碳纤维生产废水DMSO的膜分离浓缩研究

陆朝阳,胡学文,陈安明

(1.武汉千水环境工程技术有限公司,湖北武汉430074;2.武汉凯迪电力工程有限公司,湖北武汉430223)

碳纤维生产废水DMSO的膜分离浓缩研究

陆朝阳1,胡学文2,陈安明1

(1.武汉千水环境工程技术有限公司,湖北武汉430074;2.武汉凯迪电力工程有限公司,湖北武汉430223)

采用某特种膜,对某碳纤维生产企业排放的含二甲基亚砜废水进行了实验室和现场膜分离浓缩试验研究。结果表明,采用膜分离方法可以实现碳纤维生产企业排放废水的资源回收及废水达标排放或回用,此工艺具有良好的经济效益及社会效益,适于推广应用。

碳纤维;二甲基亚砜;废水;膜分离浓缩

在采用以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂的一步法湿法纺丝聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产过程中会排放一定浓度的含DMSO/丙烯腈废水。丙烯腈是环境中重要的有害污染物之一,具有生物毒性,不仅破坏水体生态系统,还危害人类的健康;DMSO作为有机溶剂,其本身化学性质稳定,不易被生化降解,同时其有机溶剂特性使得生物细胞膜内丙烯腈被不断富积,废水中DMSO的存在加剧了丙烯腈的生物毒性。

实验室研究和实际工程运行调试经验表明[1],常规的生化处理系统对高含量DMSO废水无法进行正常达标处理,但是当废水中DMSO浓度较低(＜1000 ×10-6)时,采用生化处理后的废水能较好地满足环保要求。但实际生产过程中碳纤维生产企业排放的废水中DMSO浓度较高,一般在4500×10-6以上,特殊情况下甚至达到20 000×10-6～30 000×10-6,如直接进行生化处理根本就不可能正常运行,更无法满足达标排放的要求。

膜分离技术已广泛应用于净水及污废水处理等行业[2],如刘华云等[3]采用膜分离技术成功处理了丙烯腈装置含氰废水。为减轻碳纤维生产企业生产废水处理压力、降低环保达标处理的运行费用,在进行碳纤维生产废水生化处理前采用膜技术进行物料分离浓缩,一方面可使废水中DMSO浓度大幅降低,满足生化处理工艺对进水DMSO浓度要求,同时可使浓缩后浓水中DMSO浓度达到回用水平(要求DMSO浓度≥4%,否则经济性较差)。但目前关于碳纤维生产废水的膜分离浓缩研究及应用的相关报道仍较少,作者在此采用某特种膜对碳纤维生产废水中DMSO进行了膜分离浓缩的实验研究,结果令人满意。

1 实验

1.1 装置(图1)

图1 膜分离实验装置Fig.1 Device schematic diagram for the membrane separation experiment

实验室小试采用单支膜序批式,现场试验采用3芯2∶1膜组件一次通过式,膜材质为聚酰胺,膜元件委托千水公司定制。

1.2 废水水质

实验用水为某碳纤维生产企业车间排出的废水, p H值为8.2,DMSO浓度为0.44%～0.45%,SS值较低,满足膜装置进水SS含量要求。

1.3 方法

本装置运行方式与普通的NF膜、RO膜装置运行方式相同。

1.4 分析检测

DMSO分析采用某碳纤维生产企业独有的专利分析方法。其它项目测试采用国标法。

2 结果与讨论

2.1 可行性实验

2.1.1 膜分离效果

2.1.1.1 第一次膜浓缩实验(原水浓缩)

将现场取回的原水水样,在实验室进行膜分离浓缩实验。实验过程中,在产水管及浓水管取对应水回收率下的产水及浓水,测定DMSO浓度;实验结束后,取浓水混合样及产水混合样各一个,测定DMSO浓度,结果见表1。

表1 膜分离浓缩原水的效果/%Tab.1 The efficiency of membrane separation and concentration for raw wastewater/%

从表1可以看出,随着水回收率的不断提高,产水DMSO浓度及浓水DMSO浓度不断增大。这是因为送检的是瞬时水样。同时,产水混合液DMSO浓度比原水浓度低、浓水混合液DMSO浓度比原水浓度高,符合膜分离浓缩的一般特征。

2.1.1.2 第二次膜浓缩实验

取原水分离浓缩的浓水混合液和产水混合液再次进行膜分离浓缩实验,结果见表2。

表2 膜分离浓缩浓水和产水的效果Tab.2 The efficiency of membrane separation and concentration for enriched water and product water

从表2可以看出,随着水回收率的提高,产水DMSO浓度及浓水DMSO浓度均相应增大,同时浓水DMSO浓度均较浓缩前更高,这也符合膜分离浓缩的一般特征。从表2还可以看出,经过两次分离后,产水DMSO浓度较原水DMSO浓度已大幅度降低。表明采用膜分离浓缩技术处理DMSO废水具有实际意义。

2.1.2 膜分离效果影响因素

2.1.2.1 温度对膜分离浓缩效果的影响

控制水回收率为80%、p H值为8.0左右、原水DMSO浓度为0.45%,考察温度对膜分离浓缩效果的影响,结果见表3。

从表3可以看出,与进水温度约为32℃时相比,当进水温度低于20℃时,膜分离浓缩后产水的DMSO浓度均较低、浓水的DMSO浓度均较高。表明降低进水温度有利于降低产水的DMSO浓度,同时有利于提高浓水的DMSO浓度,但温度过低将影响膜的水通量。从实验效果看,选取适宜的实际运行温度为20～25℃。

表3 温度对膜分离浓缩效果的影响Tab.3 The effect of temperature on efficiency of membrane separation and concentration

2.1.2.2 p H值对膜分离浓缩效果的影响

首先考察p H值对DMSO浓度测试的影响,结果发现p H值不同时,同一水样,测定的DMSO浓度基本相同,可以认为p H值对DMSO浓度的检测没有影响。

将原水p H值调节至9～11之间,进行膜分离浓缩实验,考察p H值对膜分离浓缩效果的影响,结果见表4。

表4 p H值对膜分离浓缩效果的影响Tab.4 The effect of p H value on efficiency of membrane separation and concentration

从表4可以看出,原水p H值对膜分离浓缩效果有较大影响,调节原水p H值至9～11后,膜分离浓缩后的浓水DMSO浓度较未调p H值的更高,浓缩效果更好。因此,选取适宜的原水p H值为9～11。

2.2 现场试验

由于废水水样体积有限,实验室所进行的分离浓缩实验均为序批式,即废水进膜后,产水源源不断流出膜组件,而浓水在装置内部循环不断浓缩,取样分析的水样数据均为某一时刻的数据值,所测试的数据不满足物料平衡的特征。为了验证小试结果,在现场进行了废水一次通过膜装置的试验,即废水源源不断进膜装置,分离后的产水及浓水源源不断地流出膜装置,这样任何时候取样分析的数据均能反映这种特种膜对DMSO废水分离浓缩的效果。

2.2.1 现场试验Ⅰ

进行现场试验Ⅰ,测试不同水回收率条件下膜分离浓缩DMSO的效果,结果见表5。

表5 膜分离浓缩DMSO现场试验Ⅰ结果Tab.5 Result of site testⅠof membrane separation and concentration of DMSO

从表5可以看出,经过膜分离浓缩后产水DMSO浓度较原水浓度大幅降低,但随着水回收率的提高,产水DMSO浓度逐渐升高,而浓水DMSO浓度则逐渐降低。

2.2.2 现场试验Ⅱ

调节膜装置浓水阀,将水回收率设置为80%,在调节原水p H值(p H值9～11)后进行低温(原水温度23℃)条件下的膜分离浓缩;收集浓水再次进行膜分离浓缩,水回收率设置为80%,水温为22℃,现场试验Ⅱ结果见表6。

表6 膜分离浓缩DMSO现场试验Ⅱ结果Tab.6 Result of site testⅡof membrane separation and concentration of DMSO

从表6可以看出,在优化条件下,经一次特种膜分离浓缩后,可实现产水中DMSO浓度小于1000× 10-6;经两次特种膜分离浓缩后,浓水中DMSO浓度为4.16%,提高近10倍,达到回用要求。

3 结论

(1)进水温度对膜分离浓缩废水中DMSO有较大影响,适宜温度为20～25℃。

(2)进水p H值对膜分离浓缩处理废水中DMSO有较大影响,在p H值为9～11时分离浓缩效果较好。

(3)采用特种膜分离浓缩DMSO废水时,进水温度为20～25℃、进水DMSO浓度在0.4%左右、p H值调节至9～11时,经过一次膜分离浓缩后,产水中DMSO浓度可低于1000×10-6,经两次膜分离浓缩后,浓水中DMSO浓度提高10倍左右,可直接送至生产企业精馏装置回收利用。

[1] 李楠.微波强化处理二甲基亚砜生产废水工艺及机理研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[2] 刘茉娥.膜分离技术应用手册[M].北京:化学工业出版社,2001: 1-26.

[3] 刘华云,王威.膜分离技术处理丙烯腈装置含氰废水[J].石油技术与应用,2010,28(1):37-40.

Study on Membrane Separation and Concentration of DMSO from Carbon Fiber Production Wastewater

LU Chao-yang1,HU Xue-wen2,CHEN An-ming1
(1.Wuhan Water 1000 Environmental Engineering Technical Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China; 2.Wuhan Kaidi Electric Engineering Co.,Ltd.,Wuhan 430223,China)

The separation and concentration of DMSO from the wastewater discharged by a carbon fiber manufactory was studied at lab and on site through special membrane separation technology.The results showed that membrane separation technology could draw the useful material from the wastewater discharged by the carbon fiber manufactory and the wastewater could be treated easily to meet the wastewater discharge standard.The process and technology was worth to be extended widely for good economic and social benefits.

carbon fiber;DMSO;wastewater;membrane separation and concentration

X 703

A

1672-5425(2013)05-0083-03

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.05.023

2013-03-12

陆朝阳(1968-),男,湖北天门人,高级工程师,主要从事净水及污水处理工程管理工作。