纳滤处理燃机电厂清洗废液及膜污染研究_张淳.pdf

DOI：10.19965/ki.iwt.2022-0827第 43 卷第 7 期2023年 7 月Vol.43 No.7Jul.，2023 工业水处理Industrial Water Treatment78纳滤处理燃机电厂清洗废液及膜污染研究张淳1，赵晓丹1，宋欣1，赵琦琦1，陈承启2，杨春艳3，张茂楠1，夏庆1，周振1（1.上海电力大学环境与化学工程学院，上海 201306；2.中国石化上海高桥石油化工有限公司，上海 200129；3.广州珠江天然气发电有限公司，广东广州 511466）摘要 采用 NF 90、NF 270、NF 2001、NF 5001 4 种纳滤膜对燃机电厂压气机清洗废液进行处理，考察操作压力、初始 CODCr、温度和 pH 等因素对纳滤膜性能的影响。结果表明，操作压力为 0.7 MPa时，4种纳滤膜对废液中低分子质量的难生物降解溶解性有机物截留效果均较好，产水水质满足纳管标准（CODCr500 mg/L）。操作压力在一定范围内增加，4 种纳滤膜膜通量和 CODCr截留率呈不同幅度的上升趋势，压力由 0.6 MPa 增加至 1.0 MPa 时，NF 2001产水 CODCr降幅最大（70.73%），NF 5001膜通量增幅最大（28.14%）。初始 CODCr增加使膜通量下降而对 CODCr的截留效果提高，且随着温度由 20 升高至 40，及 pH由 3升至 10，各膜通量均有一定程度的提高。此外，较低温度（20）下 NF 270膜通量较大且不可逆污染值较小，因而在处理压气机清洗废液中具有良好的应用前景。关键词 燃机电厂；清洗废液；纳滤；膜通量；截留率；膜污染中图分类号 X703.1 文献标识码 A 文章编号 1005-829X（2023）07-0078-08Treatment of cleaning wastewater from gas turbine power plant by nanofiltration and its membrane foulingZHANG Chun1，ZHAO Xiaodan1，SONG Xin1，ZHAO Qiqi1，CHEN Chengqi2，YANG Chunyan3，ZHANG Maonan1，XIA Qing1，ZHOU Zhen1（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 201306，China；2.China Petrochemical Shanghai Gaoqiao Petrochemical Co.，Ltd.，Shanghai 200129，China；3.Guangzhou Zhujiang Natural Gas Power Generation Co.，Ltd.，Guangzhou 511466，China）Abstract：Four types of nanofiltration membranes including NF 90，NF 270，NF 2001 and NF 5001，were used for the treatment of gas turbine compressor cleaning wastewater in gas turbine power plant.The effects of operating pressure，initial CODCr，temperature and pH on the performance of nanofiltration membranes were investigated.The results showed that when the operating pressure was 0.7 MPa，the four types of nanofiltration membranes had good retention effects on low molecular weight and refractory dissolved organic compounds in the waste liquid，and the produced water quality met the acceptance standard（CODCr500 mg/L）.The operating pressure increased within a certain range，the flux and CODCr retention rate of the four types of nanofiltration membranes showed varying degrees of increase.When the pressure increased from 0.6 MPa to 1.0 MPa，the CODCr of NF 2001 effluent decreased the most（70.73%），and the membrane flux of NF 5001 increased the most（28.14%）.An increase in initial CODCr resulted in a decrease in membrane flux and an increase in CODCr retention rate.As the temperature increased from 20 to 40 and the pH increased from 3 to 10，the flux of each membrane increased to a certain extent.In addition，at lower temperatures（20），the NF 270 membrane had a larger flux and a smaller irreversible flux value，which made it had a promising application for the treatment of gas turbine compressor cleaning wastewater.Key words：gas turbine power plant；cleaning wastewater；nanofiltration；membrane flux；retention rate；membrane fouling基金项目 国家自然科学基金项目（51878403）；上海市青年科技英才扬帆计划项目（21YF1414900）开放科学（资源服务）标识码（OSID）：79工业水处理 2023-07，43（7）张淳，等：纳滤处理燃机电厂清洗废液及膜污染研究人口的高速增长以及城镇化和工业化的迅速发展导致我国工业水资源污染问题日益严峻，影响各领域的可持续发展1。减少或消除废水排放量，控制污染物排放浓度已成为水污染治理的重要措施。近年来，我国颁布了 工业废水循环利用实施方案 和“十四五”环境影响评价与排污许可工作实施方案等环保政策，对工业废水排放和回用标准的要求日益严格。电力行业废水是我国工业废水的重要组成部分，但目前对燃机电厂压气机清洗废液进行处理的研究较少。燃机电厂压气机清洗废液主要成分为清洗剂，具有溶解性有机物含量高、分子质量小且可生化性较差的特点2，常用的水处理技术，如混凝沉淀技术3、生物降解技术4等独立或组合工艺难以将其去除，而高级氧化技术虽能有效去除溶解性有机物，但药剂消耗量较大且运行成本较高5-6。与上述水处理技术相比，膜分离技术具有设备结构紧凑、能耗低、分离效率高且无需添加化学药剂等优点7，其中纳滤（NF）是一种压力驱动式新型膜分离技术，可在较低的压力下选择性地去除废液中的中低分子质量的溶解性有机物8-9，适用于处理压气机清洗废液。本研究选用 4种纳滤膜分别对压气机清洗废液进行处理，通过研究进水压力、初始 CODCr、温度、pH对纳滤膜通量或截留效果的影响，对比分析 4 种纳滤膜的性能差异。之后通过接触角测定、原子力显微镜（AFM）表征等方法对污染膜进行表征分析，进一步探究纳滤膜性能变化，以期为纳滤膜在燃机电厂清洗废液处理中的应用提供参考。1 材料与方法1.1实验材料实验用水为广东省某燃机电厂压气机清洗废液，其CODCr为2 132 mg/L，B/C=0.003，电导率为620 S/cm，pH为 6.58，浊度为 6.21 NTU。废液经 0.45 m微滤膜过滤后，用纯水稀释至 CODCr分别为 500、1 000、2 000 mg/L，以探究不同浓度废液对纳滤膜性能的影响。采用分子质量测定仪（Nano Brook Omini，布鲁克海文，美国）测定废液中污染物的分子质量分布情况，测试结果表明，分子质量250、250500、500750、7501 000、1 00097%，氯化钠截留率 85%95%）150270 u12（硫酸镁截留率97%，氯化钠截留率 40%60%）约 200 u（硫酸镁截留率 99%，氯化钠截留率 80%）500700 u（硫酸镁截留率 80%90%，氯化钠截留率 20%30%）耐受温度/045045045050正常运行 pH211310211211厂家陶氏化学陶氏化学国初科技国初科技图 2实验装置及处理流程Fig.2 Experimental equipment and processing flow chart81工业水处理 2023-07，43（7）张淳，等：纳滤处理燃机电厂清洗废液及膜污染研究2.1.2初始 CODCr对截留效果的影响在室温、操作压力 0.7 MPa 条件下运行纳滤膜装置 30 min，考察 4种纳滤膜对不同初始 CODCr废液的处理效果，实验结果见图 4。图 3不同操作压力下产水 CODCr和膜通量变化Fig.3 Changes of CODCr in produced water and membrane flux under different operating pressures图 4不同初始 CODCr下 CODCr截留率和膜通量变化Fig.4 Changes of CODCr retention rate and membrane flux under different initial CODCr试验研究工业水处理 2023-07，43（7）82由图4可知，与NF 270、NF 5001相比，因NF 90和NF 2001截留分子质量较小，空间位阻效应较强，因此有机物截留率较高19，且初始 CODCr对二者的截留率和膜通量均无显著性影响，当初始 CODCr由 500 mg/L增加至2 000 mg/L时，二者的CODCr截留率仅分别上升了 1.95%、2.08%。相对来讲，初始 CODCr对 NF 270和NF 5001的CODCr截留率和膜通量影响较大，这可能是因为 NF 270和 NF 5001的筛分效应较弱，其截留率较低，当初始CODCr增加，有机污染物更易在纳滤膜表面形成边界层，加剧浓差极化，溶质透过阻力增大20，致使截留率有一定程度的上升，同时膜通量显著下降。此外，高浓度有机污染物聚集在膜表面层造成的协同空间位阻效应也进一步提高了截留率。2.1.3温度和 pH对膜通量的影响在操作压力 0.7 MPa下运行纳滤膜装置，考察温度和pH对4种纳滤膜通量的影响，实验结果见图5。图5（a）所示为在 20、40 温度下，采用纯水运行纳滤膜 30 min时，4种纳滤膜的纯水通量。由图 5（a）可知，温度升高，水分子热运动剧烈，纯水黏度降低从而导致纯水扩散系数增大21，4种纳滤膜的纯水通量均有所提升。其中，NF 270纯水通量增幅大于其他3种纳滤膜，这可能是因为温度增加不仅使纯水扩散系数增大，同时使得该纳滤膜高分子聚