膜分离技术在电镀废水零排放上的应用

摘要：如今，各项资源尤其是水资源日益紧张，寻求高效用水的方法刻不容缓。我国相比世界其他国家，水资源更是紧缺且污染十分严重，这些都很大程度上抑制了国民经济的发展。膜技术的普及让废水回用以及物质回收变成了可能。膜技术在水处理方面的应用，以其节能环保、设备简单等特性获得了世界各国的重视，越来越成为废水处理方面不可或缺的一个关键因素。尤其是近几年以来，纳滤技术的发展，在今后含低分子量废水处理的应用方面必将发挥更大的影响力。电镀废水可以经过处理之后实现循环利用，文章对膜分离技术的相关概念进行阐述，并且对近期国内外的膜分离技术发展现状进行叙述，介绍了膜分离技术在电镀废水中的具体应用，旨在为电镀废水的处理提供理论依据。

关键词：膜分离技术；电镀废水零排放；处理技术；工业生产；环境污染

前言：工业是一个国家的支柱产业，工业发展过程中会对环境产生严重污染，电镀行业是全球三大污染工业之一，在电镀废水中，含有大量的重金属离子、氰化物等，其中一些属于致癌、致突变的剧毒物质，会对人类造成严重的危害，当废水排入水中，还会对水体产生污染，使得水体毒化，对生活在其中的鱼类和其他生物造成极其严重的威胁。虽然电镀废水对环境以及人类的危害严重，但是电镀废水中有一些价值较高的金属，可以回收利用。当前对电镀废水进行处理的技术主要有几种，比如化学沉淀、氧化还原、离子交换、电解法等，随着该行业研究的不断深入，一些其他的方法也逐渐应用在电镀废水的处理过程中，比如铁氧体法、膜分离技术、吸附法、生物法等新技术，在电镀废水处理过程中应用这些新技术，可以提高废水的回收效率，减少直接排放废水带来的污染。其中膜分离技术是一种高效率的回收技术，实用性较高，是当前发展前景最好的一种新技术。

1 膜技术概述

1.1 膜技术简介

目前的膜分离技术有多种，包括超滤、电渗析、渗析、纳滤、液膜等。在各个领域得到运用，具有广阔的应用前景。但是不可忽视的是，目前的膜分离法还存在一些阻碍其广泛发展的因素。例如，进水水质要求高、需定期清洗、运转费用高等，还需要持续的研究。

1.2 膜技术原理介绍

膜技术处理废水的基本原理主要是利用了水溶液（原水）中的水分子具有穿透性的特征，使得分离膜能够保持穿过的物质不相变，并且在外力的作用下水溶液（原水）与溶质或其他杂质能够起到分离的效果，最终获得较为纯净的水，达到处理废水、提高水质的目的。这项技术实质上是属于物理分离的范畴，物质穿过膜不发生相变，因而其能量转化率就比较高，并且分离的效率也较好，还具有节能好、易操作、能够实现自动化等优点。因此，在未来的研究中，这是很值得探索的且具有很大前途的新型水处理技术。

1.3 膜分离技术的特点

膜分离技术指的是通过膜对各种物质进行过滤和分类的技术，膜能够对不同的物质进行选择性透过，可以完成物质的分离、提纯以及浓缩。膜分离技术是一种物理技术，无相变、低能耗，其效率较高，而且能够实现节能目的，其处理过程易于控制，不会对外界产生污染，根据待分离的物质的大小，可以将膜分离技术分为微滤、超滤、纳滤和反渗透。微滤对于电镀液的预过滤比较适用，超滤则主要应用在电泳漆的回收过程中，纳滤和反渗透在化学处理的后处理以及工艺纯水的制备过程中使用比较广泛。借助膜技术对电镀生产过程中的重金属漂洗水进行分离和浓缩，可以对其中的金属离子进行回收，同时还能实现对水资源的回收利用，使得漂洗水中的金属和水之间可以形成闭路循环。当前，膜分离技术在电镀水的处理过程中有十分广泛的应用，各国都在积极加强对这种技术的研究和开发。

2 膜分离技术在电镀水处理中的应用

有学者在电镀镍漂洗水的处理过程中采用膜分离技术，通过对漂洗水进行浓缩以及回用发现，这种技术在电镀液中应用是可行的，膜分离技术可以对其中的镍离子进行有效地截留，其中截留率大于99%。在实验中选取的镍离子浓度为145mg/L，经过膜分离技术浓缩之后，浓缩液中的镍离子浓度达到50g/L，而其余的透过液经过处理之后还能回收利用。这种工艺对于金属液中的金属和水都能利用，但是由于采用两级反渗透，其消耗的能源较多，投资也比较大。

在膜分离技术中，膜是很关键的物质，膜的过滤效果会对金属液的处理效果产生直接影响，有的学者以异丙醇为主要原料，经酸解、除醇、干燥和烧结过程，制成了陶瓷超滤膜，在外界施用大约0.2MPa的压力，在此压力下进行超滤分离，并且经过沉淀处理，最终得到电镀废水上的清澈液体。实验结果表明，膜的通过量会不断下降，而且下降速度比较快，比如开始过滤10分钟左右，膜的通过率大约为2.61立方米，而开始70分钟之后，膜的通透率变为0.5立方米。经过沉淀之后，电镀水中的金属离子主要以络合、配合物的形式存在，可以通过孔径比较小的陶瓷超滤膜从而被截留。其中金属铜的去除率达到70%，金属铬的去除率大约为10%，在透过液中，铜、铬、镍的浓度分别是0.0663mg/L、0.0051mg/L和0.0763mg/L。

利用金属离子络合物的性质进行电镀废水膜分离试验，该实验的流程如图1所示：

图1

该实验中，聚丙烯酸钠是络合剂，采用该物质对含有铜离子的电镀废水进行处理，其中液体的p H值对铜离子在废水中的存在形态有很大的影响，产生络合反应的前提是液体的p H值要大于6，在试验中将液体的p H值调节到2～3，就可以使得铜离子从络合物中释放出来。研究还表明，在解络反应之前，有一个超滤过程，随着液体中的体积浓度因子不断增大，废水中的铜离子和聚丙烯酸钠的浓度也会不断增大，而且还会影响膜的通透性，使得通量下降。但是，铜离子和聚丙烯酸钠之间形成的络合物是比较稳定的，超滤膜对铜离子的截留率不会改变，同时，解络反应之后，超滤回收的聚丙烯酸钠与原始的聚丙烯酸钠具有相似的效果。这种工艺对电镀废水中的铜离子的回收率可以达到96%之多，同时，经过处理之后排放的水，铜的含量较低，其浓度小于1.0mg/L，满足外界环境对废水的排放要求。

另一组学者采用纳滤对含有铬例子的废水进行实验，具体的实验装置如图2所示：

图2

微滤器的孔径很小，为5μm，纳滤膜为NF90-2540型卷式纳滤膜，切割分子量为300。实验结果表明，纳滤膜能够对电镀废水中的铬离子进行有效地处理，其去除率能够达到98%，经过过滤之后的液体，铬的浓度低于0.5mg/L，可以达到排放标准，同时还能用于对镀件的漂洗。铬溶液的浓度对膜的截留率的影响不大，但是过滤液中的铬离子的浓度会随着铬溶液浓度的增加而上升，而且液体的p H值也会对铬的截留效果产生显著的影响。

外国学者也对膜分离进行深入研究，其中有学者研究了膜处理电镀镍废水过程中p H值对分离过程的影响。研究结果表明，如果过滤方式为超滤，对于超滤膜而言，当液体的p H小于3.68时，基本不能对金属离子进行截留，但是随着p H值的不断上升，其截留率会发生改变，当p H值为6.6的时候，截留率会达到98.7%。对于反渗透膜而言，如果电镀废水中含有弱酸根离子，当电镀废水的p H值较低的时候，透过液的p H值要比原液高，当p H值达到6.6的时候，透过液的p H值比原液低，当原液的p H值为6的时候，透过液和原液的p H值相等，随着原液的p H值不断升高，膜的通量会降低。

3 膜分离技术在国内的发展情况

从20世纪70年代开始，我国开始有工厂应用膜分离技术处理电镀镍废水和回收镍，经过20多年的发展，在本世纪初，膜分离技术才开始大规模、广泛的使用，有公司利用膜分离技术回收电镀泡沫镍废水中的镍和水。此后越来越多公司开始采用膜分离技术进行电镀废水处理，比如宁波科宁达工业有限公司、宁波光华电池有限公司、长沙力元新材料股份有限公司等，对膜分离技术的应用都比较多。比如长沙力元新材料股份有限公司是全国知名的连续化带状泡沫镍生产厂家，其产量在全世界都处于领先地位，但是在电镀生产过程中，产生了很多含镍废水，长沙力元膜分离项目，就是对该公司电镀废水中的镍离子进行分离处理的工程，一开始该公司采用化学处理法进行处理，产生的效果不好，而且排放的废水中镍离子的浓度依旧比较高，还产生了较多的含镍污泥，对环境的污染愈发严重，随着膜分离技术的应用，其废水排放中的金属离子含量降低，而且经过处理之后的水资源也可以利用。经过处理之后，回收水中的总溶解固体量小于10mg/L，成为质量较优的电镀工艺用水。运行过程中，基本达到行业生产标准和环境排放要求。

3.1 纺织废水

纺织工业产生的废水里所包含的成分是比较复杂多样的，并且在这类污水中各种物质可能发生较快的变化。目前，我国已经有部分纺织企业引进并开始应用膜分离技术处理企业的废水了。例如，宁波神鹰针织工贸有限公司，有效地利用膜分离技术来对企业中的印染污水进行处理和回用。兵器科学研究院宁波分院在纳滤膜和反渗透膜应用的基础上开发出了全新的污水处理技术，新技术的原理是在一定压力下，99.5%的水中钠离子无法通过反渗透膜，比钠离子更大的粒子更是难以穿过“筛孔”，只有较纯净的水能通过。经过膜技术处理后，水硬度低，能够被循环利用。有效的利用反渗透膜，对于印染企业来说具有十分重要的意义。不仅能够有效回收利用印染的原料，很大程度降低企业的成本费用，还有希望实现印染企业的废水零排放或者微排放的目标，节约了自来水等新鲜水的运用，对环境保护、经济效益等都是一大贡献。

3.2 造纸废水

这几年来，国内中小型造纸企业废水处理方法主要是应用酸化法和超滤法。其原理是为了分离出黑液中的木质素，同时降低其中的COD和BOD。但是，随着膜分离技术的普及，又加上该技术具有低成本和占地面积小等优势，杜明等运用微滤—凝沉淀法来对造纸废水进行处理，原理是利用微滤来对纸浆进行回收，并且运用混凝沉淀来去除造纸废水中的主要污染物。在造纸企业中，利用纳滤来进行废水处理，并且实现废水中有用物质的回收，能进一步对废水排放的污染加以有效控制。潘碌亭等则是采用TOA（正三辛胺）乳状液膜法来对黑液进行有效处理，这种方法能够让COD的去除率高达98%以上，并且经过提取后的木质素还可以在日后的生产中成为其它化工的原料和产品，可以起到治理污染的同时又实现综合利用的双重效果。具体如图3所示。

图3 造纸废水膜处理工艺

3.3 制药废水

制药企业中所产生的废水大部分在由多种药物生产过程中所排放而形成的混合废水。之前，国内外主要运用的是厌氧－好氧生化联合处理法来进行废水处理，具有一定的效果。然而，这一方法存在着其局限性。例如，厌氧处理的工艺对温度和PH值等因素的要求是比较高的，同时，这种方法的操作范围十分有限，构筑物停留时间比较长。另一方面，利用厌氧处理的方法来处理沼气，所获得的产量小，经济价值比较低，而且处理后直接排放出去就会导致环境的二次污染，可能引起其他安全隐患。另外，单一的常规好氧生化处理方法，其弊端也是比较明显的。膜技术的出现，能够一定程度上减低难度。PW膜生物反应器技术，主要是由膜组件和生物反应器所组成，能够在一定时间内维持较高的MLSS浓度，以及维持较长的SRT时间。并且，因为膜具有隔离的作用，这就使得那些生长速度很慢的硝化细菌可以有时间在反应器里面得到积累，当MLSS逐渐提高后，硝化细菌数量也在持续增加，使得反应器硝化能力不断增强，以至于通过膜后，所出的水大多数是不含有细菌、病毒、寄生虫卵等有害物质，浊度比较低，完全符合国家规定的废水排放的标准。

3.4 重金属废水

重金属废水污染是造成环境污染的因素之一。尤其是像电镀、冶金、矿山等企业都是重金属废水的高产区。在进行生产过程中会产生大量的含有铬、镍、铜、镉等金属离子的废水。目前国内外进行重金属废水处理的主要方法是液膜法和离子交换法。并且主要回收的是酸水中的ZN2+，但是难以对NA2SO4和H2SO4进行有效回收。如今的纳滤膜技术能够确保有90%的含重金属废水得到有效的回收或者被纯化，并且在整个分离的过程中重金属离子的浓度会随之逐步加大，甚至是可以达到回收利用的标准。在条件允许的情况下，甚至还可能分离回收其他离子，例如Ni2+和CD2+。

4 结束语

随着对膜技术的推广，又由于该技术在处理废水方面的优势，这为未来膜技术的发展和应用创造了机会．膜技术的发展推动了废水处理的发展，给予了人们生活生产更多的便利。但是，它是近几年发展起来的比较年轻的新型技术，该项技术仍然还不够成熟，大规模工业化膜分离的例子较少，更多的分离技术尚处在探索和研究的过程中，有许多存在的问题有待解决改进，这也是未来膜技术发展面临的挑战。

电镀行业是工业生产中的一个重要行业，在电镀生产过程中会产生很多电镀废水，废水直接排放会对环境造成严重污染，给人们的健康带来威胁，在排放废水之前应该要加以处理。传统的处理方式是化学沉淀处理，这种方法会产生其他的沉淀污染，而且过滤效果不好。膜分离技术可以从金属溶液中分离出各种重金属离子，将重金属离子和水溶液分开利用，对很多电镀水中的价值较高的金属都能实现高效回收，所以膜分离技术可以促进电镀行业的可持续发展，实现清洁生产。

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