膜分離材料在含油廢水處理中的研究進展

膜分離材料在含油廢水處理中的研究進展[摘要]工業(yè)生活含油廢水的排放對生態(tài)環(huán)境造成了嚴峻的損害，高效節(jié)能新型油水分別材料已成為討論熱點。本文重點介紹了無機陶瓷膜、有機聚烯烴膜、聚砜類膜、含氟類聚合膜以及納米改性材料膜在含油廢水中的應用。分析了不同膜分別材料的優(yōu)缺點并提出了展望。[關鍵詞]膜分別材料；油/水；分別含油廢水的處理是一個世界性難題，包括石油行業(yè)中的油田采出水、鋼鐵行業(yè)中的冷軋含油廢水、汽車行業(yè)中的脫脂液回用、食用油煉制廠以及餐飲含油廢水。假如不采納有效的油水分別技術，不僅造成經(jīng)濟損失，更對環(huán)境造成嚴峻污染。傳統(tǒng)的油水分別技術主要依據(jù)水與油重力密度的差異采納隔油池，使油浮于水表面，達到油水分別的效果。事實上隨著科技不斷進步，水質(zhì)排放標準的不斷提高，油水混合物中雜質(zhì)的種類、數(shù)量不斷豐富，工業(yè)上通用的油水分別技術己經(jīng)很難達到油水分別的目標。為達到有效分別，必需依據(jù)油水的分布狀況來選擇不同的油水分別技術。目前，由于膜分別技術膜分別技術具有低成本、應用范圍廣、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和高度集成的操作等優(yōu)點，對處理含油廢水有顯著效果[1]。本文綜述了膜過濾技術在油/水分別中的進展。重點介紹了無機膜中陶瓷膜、有機膜中聚烯烴膜、聚砜類膜、含氟類聚合膜以及近年來熱門的納米材料膜在含油廢水中的應用。最終，本文對將來膜技術在油水分別的應用提出了展望。1膜分別機理及特點油水分別的本質(zhì)是界面問題，膜分別正是利用其特別浸潤性對油和水呈完全相反的潤濕行為，在表面構建具有特別浸潤性而實現(xiàn)對含油廢水的處理。[2-3]膜的傳質(zhì)機理一般認為由兩部分構成：膜內(nèi)傳質(zhì)和膜表面?zhèn)髻|(zhì)。對油水乳液而言，膜內(nèi)傳質(zhì)符合孔模型的篩分原理，油粒的分別主要取決于膜孔徑的大小。超濾和微濾基本上都是典型的篩分過濾過程。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009261503430364.jpg”alt=“1.jpg”width=“568”height=“173”/2無機陶瓷膜材料無機膜材料具有耐高溫、耐腐蝕性、機械強度高、抗污染物的力量強、滲透量大、簡單被清洗、分別性能好和使用壽命長等優(yōu)點，在油水分別過程中已經(jīng)得到了比較廣泛的應用。而無機材料膜中應用最多的為無機陶瓷膜材料。Nandi等[5]以高嶺土、石英、長石等無機物為前驅(qū)體制備出低成本無機陶瓷膜。試驗結果表明，初始油濃度為250mg/L，滲透通量為5.36×10-6m3/m2，在68.95kPa的跨膜壓力下運行60min后，該膜處理效率高達98.8%。胡建安[6]采納聚四氟乙烯粉末與氧化鋁平板陶瓷膜進行高溫燒結改性的方式，制備了有較高疏水性的陶瓷復合膜。試驗結果表明：該陶瓷膜在油中的疏水性能變化不大，能夠較好的應用于油水分別。增大操作壓力、料液溫度或降低水含量都可以增加膜的滲透通量。當操作壓力為0.1MPa、混合液溫度為25℃，水的質(zhì)量分數(shù)為3%時，制備的疏水性陶瓷復合膜的滲透初始通量為12L/(m2·h)，截留率可達98.75%?？偟膩碚f，陶瓷膜的優(yōu)點許多：能承受高溫、高壓，抗化學藥劑力量強，機械強度高，受pH值影響小，抗污染，壽命長等。但陶瓷膜制備成本高，膜孔不易小孔徑化，可選用的材料種類較有機膜少得多。目前較成熟的應用領域僅限于食品飲料和制藥等行業(yè)，同時其清洗仍舊是一大難題。3機膜材料目前，工業(yè)生產(chǎn)的油水分別膜主要是以有機髙分材料為主，有機高分子材料具有親水性好、成本低、成膜性能穩(wěn)定等優(yōu)點，而且在環(huán)境中可以生物降解、綠色環(huán)保。3.1烯烴膜在含油廢水中的應用典型的聚烯烴膜有聚乙烯(PE)、聚丙烯腈(PAN)等。這些材料具有良好的化學穩(wěn)定性和較高的機械強度，也是目前工業(yè)生常用的一種膜材料。Chen[7]等利用改性聚丙烯微濾膜對含油廢水進行處理，通量在2000L/(m2·h)時，截留率保持在99%以上，處理效果較佳。Zhang[8]采納聚丙烯腈銨化石墨烯氧化物涂層(GO/APAN)纖維制備出具有新的分成結構的分別膜。該膜具有超高通量(～10000lmh)，較好的抑制比(.98%)，油水乳化液分別效果顯著。3.2聚砜類膜材料在含油廢水中的應用聚砜(PSF)是一類耐高溫高強度的工程塑料，成本低，具有優(yōu)異的抗蠕變性能。在廢水處理中的討論和應用的較為廣泛，是目前生產(chǎn)量最大的合成膜材料。高巧靈[9]以具有梯度微孔結構的聚砜中空纖維膜(RGM-PSF)為基膜，制備了一種基于表面沉積交聯(lián)的雜化聚合物分別膜，實現(xiàn)了超親水-水下超疏油的改性RGM-PSF膜的研制。將其應用于油水乳液分別中，臨界擊穿壓力0.12MPa，擊穿前的除油率可達99%，滲透水通量500L/(m2·h)。3.3含氟類聚合物膜材料在含油廢水中的應用盡管聚砜膜材料成本低，具有較強的疏水性，但是在實際應用中易造成嚴峻的膜污染，從而引起膜分別效率的下降和操作成本的增加。含氟類聚合物膜材料價格較高，但是具有耐高溫、耐腐蝕、低粘附及對氣候變化的適應性等優(yōu)點。在油水分別領域也有較多的討論。劉坤朋[10]等運用共混改性的方法以聚偏氟乙烯(PVDF)和一種具有親水疏油性的添加劑為原料制備出超親水超疏油的PVDF中空纖維膜，該膜對含油廢水的去除率高達99.%，且僅在水力條件下清洗就可以完全恢復通量。Zhang等[11]利用改性后的聚偏氟乙烯超濾膜對含油廢水進行處理，通量在3415L/(m2·h)時，截留率達到99.95%，應用效果良好。4納米改性膜材料目前，用于油水分別的膜材料面臨最主要的問題是膜污染與膜清潔問題，利用無機納米粒子作為添加劑制備的復合膜通常表現(xiàn)出良好的抗污染力量和自我清潔力量，同時可以有效改善膜的孔徑結構、親水性及力學性能，拓展其在液體過濾領域的應用。已漸漸成為膜領域的討論熱點。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009261503432697.jpg”alt=“2.jpg”width=“359”height=“181”/Zhu[12]等研制出了超薄單壁碳納米管(SWCNT)薄膜可實現(xiàn)油/水混合物的快速分別，如圖1。SWCNT薄膜的厚度可以從30nm調(diào)整至120nm，孔徑調(diào)整范圍為20~200nm。由于表面潤濕性和疏水性，SWCNT薄膜能在微米級和納米級的水油乳狀物上穩(wěn)定。通量高達100000lm-2h-1bar-1，分別率高達99.95%。任春雷[13]通過水熱法在氧化鋁中空纖維膜表面合成了氧化鋅(ZnO)納米柱，使膜表面粗糙化，并使用低表面能的氟硅烷形成疏水層，制備得到了超疏水氧化鋁中空纖維膜。該膜對油水分別的效率達99.5%。殷俊[14]利用表面改性后的二氧化硅(SiO2)納米粒子作為添加劑，制備了親水性抗污染有機-無機復合膜和抗污染、自清潔有機-無機復合膜。討論結果表明：SiO2-g-PAA納米粒子不僅在鑄膜液中分散性良好，而且在膜/水界面能最低化的驅(qū)使下，SiO2-g-PAA納米粒子在成膜過程中會自發(fā)地向膜表面遷移，復合膜的孔隙率、滲透通量、親水性、抗污染力量都顯著提高。實現(xiàn)了高達95.41%的通量恢復率和較低的通量衰減率(29.12%)。SHi[15]將TiO2納米顆粒直接固定到聚偏氟乙烯(PVDF)表面上，引入硅烷偶聯(lián)劑KH550改性，不僅保留了納米顆粒力量同時使所制備的膜從一個一般的親水狀態(tài)變成超親水狀態(tài)。此外，所制備的超親水性PVDF膜應用油水分別中效率高達99%，同時保持了長久的耐油性能和防污性能，且膜簡單回收。Jamshidi[16]等利用聚砜為基體，向其中摻雜氧化鋁納米顆粒制備出PSF-Al2O3納米纖維復合膜，改性后的納米纖維復合膜幾乎可以完全去除水中的油分子，其通量的恢復率在67%左右。納米材料作為一個熱門話題，近年來受到了多方關注。構建基于納米材料或納米改進材料的微濾，過濾和反滲透膜具有巨大