减压膜蒸馏技术处理丙烯腈废水研究_沈志松

减压膜蒸馏技术处理丙烯腈废水研究沈志松钱国芬(江苏省微生物研究所环境工程室,无锡214063)迟玉霞刘宏之(山东新华制药股份有限公司,山东淄博255005)摘要用减压膜蒸馏(VMD)技术进行的处理废水中丙烯腈的实验室研究和中间试验,均取得了良好的结果.丙烯腈的去除率在98%以上,出水浓度低于5mg/L,达到了排放控制的要求.理论分析和实验数据都说明,液相温度和流量对VMD的传质和丙烯腈的脱除效果有很大的影响.而中间试验的结果又表明,真空度、气液比、流程走向和纤维装填密度等工艺和设备参数在一定条件下对丙烯腈的脱除效果也有较大的影响.所有试验结果显示,作为一种新颖的水处理技术,VMD将在挥发性有机污染物的处理方面发挥重要的作用.关键词膜蒸馏废水处理丙烯腈分类号TQ028.8X703膜蒸馏(membranedistillation,MD)是一种新的膜分离技术,它利用传递对象(例如水、丙烯腈等)在疏水微孔膜上、下游两侧中蒸气分压的不同而进行物质分离,可用于制备纯水、浓缩热敏性物质、分离水溶液中的挥发性有机物和脱除水中的溶解性气体.根据洗脱下游一侧膜界面上馏出物(被传递对象)方法的不同,膜蒸馏可分为直接接触膜蒸馏、气隙膜蒸馏、气体吹扫膜蒸馏和减压膜蒸馏等[1].其中减压膜蒸馏(vacuummembranedistillation,VMD)最适宜于从废水中分离少量或微量挥发性有机物,具有能耗低、无二次污染和操作简单方便等优点[2].丙烯腈是一种重要的化工原料,在其生产和使用过程中有大量废水排放,其中丙烯腈的浓度在102～104mg/L.焚烧法是目前国内外普遍采用的高浓度丙烯腈废水处理方法,不仅处理成本高而且浪费资源.丙烯腈的沸点较低(77.3℃),有较高的挥发性,微溶于水,应该可以用减压膜蒸馏技术来处理废水中的丙烯腈.为此,我们尝试了用VMD技术分离、净化废水中丙烯腈的实验室研究.在实验室研究的基础上又安排进行了中试,取得了较满意的结果.本文将主要论述和探讨以下方面:1)对VMD处理丙烯腈等挥发性有机物废水的评价;2)影响VMD分离效果的因素;3)与VMD技术工业化应用相关的一些工艺和设备问题.1VMD废水处理过程的表征参数膜蒸馏过程常用通量、热效率和分离系数等参数来表征[1].值得指出的是:1)在制备纯水等应用中,人们通常感兴趣的是下游产品的产量和纯度等指标.而在废水处理中,人们感兴趣的是上游废水中污染物的去除程度和残留浓度等指标.2)在通常的膜蒸馏中,传质对象(水)的浓度很大.而水处理的传质对象(丙烯腈)的浓度很低,一般在102～104mg/L之间.由于上述两个方面的差异,有必要使用既能表达VMD特征又符合水处理常用术语的参数和方程来表征VMD废水处理过程.1.1传质方程在用膜蒸馏技术制取纯水或浓缩热敏性物质的场合下,其传质状况常用膜通量方程来表征[3,4].而用VMD技术从废水中分离丙烯腈等少量或微量挥发性物质时,挥发性物的膜通量是个变量,随时间不收稿日期:1999-12-01;修改稿收到日期:2000-01-06第一作者:男,1946年生,教授第20卷第2期膜科学与技术Vo1.20No.22000年4月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYApr.2000DOI:10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2000.02.015断衰减.因此,如果用通量方程来表征丙烯腈在膜蒸馏过程中的传质状况就比较复杂.Semmens等[5]采用与起始浓度无关的传质系数K作为表征参数,并用双膜理论(doublefilms)和阻力串联模式(resis-tanceinseries)来处理相关的传质过程.VMD传质过程示意图,见图1.图1VMD传质过程示意图由图1可知,总传质阻力(1/K)由液膜阻力(1/KL),微孔膜阻力(1/HKM)和气膜阻力(1/HKG)组成:1/K=1/KL+1/HKM+1/HKG(1)式中,微孔膜阻力(1/HKM)和气膜阻力(1/HKG)相对于液膜阻力(1/KL)可忽略不计,即液相中丙烯腈的脱除速率主要受液膜阻力控制.这样(1)式可简化成:1/K=1/KL(2)由此推导出传质方程为:K=[(vd/4L)/(1-R)]1n[(1-R)·QW/(QW-VB)+R](3)式中,B是ln(co/ct)对时间t图中直线的斜率,co和ct分别是液相中丙烯腈的起始浓度和时间t时的瞬时浓度,R=QW/QGH,QW和QG分别是液相流量和真空排气量,v是液相在纤维管腔内流速,V是液相体积,H是亨利系数.虽然方程(3)的推导是基于气体吹扫膜蒸馏(sweepgasMD,SGMD)过程,但是方程推导者[5]用实验证明VMD和SGMD对挥发性有机物的脱除能力基本相近.因此,方程(3)是可以适用于VMD过程.1.2污染物去除