煤化工高盐废水处理过程中纳滤膜结垢行为和机理研究

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煤化工高含盐废水的循环利用不但有效缓解了煤化工企业水资源短缺问题,而且促进了当前环保事业的发展。当前,对煤化工高盐废水零排的处理大多集中在膜浓缩蒸发结晶工艺上,然而此工艺流程中纳滤膜设备结垢问题不仅严重影响了该工艺流程长期的安全稳定运行,还极大地增加了企业的经济成本。为此,本文对煤化工高盐废水膜浓缩蒸发结晶工艺过程中纳滤膜结垢行为和机理进行深入研究。环己醇主要通过降低无机盐的溶解度以及与阴离子聚丙烯酰胺之间的“竞争与协同效应”吸附在污垢层表面进一步加剧由APAM主导的膜污染。进料溶液中阳离子的电中和作用和电荷屏蔽效应降低了 APAM与膜间的排斥力,特别是Ca2+作为APAM-膜和APAM-APAM间的“桥梁”的配位络合作用使膜通量下降更快,膜污染更严重。通过扩展的德亚盖因-兰多-弗韦-奥弗比克(XDLVO)理论计算不同探针液体量得到的接触角测量结果得到APAM-膜和APAM-APAM间的AB界面能分别由22.60 mJ/m2增大至50.27 mJ/m2和由15.98 mJ/m2增大至47.49 mJ/m2,可知探针溶液的组成对AB界面能有明显的影响。AB界面能是总界面自由能的重要组成部分,由此其对膜结垢有显著的影响。在APAM-膜间的粘附自由能和APAM-APAM间的结合自由能的计算中,在不含CaCl2的探针溶液中环己醇的加入使电子供体与电子受体比值分别由3.00下降至2.12和4.86下降至3.20,在含CaCl2的探针溶液中环己醇的加入使电子供体与电子受体比值分别由4.51增大至6.62和2.20增大至3.26,由此可知,探针溶液中的环己醇对不同界面电子供体与电子受体的比值均有一定的影响。聚合氯化铝污垢始终优先附着在膜表面,并以表面污染的方式在膜表面形成粘附松散的污垢,在膜面错流剪切力的剥蚀下始终保持膜孔不被堵塞,最终使无机盐始终保持较高的透过率。苯骈三氮唑主要通过在膜表面和污垢层表面吸附来加剧膜污染,被苯骈三氮唑污染的膜表面污垢明显更加致密,并且污垢-膜间的粘附力及污垢-污垢间的粘结力也更强,污垢堵塞了膜孔、减少了有效过滤面积,使更多的无机盐被截留下来。本文研究成果为纳滤膜处理煤化工高含盐废水过程中防垢阻垢提供了理论支撑,为相关工业废水处理工艺的开发以及基于实际废水条件对膜的选择提供了支持和解决方案,并为后续煤化工高含盐废水实际处理过程中减缓膜结垢和相关理论研究奠定了基础。
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