面積0.82m1.3膜組件內(nèi)蒸汽分壓差如圖1和圖2所示,多根中空纖維微孔疏水膜(簡稱微孔膜)和實(shí)壁毛細(xì)管(簡稱實(shí)壁管)嚴(yán)格平行間隔分布在膜組件中,其中膜與管的根數(shù)比例為1∶2。冷料液在低溫T多效膜蒸餾過程中,微孔膜內(nèi)的熱料液與實(shí)壁管內(nèi)的冷料液進(jìn)行逆流換熱,兩股流體的溫度差決定了微孔膜兩側(cè)蒸汽分壓差,為蒸汽跨膜傳質(zhì)提拱了推動力。在多效膜蒸餾組件中實(shí)現(xiàn)了蒸汽冷凝與冷料液加熱耦合,即利用蒸汽潛熱對料液進(jìn)行預(yù)熱,提高傳統(tǒng)膜蒸餾過程的熱利用率1.4dmso純水溶液和含dmso化纖廢水的表面張力室溫下,分別測定0~400g/L濃度下的DMSO純水溶液和含DMSO化纖廢水的表面張力(γ)值。其中高濃度DMSO廢水是通過精餾柱濃縮得到的,以保證濃縮過程中無DMSO損失。1.5dmso水溶液對化纖廢水表面張力的影響實(shí)驗(yàn)前先用去離子水和含300g/LDMSO的水溶液分別對膜組件進(jìn)行加壓法測漏實(shí)驗(yàn)。殼程壓力維持在0.10MPa下持續(xù)2h以上,以保障膜組件不發(fā)生泄漏。如表1所示,0~300g/L范圍內(nèi)化纖廢水具有較高的表面張力。由于實(shí)壁管進(jìn)口處的壓力(<0.06MPa)和微孔膜進(jìn)口處的壓力(<0.03MPa)均遠(yuǎn)低于測漏壓力,故可認(rèn)為300g/L以下的DMSO水溶液不會產(chǎn)生膜潤濕的問題。原化纖廢水經(jīng)過微超濾后進(jìn)行MEMD實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示,原料液泵入膜組件底部的實(shí)壁管管程中,從實(shí)壁管頂部流出后經(jīng)外部換熱器進(jìn)一步加熱;加熱后的熱料液從膜組件上部返回膜組件的膜管程中,濃縮液從膜管程底部流出,經(jīng)換冷器降溫后返回料液槽內(nèi)。1.6分析1.6.1蒸發(fā)冷凝器液量的確定滲透液通量(fluxofmembranedistillation,簡稱膜通量)J,是指單位時(shí)間單位有效膜蒸發(fā)面積產(chǎn)生的蒸發(fā)冷凝液體積量,其表達(dá)式為:式中:q為單位時(shí)間膜組件產(chǎn)生的蒸發(fā)冷凝液量,L/h;S為有效膜面積,m造水比(gainedoutputratio,GOR),是指膜蒸餾過程中從料液中汽化單位量的滲透液所需要的熱量與使用外部熱源加熱料液提供的熱量之比,用于直接反映多效膜蒸餾過程的熱量利用率式中:ΔH多效膜蒸餾組件殼程內(nèi)的氣相組成沿中空纖維膜的軸向呈梯度變化,而收集到的滲透液組成為其平均值,因此采用膜的平均分離因子α,表征膜對水和DMSO兩者分離效果,其計(jì)算公式為式中:yDMSO的回收率R,表征多效膜蒸餾過程中DMSO的損失情況,其計(jì)算公式為:式中,C1.6.2mtso濃度的測量配制DMSO濃度梯度為0、20、40、60、80和100mg/L的標(biāo)準(zhǔn)液。采用紫外分光光度計(jì)在208nm2結(jié)果與分析多效膜蒸餾過程中的影響因素包括冷料液進(jìn)料溫度T2.1進(jìn)料濃度控制實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中滲透液和濃縮液全部返回至料液槽,以保證進(jìn)料濃度的恒定。料液初始體積為5L,待實(shí)驗(yàn)操作條件穩(wěn)定1h后開始測定數(shù)據(jù),每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。2.1.1進(jìn)口溫度為t在料液DMSO濃度C如圖3(a)所示,膜通量隨著進(jìn)料溫度T圖3(b)表明,分離因子隨進(jìn)料溫度T2.1.2進(jìn)料流量對膜蒸餾過程的影響在料液DMSO濃度為6.2g/L,進(jìn)料溫度T圖4(a)表明,膜通量隨進(jìn)料流量的增加而增加,造水比則隨之下降。膜通量增大的原因是料液流量的增加使得膜管程及實(shí)壁管管程的傳質(zhì)傳熱邊界層厚度減小,即削弱了濃差極化和溫差極化現(xiàn)象,降低了膜蒸餾過程中傳質(zhì)和傳熱阻力如圖4(b)所示,分離因子隨進(jìn)料流量增加而減下,而DMSO的回收率變化幅度不大,基本維持在99.8%附近。分離因子降低原因是伴隨著進(jìn)料流量增加,削弱了溫差和濃差極化現(xiàn)象,使膜-液界面處的DMSO濃度和料液溫度更接近料液主體,由于水/DMSO的相對揮發(fā)度隨溫度和料液濃度升高而有所降低2.1.3膜側(cè)入口溫度t在料液DMSO濃度C圖5(a)表明,隨著膜側(cè)進(jìn)口溫度T如圖5(b)所示,分離因子隨膜側(cè)進(jìn)口溫度T2.2dmso初始濃縮濃縮實(shí)驗(yàn)的操作條件選擇為T如圖6所示,濃縮初始階段,由于滲透液的產(chǎn)量相對于料液體積比較小,濃縮液中DMSO濃度上升緩慢;當(dāng)濃縮進(jìn)行3h之后,料液中DMSO濃度出現(xiàn)大幅增大是因?yàn)榱弦后w積相對較少而同時(shí)膜通量下降緩慢。濃縮初始階段,由于料液濃度增幅不大,膜通量、造水比以及分離因子隨濃縮時(shí)間而小幅下降,但當(dāng)料液中DMSO濃度達(dá)到50~60g/L后,膜通量、造水比以及分離因子均隨之出現(xiàn)了明顯降低。DMSO的回收率在整個(gè)濃縮過程受料液濃度變化影響不大,基本維持在99.6%附近。由于濃縮過程中DMSO濃度增大,同等溫度下水的蒸汽分壓出現(xiàn)下降,進(jìn)而造成水的滲透通量下降,雖然此時(shí)DMSO的滲透通量會隨之增大,但由于DMSO蒸汽通量和潛熱值遠(yuǎn)小于水蒸汽的通量和潛熱值,結(jié)果導(dǎo)致膜通量和造水比的降低。此外,料液濃度的增大增加了膜程以及管程的邊界層厚度,增大了傳熱傳質(zhì)阻力,對膜通量和造水比的降低也產(chǎn)生影響2.3膜組件的造水比和dmso回收率試驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)條件:分別以DMSO濃度6.2g/L和246g/L的5L化纖廢水為原料液,進(jìn)口流量F固定為30L/h,進(jìn)料溫度T如圖7所示,隨著操作時(shí)間延長,膜組件的膜通量、造水比和DMSO回收率基本保持穩(wěn)定;在實(shí)驗(yàn)所用的2種濃度的化纖廢水下,DMSO回收率在實(shí)驗(yàn)階段內(nèi)分別基本維持99.7%和99.4%左右;當(dāng)料液濃度為6.2g/L時(shí),分離因子在實(shí)驗(yàn)階段內(nèi)變化不大,而當(dāng)料液濃度為246g/L時(shí),分離因子在實(shí)驗(yàn)后期出現(xiàn)小幅度地降低,從29.8降至26.3。由表1可知,DMSO濃度增大會降低料液的表面張力,在穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中DMSO溶液與膜的長期接觸,造成極少數(shù)的大孔徑膜孔被潤濕3dmso回收率和所需操作變量的影響本文采用具有內(nèi)部潛熱回收功能的自制多效膜蒸餾組件,以含DMSO的化纖廢水為原料進(jìn)行了濃縮實(shí)驗(yàn)研究,考察了進(jìn)料溫度、進(jìn)料流量、膜側(cè)熱料液進(jìn)口溫度和料液濃度對多效膜蒸餾組件操作性能的影響,并對料液進(jìn)行了深度濃縮及操作穩(wěn)定性研究,得到如下主要結(jié)論:(1)多效膜蒸餾過程可以把6.2g/LDMSO化纖廢水濃縮至200~300g/L。該過程呈現(xiàn)出高造水比和高選擇性的優(yōu)點(diǎn)。雖然在濃縮過程中膜通量、造水比以及分離因子隨DMSO濃度上升會有所降低,當(dāng)DMSO濃度為200g/L時(shí),膜通量、造水比以及分離因子依然可分別高達(dá)3.74L/(m(2)膜側(cè)熱料液進(jìn)口溫度的升高會促使膜通量和造水比顯著地提高,但分離因子則隨之下降;料液進(jìn)口溫度的增大,造水比隨之增大,但膜通量和分離因子則會隨之下降;膜通量隨進(jìn)料流量的增大而增加,但是造水比以及膜分離因子都隨進(jìn)料流量的增大而下降;當(dāng)料液中DMSO濃度達(dá)到50~60g/L后,膜通量、造水比以及分離因子都隨進(jìn)料濃度增大而呈明顯下降趨勢。單因素操作變量對DMSO的回收率影響不大,回收率基本保持在99.8%附近。實(shí)驗(yàn)過程中膜通量、造水比和分離因子的最大值分別為6.28L/(m(3)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)表明,多效膜蒸餾過程在處理低濃度DMSO廢水時(shí)具有良好的操作穩(wěn)定性,對于處理20