[摘 要]粘胶纤维行业是重要的民生支柱产业，也是不断发展创新的传统产业，其市场需求将是永恒的。随着需求量的不断扩大，近年来各企业开始不断的扩大产量，在粘胶纤维生产重要浸渍工序，产生的大量废碱（浆粕中半纤、灰分、油脂、蜡质、木素、蛋白质、果胶质、戊糖、脂肪等物质的碱溶液[1]），成为了“三废”之一。废碱液不仅增加了生产成本、限制行业发展，同时也不满足国家绿色发展的要求。20世纪60年代膜分离技术的出现，不断在食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域迅速崛起，并逐步产生经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。进入21世纪在粘胶纤维、造纸等行业膜分离技术得到广泛应用，并日趋成熟。
　　[关键词]浸渍 纳滤 卷式纳滤膜 半纤维素
　　中图分类号：S62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）01-0381-02
　　一、纳滤膜结构及工作原理
　　纳滤膜：采用醋酸纤维素（CA）、磺化聚砜（SPS）、磺化聚醚砜（SPES）和聚乙烯醇（PVA）、聚酰胺等原料制作，孔径在1nm以上，一般1～2nm。是允许溶剂分子或某些低分子量溶质或低价离子透过的一种功能性的半透膜。它是一种特殊而又很有前途的分离膜品种，它因能截留物质的大小约为纳米而得名，它截留有机物的分子量大约为150～500左右，截留溶解性盐的能力为2～98%之间，对单价阴离子盐溶液的脱盐低于高价阴离子盐溶液。被用于去除地表水的有机物和色度，脱除地下水的硬度，部分去除溶解性盐，浓缩果汁以及分离药品中的有用物质等。
　　目前膜分离技术被公认为 20 世纪末至 21 世纪中期最有发展前途的高科技之一[2]。半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜--无机膜主要是陶瓷膜和金属膜，其过滤精度较低，选择性较小；有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。
　　二、卷式纳滤膜结构及工作原理
　　卷式膜的设计紧凑具有占地面积小、效率高、耐高温、耐酸碱等优点。设计之初原本专用于水脱盐处理，后经过了许多试验，重新设计的组件已经可以用于许多工业行业，如乳制品行业、粘胶纤维行业、纸浆和造纸行业、高纯水以及一些高温和极端pH的场合。膜都是以卷式膜的形式出现的。卷式膜元件主要由是通过平板膜卷制而成，包括了平板膜片、进料格网、透析液格网、胶水和透析液收集管等组件[3]。
　　卷式膜结构：
　　1、膜片：采用醋酸纤素（CA）、磺化聚砜（SPS）、磺化聚醚砜（SPES）和聚乙烯醇（PVA）、聚酰胺等为原料进行制作，其厚度约150um，表面薄膜厚度约1um。过滤过程中最重要部分。
　　2、膜袋：膜袋是两张矩形膜片夹带一张同样大小的隔膜网支撑层，并将其中三个方向采用耐酸碱的胶水粘贴在一起形成，而为粘贴的方向即用胶水粘贴在中芯管上，不同尺寸的膜，装备的膜袋也有相应的差异。
　　3、隔膜网：一层耐酸碱的无纺布，在两张膜片之间起到支撑作用，并形成滤液通道，流向中透過液芯柱。
　　4、筛网：筛网是膜袋与膜袋之间起支撑做用的独立结构，也在过滤过程中为相互膜袋之间提供原料通道（即膜袋之间的流道）。其多采用菱形（标准），市场上有些自由通道设计，厚度根据每支膜心的过滤面积而定，一般市场运用有30米尔、42米尔、57米尔等不同厚度，各生产厂家不同相应的厚度也有略微的差异。
　　5、透过液芯柱：早期采用不锈钢316L，经过该进后采用多种类型的聚合材料，聚砜成为工业应用的标准，具有很强的耐酸碱性。在中心管周围制作有大量小孔，小孔可直通膜袋，形成滤液通道。
　　三、卷式纳滤膜在碱回收域的应用
　　1、原料介绍
　　浆粕中半纤维素在碱液中充分溶胀，或形成粘稠状的胶状物，或使碱液粘度升高，渗透速度下降，致使碱纤维素的压榨性能变坏，因此需将碱液中的半纤维素出去，从而降低碱液粘度。纳滤膜系统祛除碱液中绝大部分半纤维素，从而使碱液能循环使用，随着离碱价格上涨以及环保压力的增大，纳滤膜在碱回收方面的作用变得尤为重要[4]。
　　2、运行方式
　　1）多套并联运行：一个原料罐对应多套独立的纳滤系统，每套纳滤系统之间可独立运行、停止、清洗等不同状态。原料经纳滤膜系统分离以后，浓缩液再次回到原料罐，净液送至净液收集罐，直到纳滤膜系统压力达到工艺和原料罐半纤浓度达到工艺标准视为达到浓缩终点。
　　2）多套串联运行：将多套卷式纳滤膜进行串联，将前一套纳滤膜的浓缩液直接进入下一套膜处理，以此类推，直至最后一套浓缩液达到工艺标准，能将原料一步浓缩到位，具有连续性强、操作简单节约人工成本的优点。
　　3）两种运行方式的效率对比
　　多套并联运行：每套纳滤膜单独运行，共用一个浓缩罐，直到浓缩罐的半纤含量达到工艺标准（或是压差达到工艺标准）
　　3、并联运行
　　并联运行过程中采用大进料量35～40m3/h，大回流约30m3/h，增大对膜层表面的冲刷，减小污染物在膜层的停留机率，因此浓差极化较小，过滤效较高，并联运行到终点其平均通量为7.3m3/h。
　　多套串联运行：碱液依次通过串联的纳滤膜后浓缩液半纤达到工艺标准进入废液罐，净液收集起来循环使用，目前粘胶纤维行业内采用四套串联运行的较多。
　　连续运行每级进料由上一级提供，越往下级其进料量越小，平均回流量约20m3/h，对膜层的冲刷小，因此在串联运行的后端纳滤膜浓差极化非常大，效率较低，平均净液流量6.25m3/h。两种不同方式比较，多套并联方式效率约比多套串联方式高15%左右。 　　3、碱回收工艺
　　碱回收预处理：
　　浸渍后的碱液中含有一定量的纤维素、泥沙大颗粒杂质，而膜芯的流道很小，这些杂质的存在很容易堵塞膜芯，因此碱液在进入膜系统之前必须经过两次板框、一次微孔、一次保安过滤除去碱液中的颗粒杂质。
　　碱液回收：
　　碱液在不断分离过程中，浓缩液半纤含量也随之增加，碱液粘度不断上涨，效率不断下降，膜系统的进出膜压差增大，对膜芯造成损坏（每支膜芯承受的压差≤0.08MPa）为了延长膜寿命和提高膜的分离效率，需要定期进行清洗。
　　4、膜的污染与清洗
　　（1）膜污染的预防措施[3]
　　①由于废碱液中含大量的半纤、树脂、果胶等物质，碱液在经纳滤膜不断分离过程中以上物质不断被浓缩，当达到相应的溶解饱和度而析出对膜造成表面污染，此为主要污染；
　　②半纤析出污染：在碱液浓缩到一定体积时，半纤达到溶解饱和度，不断析出，以固态形式出现，被菱形的筛网截留形成结晶核不断扩大，导致流道堵塞。
　　③碱液中的灰分等含大量的二价离子（Ca2+、Fe2+、Mg2+等）在碱性条件下形成络合物和树脂 、蜡质、果胶质等混合形成胶体状物质附着在膜层表面，降低膜的过滤效率。
　　（2）膜的清洗
　　①膜清洗系统：
　　一套纳滤膜系统一般由6～9根膜管组成，每支膜管装入3～5支膜芯（根据生产厂家及生产工艺需求不同而定）。膜清洗时，将清洗罐内的清洗液泵入每支膜管中，冲刷膜芯的流道后回流至清洗罐中。
　　②普通清洗：纳滤膜会随着运行时间的延长，形成相应的污染，过滤效率随之下降。此时需要采用大量的清水对纳滤膜流道间的污染物进行冲洗。
　　清洗罐加入一定量的除盐水，升温至工艺要求，先用约2m3清水置换掉膜管内残留碱液，后采用低压力高流速的方式，在清洗罐内进行循环清洗，每天清洗2～3次。
　　③化学清洗：每天的水洗只能将流道间大量的半纤维素、络合物等污染物清洗掉，但还会有少许残留，经过一段时间的累计后分离效率仍会下降，则必须采用化学清洗方法来恢复其功能。
　　碱洗：主要针对残留在流道中的半纤维素，其在10%～12%的碱浓度下溶解效果最佳，使用该浓度下的碱液将残留半纤溶解，并采用高流速的冲刷，形成动态循环溶解，一周清洗一次。
　　酸洗：在碱性条件下二價离子形成的胶体不能被分解，所以碱洗对附着在膜层表面的胶体状物质完全不起作用，因此只能在酸性条件使其反应溶解后带出。
　　常用的酸洗剂有草酸、磷酸、盐酸，对不同污染程度的膜采用不同的清洗剂，调配清洗溶液。清洗前对采用大量除盐水调节膜芯及膜管内的PH至8以下。调节后使用酸液高流速的冲刷，形成动态循环清洗，保持清洗液PH在4～5的条件下充分溶解二价离子胶体。
　　单支清洗：每套膜系统中的膜管在运行一段时间后回有不同程度的污染，因此需对每支膜管的流量制定相应的检测标准，并对没有达到流量要求的膜管进行单独清洗（根据污染的性质选择不同清洗液清洗）。
　　5、运行效果
　　通过对纳滤膜的运行方式、清洗方式等方面的研究，保证了废碱液回收率的稳定和纳滤膜使用寿命，降低了粘胶纤维生产过程中离碱消耗。在回收碱液的同时，浓缩液中的半纤维素又作为生产半纤维素衍生物（木糖、低聚木糖）的原料，从源头上减少废碱的排放，降低了废水COD，减轻了环保处理压力，将污染因子变为高附加值产品，发展绿色循环经济。
　　四、结语
　　纳滤膜应用于粘胶纤维生产过程中废碱的回收，在不断的研究和改进中，进行工艺摸索，研究出纳滤膜最佳的运行工艺、清洗工艺，不断提高废碱回收率，降低粘胶纤维生产过程中离碱的消耗。同时为下一步生产半纤维素衍生物木糖、低聚木糖提供稳定而廉价的原料，降低环保处理费用，从源头上减少废水COD，具有重大的环保意义，积极响应国家提倡环保节能生产路线，走可持续发展道路，发展绿色循环经济。
　　参考文献
　　[1]谢尔柯夫.《粘胶纤维》.纺织工业出版社.
　　[2]张严清.《卷式反渗透》.化学工业出版社.
　　[3]郑领英.《膜分离与分离膜》.高分子通报，1999.
　　[4]王凯雄、朱优峰.《水化学》第二版 北京：化学工业出版社.