環(huán)保組合填料生產(chǎn)廠家污泥資源化制造陶瓷膜用于含油廢水處理

　　環(huán)保組合填料廠家污泥資源化制造陶瓷膜用于含油廢水處理。

　　圖文摘要

　　成果簡(jiǎn)介

　　近日，大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院董應(yīng)超教授等人在環(huán)境領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊Water Research上發(fā)表了題為“Spinel-based ceramic membranes coupling solid sludge recycling with oily wastewater treatment”的研究論文(見(jiàn)Water Research, 169 (2020) 115180)。

　　該研究提出了一種工業(yè)污泥廢棄物高值資源化設(shè)計(jì)制備油水分離低成本陶瓷膜的新策略，同時(shí)解決了重金屬污泥的安全、高值資源化的處理難題和含油廢水(水包油(O/W)乳液廢水)經(jīng)濟(jì)高效分離的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室小試和規(guī)模化制造，提示了含油乳化液廢水處理的膜污染機(jī)制與模型。

　　引言

　　工業(yè)過(guò)程和廢水處理所產(chǎn)生的重金屬污泥，若未加處理會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生巨大的潛在危害。傳統(tǒng)重金屬固廢處置技術(shù)通常是采用水泥封存或其他技術(shù)(如絡(luò)合等)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，但是這些方法存在占地面積大或重金屬酸性浸出等關(guān)鍵難題，因此迫切需要開(kāi)發(fā)高效的重金屬穩(wěn)定化新策略。

　　熱轉(zhuǎn)換法是一種新型、可靠的重金屬穩(wěn)定化新技術(shù)，該方法可形成非常穩(wěn)定的陶瓷晶相，顯著降低浸出風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而可從重金屬污泥制備各種陶瓷產(chǎn)品。

　　作為一類新興分離介質(zhì)，無(wú)機(jī)陶瓷膜因其具有較高的機(jī)械、化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及良好的抗污染性能，日益廣泛應(yīng)用于化工冶金、食品醫(yī)藥、生物和環(huán)境工程等分離過(guò)程，是一個(gè)方興未艾的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，特別是在含油廢水分離等方面有諸多應(yīng)用潛力。

　　如何實(shí)現(xiàn)污泥安全、高附加值資源化，如何降低廢水處理陶瓷膜成本，如何實(shí)現(xiàn)含油廢水經(jīng)濟(jì)高效分離是具有挑戰(zhàn)性的工程技術(shù)難題。

　　因此，本研究從廢棄物高值資源化設(shè)計(jì)制備低成本陶瓷膜理念出發(fā)，通過(guò)膜晶相和膜結(jié)構(gòu)定量調(diào)控實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)格陶瓷膜的實(shí)驗(yàn)室制備和規(guī)模化制造，并成功應(yīng)用于含油廢水分離，提出了不同流速乳化液油滴的膜污染機(jī)理和污染模型。

　　圖文導(dǎo)讀

　　為了高效、安全地利用廢水污泥中的重金屬，本研究選擇氧化鎳(模擬含鎳污泥)和鋁土礦作為原材料，通過(guò)在陶瓷基體中形成更穩(wěn)定的尖晶石相，高溫?zé)�結(jié)制備陶瓷膜。

　　NiO與鋁土礦物高溫反應(yīng)生成尖晶石NiAl2O4的熱轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。首先Ni和Al離子通過(guò)尖晶石晶格反擴(kuò)散，維持晶體的連續(xù)生長(zhǎng)，在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生三個(gè)成相階段。

　　圖1清晰解析了含鎳廢水污泥與低成本鋁土礦制備尖晶石基陶瓷膜過(guò)程中NiAl2O4尖晶石的形成機(jī)理，根據(jù)其形成機(jī)理隨后對(duì)陶瓷膜晶相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理調(diào)控，并進(jìn)而制備了兩種不同結(jié)構(gòu)的陶瓷膜。

　　圖1. NiO與鋁土礦物高溫反應(yīng)生成尖晶石NiAl2O4的熱轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)理示意圖

　　對(duì)比兩種不同的膜結(jié)構(gòu)，LFS-HFCM的平均孔徑(0.35 μm)比SS-HFCM(0.36 μm)略小(如圖2a);在所有錯(cuò)流流速條件下LFS-HFCM的純水通量幾乎相當(dāng)于是SS-HFCM的2倍，這主要?dú)w因于長(zhǎng)指狀孔結(jié)構(gòu)的LFS-HFCM，顯著降低了跨膜阻力。

　　通過(guò)FTIR光譜確定了膜表面豐富的金屬羥基(圖2c)，水接觸角為46°(圖2d)，XPS顯示了Ni離子完全的進(jìn)入尖晶石的晶格中，在高溫?zé)�結(jié)過(guò)后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化處理(圖2e,f)。

　　圖2. 1250 ℃燒結(jié)的中空纖維膜 a)孔徑分布圖，b)純水通量，c)FT-IR光譜， d)水接觸角;e, f)XPS光譜

　　對(duì)所制備的陶瓷膜進(jìn)行含油乳化液廢水截留測(cè)試。兩種膜在測(cè)試前10 min滲透通量快速下降，這主要?dú)w因于膜表面形成的污染層。在100 min左右達(dá)到穩(wěn)定值，說(shuō)明形成了穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)油層。在含油乳液分離過(guò)程中，隨著錯(cuò)流流速增大，滲透通量顯著增加(圖3a)。

　　通過(guò)研究不同運(yùn)行操作條件下兩種不同結(jié)構(gòu)陶瓷膜的通量和截油率，發(fā)現(xiàn)具有長(zhǎng)指狀孔結(jié)構(gòu)的陶瓷膜(LFS-HFCM)比海綿層結(jié)構(gòu)的陶瓷膜(SS-HFCM)的性能更優(yōu)越(圖3b-3c)，歸因于其高度不對(duì)稱的膜結(jié)構(gòu)和膜表面豐富金屬羥基的親水性，膜通量?jī)?yōu)于現(xiàn)有陶瓷膜(圖3d)。

　　進(jìn)而，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合模型方程模擬，我們最后提出了不同流速下乳化液油滴的膜污染機(jī)理和污染模型。

　　圖3.尖晶石中空纖維膜油水分離實(shí)驗(yàn)。(a)1250 ℃下燒結(jié)制備得到的SS-HFCM和LFS-HFCM在不同流速下化學(xué)清洗前后的滲透通量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖，(b)LFS-HFCM在不同流速下的截油率隨時(shí)間變化圖，(c)SS-HFCM和LFS-HFCM在固定流速下的截油率比較，(d)本研究與其他工作的通量性能比較。

　　小結(jié)與展望

　　本項(xiàng)工作提出了一種工業(yè)污泥高值資源化利用的新策略，用于開(kāi)發(fā)低成本、高性能陶瓷分離膜，解決了重金屬污泥的安全、高值資源化的處理難題和含油廢水(水包油(O/W)乳液)經(jīng)濟(jì)、高效分離的問(wèn)題。

　　該方法可推廣到其它重金屬污泥衍生的功能陶瓷膜的設(shè)計(jì)制造和其它水處理應(yīng)用領(lǐng)域，因此，該研究以期為重金屬污泥的安全、高效資源化提供新的研究思路，也為陶瓷膜的設(shè)計(jì)和低成本制造提供了合理、經(jīng)濟(jì)的新方法，是一種“以廢治廢”新策略，具有環(huán)境、經(jīng)濟(jì)雙重效益和重要的實(shí)際應(yīng)用前景。

　　相關(guān)工程技術(shù)開(kāi)發(fā)

　　陶瓷膜的規(guī)模化制造、膜系統(tǒng)集成和工程應(yīng)用：除了關(guān)注成膜機(jī)制和膜內(nèi)傳遞機(jī)理、膜污染機(jī)制、功能化和耦合技術(shù)原理等應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之外，面向工業(yè)廢水處理工程應(yīng)用，針對(duì)商品陶瓷膜成本高、制造周期長(zhǎng)等關(guān)鍵工程問(wèn)題，董應(yīng)超教授課題組針對(duì)特殊環(huán)境介質(zhì)(如高溫、強(qiáng)氧化、強(qiáng)酸堿、特殊溶質(zhì)和有機(jī)溶劑特殊組分等)的膜技術(shù)污染控制工程應(yīng)用，開(kāi)發(fā)固廢/礦物陶瓷膜的制備和規(guī)模化制造技術(shù)，我們先后研制出了多種膜材質(zhì)(莫來(lái)石、尖晶石和氧化鋁等)、不同規(guī)格(多通道管狀和微管膜)的低成本陶瓷膜，實(shí)現(xiàn)了大型分離膜的結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)及測(cè)試、膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)及組裝和膜裝備的系統(tǒng)集成。并與企業(yè)合作將其應(yīng)用于含油廢水和高鹽廢水處理等工業(yè)領(lǐng)域。依托遼寧省工業(yè)生態(tài)和環(huán)境工程中心搭建了陶瓷膜規(guī)模化制造設(shè)備平臺(tái)系統(tǒng)(年產(chǎn)5-10萬(wàn)m2陶瓷膜制造的中試生產(chǎn)線)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)格陶瓷膜的規(guī)模化制造、檢測(cè)技術(shù)及膜裝備的系統(tǒng)集成。

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