煤化工废水纳滤分盐效果及影响因素试验

汪丹丹，金政伟，井云环，李蕊宁，杨 帅

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤炭化学工业技术研究院，宁夏银川 750041)

1 试验部分

1.1 试验用水

(1)以某零排放项目煤化工废水两级膜脱盐浓水为试验用水，其主要水质指标如表1所示。

表2 考察盐组分对各款纳滤膜膜通量及分盐效果水质影响Tab.2 Influence of Water Quality of Salt Composition on Membrane Flux and Salt Separation for Each Membrane

(3)在考察COD对纳滤膜膜通量及分盐效果影响时，将表1中进水3先通过低温结晶降低TDS，加水稀释或与进水1、2混合，再适当加入草酸钠配制CODCr为800、500、200 mg/L的试验用水。

表1 试验用水水质指标Tab.1 Quality Index of Test Water

1.2 试验材料

试验选用4种纳滤膜，分别记为进口膜J1、进口膜J2、国产膜G1、国产膜G2，纳滤膜参数如表3所示。

表3 4种纳滤膜参数比对Tab.3 Model and Grouping of 4 NF Membranes

1.3 试验设备

试验采用三联高压平板膜装置(图1)，根据不同试验要求，利用现有煤化工含盐废水两级膜浓缩浓水(TDS约为20 000、30 000、130 000 mg/L)配制所需水质，进水压力根据现场纳滤压力设定为1.4 MPa，水温控制在25 ℃左右，每隔1 h取50 mL产水进行水质分析。

图1 纳滤平板膜装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of NF Plate Membrane Device

1.4 试验方法

将采购卷式膜裁剪为6 cm×10 cm的矩形膜片，固定在装置内，以试验所需相应水质作为进水。试验之前，用0.45 μm的微滤膜将水样进行过滤，并用摩尔浓度为0.5 mol/L的HCl和0.5 mol/L的NaOH溶液调节进水pH至设定值。将水样加入进水罐内，考察进水pH、盐组分、CODCr含量对4款纳滤膜分盐效果的影响。

1.5 分析方法

表4 各指标检测方法Tab.4 Detection Methods of Indicators

2 结果与讨论

2.1 不同pH对纳滤膜膜通量及分盐效果的影响

试验用水为表1中进水1(TDS≈20 000 mg/L)，试验设定压力为1.4 MPa，用摩尔浓度为0.5 mol/L的HCl和0.5 mol/L的NaOH溶液调节进水pH值分别为4、7、9，考察不同pH下4款纳滤膜的膜通量及截留率变化情况。

2.1.1 纳滤膜膜通量

由图2可知，pH对膜通量影响不大， J1、G1、G2的膜通量随着pH的增加存在下降趋势，这是因为纳滤膜表面带有一定电荷，pH会改变纳滤膜表面的荷电性质。在偏酸性条件下，膜表面具有较多的负电荷，导致等效孔隙和等效膜厚变大，但是随着pH继续增加，会增加结垢风险，使得浓差极化现象加剧，从而使膜通量降低以及脱盐率下降。J2膜通量先随pH增加再减小，在中性条件最高，这可能与此款膜的材质及膜面处理有关，使其更适应中性条件水质。通过综合比对，4款膜通量为G2>J2>G1>J1。

图2 不同pH值下各款膜膜通量比对Fig.2 Comparison of Membrane Flux under Different pH Value

2.1.2 分盐效果

图3 不同pH值下各款膜总硅的截留率Fig.3 Interception Rates of Cl-, Ca2+, Mg2+ and Total Si under Different pH Value

4款膜对硅的截留率均不高，说明大部分硅可透过纳滤膜，这是由于纳滤膜自身特性，其对硅酸根和偏硅酸根的截留率很低，硅的存在可能对后续工艺有一定影响，因此，要做好前工段除硅工作，防止因硅含量过高影响NaCl结晶盐的品质。同时，若溶解性硅含量超过其溶解度，将会析出硅垢，沉淀在膜表面，硅酸根离子还会与多价阳离子形成不溶的硅酸盐，硅垢堆积膜表面，易堵塞膜孔，影响分盐效果，且硅垢不易清洗去除，长期运行堆积易缩短膜寿命[8]。因此，在预处理阶段需要加强硅的去除及监测，合理添加阻垢剂。

2.2 不同盐组分对纳滤膜膜通量及分盐效果的影响

2.2.1 纳滤膜膜通量

图4 不同盐组分下各款膜膜通量比对Fig.4 Flux Ratios of Each Membrane under Different Salt Components

2.2.2 分盐效果

图5 不同盐组分下各款膜对总硅的截留率Fig.5 Interception Ratios of Cl-, Ca2+, Mg2+ and Total Si under Different Salt Components

对于总硅的截留率无一定规律，与之前试验趋势相似。

2.3 CODCr浓度对纳滤膜膜通量及分盐效果的影响

设定试验压力为1.4 MPa，通过计算，根据表1中进水1、进水2、进水3的CODCr配制CODCr质量浓度为800、500、200 mg/L的试验用水。

2.3.1 纳滤膜膜通量

由图6可知，4款膜膜通量均随着CODCr浓度的降低而增大，这是由于纳滤膜的截留和透水能力与有机物分子质量大小及分布有密切关系[12]。水中有机物在纳滤膜表面的累积会使纳滤膜的膜孔堵塞，致使膜通量降低，脱盐率增加。该试验条件下，在CODCr为200 mg/L时，4款膜膜通量均达到最大值，为G2>J2>G1>J1。

图6 不同CODCr浓度下各款膜膜通量Fig.6 Film Flux Ratios of Different CODCr Concentration

2.3.2 分盐效果

图7 不同CODCr下各款膜对总硅的截留率Fig.7 Interception Ratios of Cl-, Ca2+, Mg2+ and Total Si of Each Film under Different CODCr Concentration

J1、J2、G1这3款膜对Ca2+的截留率在各CODCr浓度下均在99%以上，对Mg2+的截留率均在97%以上，说明CODCr浓度对Ca2+和Mg2+的截留率影响不大，对总硅的截留率无一定规律。

3 结论

(4)通过分别考察煤化工废水不同pH、盐组分、CODCr浓度条件下纳滤膜的膜通量及各阴阳离子截留率可知，进口膜J2在各种情况下膜通量处于中上水平，且分盐效果最佳，国产膜G1除Cl-的截

留率相对较高，其他均与进口膜J2接近，但其价格却相比于J2低较多，表现出了国产纳滤膜性价比方面的优势，通过试验，有望利用国产纳滤膜替代进口膜，大幅降低生产维护成本。