环保组合填料生产厂家污泥资源化制造陶瓷膜用于含油废水处理

　　环保组合填料生产厂家污泥资源化制造陶瓷膜用于含油废水处理

　　环保组合填料厂家污泥资源化制造陶瓷膜用于含油废水处理。

　　图文摘要

　　成果简介

　　近日，大连理工大学环境学院董应超教授等人在环境领域知名学术期刊Water Research上发表了题为“Spinel-based ceramic membranes coupling solid sludge recycling with oily wastewater treatment”的研究论文(见Water Research, 169 (2020) 115180)。

　　该研究提出了一种工业污泥废弃物高值资源化设计制备油水分离低成本陶瓷膜的新策略，同时解决了重金属污泥的安全、高值资源化的处理难题和含油废水(水包油(O/W)乳液废水)经济高效分离的问题，实现了实验室小试和规模化制造，提示了含油乳化液废水处理的膜污染机制与模型。

　　引言

　　工业过程和废水处理所产生的重金属污泥，若未加处理会对生态环境和人类健康产生巨大的潜在危害。传统重金属固废处置技术通常是采用水泥封存或其他技术(如络合等)进行转化处理，但是这些方法存在占地面积大或重金属酸性浸出等关键难题，因此迫切需要开发高效的重金属稳定化新策略。

　　热转换法是一种新型、可靠的重金属稳定化新技术，该方法可形成非常稳定的陶瓷晶相，显著降低浸出风险，进而可从重金属污泥制备各种陶瓷产品。

　　作为一类新兴分离介质，无机陶瓷膜因其具有较高的机械、化学和热稳定性以及良好的抗污染性能，日益广泛应用于化工冶金、食品医药、生物和环境工程等分离过程，是一个方兴未艾的高技术产业领域，特别是在含油废水分离等方面有诸多应用潜力。

　　如何实现污泥安全、高附加值资源化，如何降低废水处理陶瓷膜成本，如何实现含油废水经济高效分离是具有挑战性的工程技术难题。

　　因此，本研究从废弃物高值资源化设计制备低成本陶瓷膜理念出发，通过膜晶相和膜结构定量调控实现了不同规格陶瓷膜的实验室制备和规模化制造，并成功应用于含油废水分离，提出了不同流速乳化液油滴的膜污染机理和污染模型。

　　图文导读

　　为了高效、安全地利用废水污泥中的重金属，本研究选择氧化镍(模拟含镍污泥)和铝土矿作为原材料，通过在陶瓷基体中形成更稳定的尖晶石相，高温烧结制备陶瓷膜。

　　NiO与铝土矿物高温反应生成尖晶石NiAl2O4的热转换反应机理如图1所示。首先Ni和Al离子通过尖晶石晶格反扩散，维持晶体的连续生长，在烧结过程中发生三个成相阶段。

　　图1清晰解析了含镍废水污泥与低成本铝土矿制备尖晶石基陶瓷膜过程中NiAl2O4尖晶石的形成机理，根据其形成机理随后对陶瓷膜晶相结构进行了合理调控，并进而制备了两种不同结构的陶瓷膜。

　　图1. NiO与铝土矿物高温反应生成尖晶石NiAl2O4的热转换反应机理示意图

　　对比两种不同的膜结构，LFS-HFCM的平均孔径(0.35 μm)比SS-HFCM(0.36 μm)略小(如图2a);在所有错流流速条件下LFS-HFCM的纯水通量几乎相当于是SS-HFCM的2倍，这主要归因于长指状孔结构的LFS-HFCM，显著降低了跨膜阻力。

　　通过FTIR光谱确定了膜表面丰富的金属羟基(图2c)，水接触角为46°(图2d)，XPS显示了Ni离子完全的进入尖晶石的晶格中，在高温烧结过后实现稳定化处理(图2e,f)。

　　图2. 1250 ℃烧结的中空纤维膜 a)孔径分布图，b)纯水通量，c)FT-IR光谱， d)水接触角;e, f)XPS光谱

　　对所制备的陶瓷膜进行含油乳化液废水截留测试。两种膜在测试前10 min渗透通量快速下降，这主要归因于膜表面形成的污染层。在100 min左右达到稳定值，说明形成了稳定的动态油层。在含油乳液分离过程中，随着错流流速增大，渗透通量显著增加(图3a)。

　　通过研究不同运行操作条件下两种不同结构陶瓷膜的通量和截油率，发现具有长指状孔结构的陶瓷膜(LFS-HFCM)比海绵层结构的陶瓷膜(SS-HFCM)的性能更优越(图3b-3c)，归因于其高度不对称的膜结构和膜表面丰富金属羟基的亲水性，膜通量优于现有陶瓷膜(图3d)。

　　进而，通过实验结果结合模型方程模拟，我们最后提出了不同流速下乳化液油滴的膜污染机理和污染模型。

　　图3.尖晶石中空纤维膜油水分离实验。(a)1250 ℃下烧结制备得到的SS-HFCM和LFS-HFCM在不同流速下化学清洗前后的渗透通量随时间的变化趋势图，(b)LFS-HFCM在不同流速下的截油率随时间变化图，(c)SS-HFCM和LFS-HFCM在固定流速下的截油率比较，(d)本研究与其他工作的通量性能比较。

　　小结与展望

　　本项工作提出了一种工业污泥高值资源化利用的新策略，用于开发低成本、高性能陶瓷分离膜，解决了重金属污泥的安全、高值资源化的处理难题和含油废水(水包油(O/W)乳液)经济、高效分离的问题。

　　该方法可推广到其它重金属污泥衍生的功能陶瓷膜的设计制造和其它水处理应用领域，因此，该研究以期为重金属污泥的安全、高效资源化提供新的研究思路，也为陶瓷膜的设计和低成本制造提供了合理、经济的新方法，是一种“以废治废”新策略，具有环境、经济双重效益和重要的实际应用前景。

　　相关工程技术开发

　　陶瓷膜的规模化制造、膜系统集成和工程应用：除了关注成膜机制和膜内传递机理、膜污染机制、功能化和耦合技术原理等应用基础科学问题之外，面向工业废水处理工程应用，针对商品陶瓷膜成本高、制造周期长等关键工程问题，董应超教授课题组针对特殊环境介质(如高温、强氧化、强酸碱、特殊溶质和有机溶剂特殊组分等)的膜技术污染控制工程应用，开发固废/矿物陶瓷膜的制备和规模化制造技术，我们先后研制出了多种膜材质(莫来石、尖晶石和氧化铝等)、不同规格(多通道管状和微管膜)的低成本陶瓷膜，实现了大型分离膜的结构性能检测及测试、膜组件的优化设计及组装和膜装备的系统集成。并与企业合作将其应用于含油废水和高盐废水处理等工业领域。依托辽宁省工业生态和环境工程中心搭建了陶瓷膜规模化制造设备平台系统(年产5-10万m2陶瓷膜制造的中试生产线)，实现大规格陶瓷膜的规模化制造、检测技术及膜装备的系统集成。

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