環保組合填料生產廠家污泥資源化制造陶瓷膜用于含油廢水處理

　　環保組合填料廠家污泥資源化制造陶瓷膜用于含油廢水處理。

　　圖文摘要

　　成果簡介

　　近日，大連理工大學環境學院董應超教授等人在環境領域知名學術期刊Water Research上發表了題為“Spinel-based ceramic membranes coupling solid sludge recycling with oily wastewater treatment”的研究論文(見Water Research, 169 (2020) 115180)。

　　該研究提出了一種工業污泥廢棄物高值資源化設計制備油水分離低成本陶瓷膜的新策略，同時解決了重金屬污泥的安全、高值資源化的處理難題和含油廢水(水包油(O/W)乳液廢水)經濟高效分離的問題，實現了實驗室小試和規模化制造，提示了含油乳化液廢水處理的膜污染機制與模型。

　　引言

　　工業過程和廢水處理所產生的重金屬污泥，若未加處理會對生態環境和人類健康產生巨大的潛在危害。傳統重金屬固廢處置技術通常是采用水泥封存或其他技術(如絡合等)進行轉化處理，但是這些方法存在占地面積大或重金屬酸性浸出等關鍵難題，因此迫切需要開發高效的重金屬穩定化新策略。

　　熱轉換法是一種新型、可靠的重金屬穩定化新技術，該方法可形成非常穩定的陶瓷晶相，顯著降低浸出風險，進而可從重金屬污泥制備各種陶瓷產品。

　　作為一類新興分離介質，無機陶瓷膜因其具有較高的機械、化學和熱穩定性以及良好的抗污染性能，日益廣泛應用于化工冶金、食品醫藥、生物和環境工程等分離過程，是一個方興未艾的高技術產業領域，特別是在含油廢水分離等方面有諸多應用潛力。

　　如何實現污泥安全、高附加值資源化，如何降低廢水處理陶瓷膜成本，如何實現含油廢水經濟高效分離是具有挑戰性的工程技術難題。

　　因此，本研究從廢棄物高值資源化設計制備低成本陶瓷膜理念出發，通過膜晶相和膜結構定量調控實現了不同規格陶瓷膜的實驗室制備和規模化制造，并成功應用于含油廢水分離，提出了不同流速乳化液油滴的膜污染機理和污染模型。

　　圖文導讀

　　為了高效、安全地利用廢水污泥中的重金屬，本研究選擇氧化鎳(模擬含鎳污泥)和鋁土礦作為原材料，通過在陶瓷基體中形成更穩定的尖晶石相，高溫燒結制備陶瓷膜。

　　NiO與鋁土礦物高溫反應生成尖晶石NiAl2O4的熱轉換反應機理如圖1所示。首先Ni和Al離子通過尖晶石晶格反擴散，維持晶體的連續生長，在燒結過程中發生三個成相階段。

　　圖1清晰解析了含鎳廢水污泥與低成本鋁土礦制備尖晶石基陶瓷膜過程中NiAl2O4尖晶石的形成機理，根據其形成機理隨后對陶瓷膜晶相結構進行了合理調控，并進而制備了兩種不同結構的陶瓷膜。

　　圖1. NiO與鋁土礦物高溫反應生成尖晶石NiAl2O4的熱轉換反應機理示意圖

　　對比兩種不同的膜結構，LFS-HFCM的平均孔徑(0.35 μm)比SS-HFCM(0.36 μm)略小(如圖2a);在所有錯流流速條件下LFS-HFCM的純水通量幾乎相當于是SS-HFCM的2倍，這主要歸因于長指狀孔結構的LFS-HFCM，顯著降低了跨膜阻力。

　　通過FTIR光譜確定了膜表面豐富的金屬羥基(圖2c)，水接觸角為46°(圖2d)，XPS顯示了Ni離子完全的進入尖晶石的晶格中，在高溫燒結過后實現穩定化處理(圖2e,f)。

　　圖2. 1250 ℃燒結的中空纖維膜 a)孔徑分布圖，b)純水通量，c)FT-IR光譜， d)水接觸角;e, f)XPS光譜

　　對所制備的陶瓷膜進行含油乳化液廢水截留測試。兩種膜在測試前10 min滲透通量快速下降，這主要歸因于膜表面形成的污染層。在100 min左右達到穩定值，說明形成了穩定的動態油層。在含油乳液分離過程中，隨著錯流流速增大，滲透通量顯著增加(圖3a)。

　　通過研究不同運行操作條件下兩種不同結構陶瓷膜的通量和截油率，發現具有長指狀孔結構的陶瓷膜(LFS-HFCM)比海綿層結構的陶瓷膜(SS-HFCM)的性能更優越(圖3b-3c)，歸因于其高度不對稱的膜結構和膜表面豐富金屬羥基的親水性，膜通量優于現有陶瓷膜(圖3d)。

　　進而，通過實驗結果結合模型方程模擬，我們最后提出了不同流速下乳化液油滴的膜污染機理和污染模型。

　　圖3.尖晶石中空纖維膜油水分離實驗。(a)1250 ℃下燒結制備得到的SS-HFCM和LFS-HFCM在不同流速下化學清洗前后的滲透通量隨時間的變化趨勢圖，(b)LFS-HFCM在不同流速下的截油率隨時間變化圖，(c)SS-HFCM和LFS-HFCM在固定流速下的截油率比較，(d)本研究與其他工作的通量性能比較。

　　小結與展望

　　本項工作提出了一種工業污泥高值資源化利用的新策略，用于開發低成本、高性能陶瓷分離膜，解決了重金屬污泥的安全、高值資源化的處理難題和含油廢水(水包油(O/W)乳液)經濟、高效分離的問題。

　　該方法可推廣到其它重金屬污泥衍生的功能陶瓷膜的設計制造和其它水處理應用領域，因此，該研究以期為重金屬污泥的安全、高效資源化提供新的研究思路，也為陶瓷膜的設計和低成本制造提供了合理、經濟的新方法，是一種“以廢治廢”新策略，具有環境、經濟雙重效益和重要的實際應用前景。

　　相關工程技術開發

　　陶瓷膜的規模化制造、膜系統集成和工程應用：除了關注成膜機制和膜內傳遞機理、膜污染機制、功能化和耦合技術原理等應用基礎科學問題之外，面向工業廢水處理工程應用，針對商品陶瓷膜成本高、制造周期長等關鍵工程問題，董應超教授課題組針對特殊環境介質(如高溫、強氧化、強酸堿、特殊溶質和有機溶劑特殊組分等)的膜技術污染控制工程應用，開發固廢/礦物陶瓷膜的制備和規模化制造技術，我們先后研制出了多種膜材質(莫來石、尖晶石和氧化鋁等)、不同規格(多通道管狀和微管膜)的低成本陶瓷膜，實現了大型分離膜的結構性能檢測及測試、膜組件的優化設計及組裝和膜裝備的系統集成。并與企業合作將其應用于含油廢水和高鹽廢水處理等工業領域。依托遼寧省工業生態和環境工程中心搭建了陶瓷膜規模化制造設備平臺系統(年產5-10萬m2陶瓷膜制造的中試生產線)，實現大規格陶瓷膜的規模化制造、檢測技術及膜裝備的系統集成。

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