酸性重金属废水膜蒸馏技术研究

发布时间：2017-03-16 18:00

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【摘要】：本论文综述了重金属废水现状,常见的重金属废水处理方法以及膜蒸馏技术及其在重金属废水领域的应用。文献综述结果表明,膜蒸馏技术是一种新型膜分离技术,以PTFE为膜材料,以中空纤维膜制作膜组件,以VMD和AGMD为操作类型是目前膜蒸馏研究的热点。膜蒸馏浓缩金属离子溶液的研究以及用于溶液中酸回收的研究表明了膜蒸馏技术在酸性重金属废水领域具有良好的应用前景。本论文选择PTFE中空纤维膜和管式膜作为膜蒸馏用疏水膜,首先对两种膜的孔径、壁厚等基本性能进行了测试,然后展开膜蒸馏处理酸性重金属溶液的研究。在PTFE中空纤维膜方面,考察了操作类型(DCMD、VMD)、进液方式(管程式和壳程式)、金属离子(Zn、Ni、Cu、Ca)、pH及EDTA对膜蒸馏浓缩重金属溶液过程的影响。研究结果表明,DCMD将含铜锌镍三种金属离子的溶液浓缩5倍,运行稳定但通量仅为3.0 kg·m-2·h-1。管程式VMD膜通量可达12 kg·m-2·h-1,但6小时内电导率上升至800μS·cm-1。壳程式VMD通量是管程式的1/2左右,但产水电导率更为稳定。溶液pH值在0~2之间,pH值对膜通量无明显影响,但随pH值降低,产水电导率升高。溶液中Ca2+对膜通量和产水电导无明显影响,CaSO4饱和析出时会导致膜通量衰减。EDTA会加速疏水膜的亲水化进程,影响产水质量。在PTFE管式膜方面,采用AGMD的操作类型进行重金属溶液浓缩研究。首先选用盐水对各管式膜进行膜性能测试,然后考察了金属离子(Zn、Ni、Cu、Ca、Cr(VI)、Fe(III))、p H及EDTA对膜蒸馏浓缩过程的影响。结果表明,孔径最小且壁厚最大的Y40管式膜虽然平均通量约为3.0 kg·m-2·h-1,但具有更好的耐酸性和工艺稳定性。Cr(VI)、Fe(III)对管式膜浓缩重金属溶液未见显著规律性影响。pH值被进一步证明为影响膜蒸馏性能的最显著的因素。EDTA对膜润湿有一定强化作用。最后选择性能最佳的Y40管式膜和合适的操作条件进行了实际电镀废水浓缩试验,将实际废水浓缩近10倍的情况下,产水电导率仍维持在60μS·cm-1以内,150小时内膜蒸馏运行稳定。本论文最后对实验前后的膜材料进行表征,主要分析膜表面沉积物形态及其对膜污染的影响机理、膜孔径变化、膜材料物相变化、膜疏水性变化以及膜力学性能变化。研究结果表明,中空纤维膜内外表面微观结构差异是VMD两种进液方式性能差别的根本原因,管程式膜内表面晶体经检测为硫酸铜。管式膜的沉积物粘附截留在膜表面,处理实际废水时的沉积物主要为钙盐及硅酸盐。膜材料的物相在膜蒸馏过程中没有变化,但实验后各膜的孔径均出现不同程度的增大。红外光谱测试显示了一些新的弱羟基吸收峰的出现,但各膜表面疏水性均未出现下降。抗拉强度测试表明,中空纤维膜和Y40管式膜材料实验前后的力学性能基本无变化。上述表征测试结果表明,PTFE疏水膜在酸性重金属溶液膜蒸馏过程中展现出良好的性能稳定性。
【关键词】：重金属废水 浓缩 中空纤维膜 管式膜 真空膜蒸馏 气隙式膜蒸馏 膜性能
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;TQ028.8
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 选题的目的和意义11-25
• 1.1 重金属废水现状11-12
• 1.2 重金属废水处理方法12-15
• 1.2.1 化学沉淀和氧化还原12-13
• 1.2.2 生物修复13
• 1.2.3 吸附和离子交换13
• 1.2.4 膜分离13-15
• 1.3 膜蒸馏15-21
• 1.3.1 膜蒸馏原理及操作方式15-17
• 1.3.2 膜蒸馏用膜材料及组件17-18
• 1.3.3 膜蒸馏研究现状及存在的问题18-20
• 1.3.4 膜蒸馏在重金属废水中的应用20-21
• 1.4 选题的依据21-22
• 1.5 论文的难点和创新点22-23
• 1.6 论文研究内容和技术路线23-25
• 1.6.1 课题来源23
• 1.6.2 技术路线23-24
• 1.6.3 研究内容24-25
• 2 重金属废水中空纤维膜膜蒸馏过程研究25-35
• 2.1 实验部分25-28
• 2.1.1 实验仪器及材料25-27
• 2.1.2 实验方案27-28
• 2.2 结果与讨论28-33
• 2.2.1 操作类型的影响28-29
• 2.2.2 进液方式的影响29-31
• 2.2.3 料液特性的影响31-33
• 2.3 本章小结33-35
• 3 重金属废水管式膜膜蒸馏浓缩过程研究35-49
• 3.1 实验部分35-37
• 3.1.1 实验仪器和材料35-36
• 3.1.2 实验方案36-37
• 3.2 结果与讨论37-48
• 3.2.1 基于NaCl溶液的管式膜性能初步测试37-40
• 3.2.2 管式膜蒸馏浓缩重金属溶液性能研究40-46
• 3.2.3 实际重金属废水管式膜蒸馏浓缩研究46-48
• 3.3 本章小结48-49
• 4 重金属废水膜蒸馏过程中膜性能变化分析49-62
• 4.1 膜表面沉积物结晶形态及其对膜污染的影响分析49-52
• 4.1.1 中空纤维膜表面形态及膜污染分析49-51
• 4.1.2 管式膜表面形态及膜污染分析51-52
• 4.2 膜材料物相变化分析52-53
• 4.3 膜微孔孔径变化分析53-56
• 4.3.1 中空纤维膜孔径变化54
• 4.3.2 管式膜孔径变化54-56
• 4.4 膜疏水性变化分析56-58
• 4.4.1 中空纤维膜疏水性变化56-57
• 4.4.2 管式膜疏水性变化57-58
• 4.5 膜材料力学性能变化影响分析58-61
• 4.5.1 中空纤维膜力学性能变化59
• 4.5.2 管式膜力学性能变化59-61
• 4.6 本章小结61-62
• 5 结论62-64
• 参考文献64-70
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果70-71
• 致谢71

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