织物基载体在含盐废水蒸发处理中的应用.pdf

第41卷第8期 2020年8月 纺织学报 Jo u rn al o f Te x t il e Re se arc h Vo l .41, No .8 Au g ., 2020 DOI 10. 13475/j.f zx b.20190406807 织物基载体在含盐废水蒸发处理中的应用 刘捷12 ,仝胜录2,李小端12 ,刘立国2，何加浩3 ,李文斌3，熊日华12 1.北京低碳清洁能源研究院，北京102211； 2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京100011； 3.武汉纺织大学湖北省纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室培育基地，湖北武汉430200 摘要针对含盐废水蒸发处理工艺复杂、效率低、成本高等问题，利用纺织品具有孔隙率高、透气性好、传湿快和光 热转换性能可控等特性,将其作为含盐废水的流动以及蒸发载体进行实验，研究其厚度、透气性、颜色和纳米碳化错 后整理对含盐废水蒸发速率的影响结果表明含盐废水在织物表面的蒸发速率比在自然状态下蒸发提高了 400 ； 厚度为0.48 mm的织物相比于1.32 mm的织物，含盐废水蒸发速率提高了 63；透气率为126.7 L/ e -m2的织物相 比于53.9 L/ e -m2的织物，含盐废水蒸发速率提升了 56. 9 ；黑色织物对含盐废水蒸发速率的促进作用相比于白色 织物提高了 30.3；采用纳米碳化错整理后白色织物表面含盐废水的蒸发速率相比未处理织物提升了 95. 30 关键词 含盐废水；蒸发速率；织物厚度；织物透气性；纳米碳化错 中图分类号TS 199 文献标志码A Applic at io n o f t ext ile in evapo rat io n t reat ment o f saline wast ewat er LIU Oie1,2, TONG Sh e n g l u1,2, LI Xiro du an1,2, LIU Lig u o1,2, HE Jiah ao3, LI We n bin3 , XIUNG Rih u a1,2 1. National Institute of Clean-and-Low-Carbon EnergyNational Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, BeijingBeijing 102211, ChinaChina ； 2. State Key Laboratory ofState Key Laboratory of Water Resource Protectioo and Utilizatioo in Coal MiningWater Resource Protectioo and Utilizatioo in Coal Mining, BeijingBeijing 100011, ChinaChina ； 3. State Key LaboratoryState Key Laboratory of Textile New Materials and Advancei Processing Technology in Hubei, Provinceof Textile New Materials and Advancei Processing Technology in Hubei, Province, Wuhan Textile UniversityWuhan Textile University, WuhanWuhan, Hubei,Hubei, 430200 , ChinaChina Abst rac t Aimin g ai t h e pro bl e me su c h ae c o mpl e x it y, l o w -e f f ic ie n c y, an d h ig h -c o st in e v apo rat io n t re at me n t o f sal in e w ast e w at e r, t e x t il e s w e re u se d as t h e f l o w an d e v apo rat io n c o rrie r f o r sal in e w ast e w at e r, w h ic h are f e at u re d by h ig h po ro sit y, air pe rme abil it y, f ae t mo ist u re t ran sf e r an d c o n t ro l l abl e ph o t o t h e rmai c o n v e rsio n pe rf o rman c e . Ex pe rime n t t w e re c o n du c t e d t o st u dy t h e e f f e c t s o f t h e t h ic kn e se , air pe rme abil it y, c o l o r an d n an o -zirc o n iu m c o rbide f in ish in g o n t h e e v apo rat io n rat t o f sal in e w ast e w at e r. Th e re su l t s sh o w t h at t h e e v apo rat io n rat e o f t h e sal in e w ast e w at e r o n t h e f abric su rf ac o is in c re ase d by 400 c o mpare d t e t h e n at u rai e t at e . Th e e v apo rat io n rat e o f t h e e al in e w ast e w at e r w it h a t h ic kn e se o f 0. 48 mm f abric is in c re ase d by 63 c o mpare d t e t h at o f a 1. 32 mm f abric . Th e e v apo rat io n rat e o f t h e f abric w it h air pe rme abil it y 126. 7 L/ s * m2 i 56. 9 h ig h e r t h an t h at o f a 53. 9 L/ s * m2 f abrio. Bl ac k f abric s h av a a 30. 3 in c re ase in pro mo t in g t h e sal in e w ast e w at e r e v apo rat io n c o mpare d t e w h it e f abric s. Th e e v apo rat io n rat e o f sal in e w ast w at e r o n su rf ac o o f t h e w h it e f abric s t re at e d w it h n an o - ii ao o n iu m oa abide ie in o ae ae e d by95.3 o o mpaae d t o t h e o aig in aiaabaio . Keywo rds sal in e w ast e w at e r ； e v apo rat io n rat e ； f abric t h ic kn e ss； f abric pe rme abil it y ； n an o - ii ao n iu m 6aabide 在采油、炼化、煤化工等行业生产过程中,不可 泛，含盐量高，成分复杂［1］,被认为是最难处理的工 避免地会产生大量含盐废水,这些含盐废水来源广 业废水［2「3］。目前,末端浓盐水主要采用机械再压 收稿日期2019-04-23 修回日期2020-04-02 基金项目国家能源集团科技创新计划资助项目GJNY-18-71 第一作者刘捷1987,男，高级工程师，博士。主要研究方向为工业废水处理。 通信作者李文斌1978,男，教授，博士。主要研究方向为功能纺织品。E-maill i780713 126.c o m。 -82 -纺织学报第41卷 缩循环蒸发技术（MVR）［ 4）、多效蒸发器蒸发技 术（MED）［5］或蒸发塘⑷等技术进行处理上述方 法中,MVR、MED是利用电能或者热能对低品位水 蒸气加热加压后，将其转化为高品位水蒸气，再通过 冷凝产生大量的热量从而使得含盐废水蒸发,该类 方法虽然具有占地小、效率高的特点,但能耗高和处 理费用昂贵制约了其发展［］;蒸发塘技术是直接将 含盐废水输送至蒸发塘,通过自然蒸发实现水盐分 离，该方法虽然具有能耗小、成本低的优点，但缺点 是占地面积大、蒸发效率低下［8］,因此,众多环境科 学工作者们致力于研究更环保、更高效的含盐废水 处理方法。 近年来,人们提出采用一种太阳能蒸发的浮式 结构［E］用于盐水蒸发处理,该结构能够有效利用光 热转化材料的特性,将太阳能转化的热能用于盐水 或者海水的高效蒸发,从而达到脱盐或者淡化处理 的目的［10］o目前，太阳能驱动蒸发的光热转化材料 主要有硅基材料［11］、金属材料［12］和碳基材料［13］ 等,该类材料对太阳光（波长范围为400 - 2 500 n m［14］）的吸收率均在92以上［15］,因此,能 够有效地将太阳能转化为热能,然而硅基材料以及 碳基材料成本高昂，不适宜大规模工业化生产模式’ 基于上述太阳能蒸发的浮式结构,并针对其存 在成本高的问题,本文提出利用纺织品具备可快速 进行湿交换、透气性好、光热转换效率可调整等特 点［16］，将其作为含盐废水处理的流动和蒸发载体, 并研究织物厚度、透气性以及颜色对含盐废水蒸发 速率的影响’此外本文利用纳米碳化错［17］高效的 吸热蓄热能力，对织物进行纳米碳化错后整理，探究 纳米碳化错整理对含盐废水蒸发速率的影响’ 1实验部分 1.1材料与设备 材料工业含盐废水（质量分数为14. 4,取自 某煤化工废水的蒸发塘,其成分如表1所示）;15种 不同规格型号的白色涤纶织物,由天台品优滤布有 限公司提供,分别记为115样品,织物规格及参 数如表2所示；纳米碳化错（ZrC,粒径为50 - 300 n m,智利金属冶金有限公司）;聚氨酯（日本三 菱树脂株式会社）;N, N-二甲基甲酰胺（DMF,国药 集团化学试剂北京有限公司）。 设备悬挂式蒸发架（自制）;S0B0WP-4500型 水泵（深圳市兴日生实业有限公司）；FA224型电子天 平（上海书培实验设备有限公司）；FLIR型红外成像 仪（世界第六感美国菲力尔公司）;HD026PC 表1煤化工含盐废水成分 Tab.1 Co mpo sit io n o f c o al c h emic al saline wast ewat er 成分 质量浓度/ mg -V1 成分 质量浓度/ （mg -L-） 钾193硫酸盐 9.73o 104 钠1. 30X104氟化物29.2 钙778重碳酸盐283 镁1. 27X103硝酸盐310 铝0. 199亚硝酸盐9.78 總19. 9亚硫酸盐1 锌0.785氯化物2. 90X103 钱盐/氨氮 2. 67X104 总硬度 881 NH4n以 CaC03 计 表2涤纶织物的规格参数 Tab.2 Po lyest er fabric spec ific at io n paramet ers 试样 编号 组织 结构- 断裂强力/N 透气率/ -L51 -m-2 厚度/ mm 经向纬向 1平纹3 5982 95466.01.00 2平纹2 0721 633135.90.65 3 缎纹1 4751 184122.70.74 4平纹1 93673017.70.58 5 平纹2 0261 48597.00.78 6 平纹2 5941 48565.40.78 7 斜纹3 4982 84463.91.25 8 平纹1 7201 45471.00.48 9 平纹2 3261 98572.00.68 10 平纹2 5752 18465.00.71 11 平纹3 4482 84452.01.32 12 平纹2 9982 34453.91.05 13 平纹3 0942 48555.41.03 14 平纹2 0761 435107.00.97 15 平纹1 5251 314126.70.95 型织物厚度仪（温州百恩仪器有限公司）;YG003A 型织物强力仪（上海和晟仪器科技有限公司）; SG461-III型织物透气性测试仪（常州市双固顿达 机电科技有限公司）;IR-24M型高温高压染色 机（广州市鸿靖实验设备有限公司）;DHG101-0A 型烘箱（上海东麓仪器设备有限公司）;HF-GHX- XE-300型模拟光源（上海比朗仪器制造有限公 司）。 1.2含盐废水蒸发实验 将涤纶织物裁剪成40 c mX40 c m,安装在如图1 所示的含盐废水蒸发装置（悬挂式蒸发架）中；将蒸 发装置放置于恒温恒湿实验室中，并设定环境温度为 30 i,相对湿度为40;在量筒中装入1 000 mL工 业含盐废水，打开水泵开始供水，供水速率为 100 miymin,等待60 min,待织物完全润湿后,记录此 时量筒中水的质量；开启模拟光源，光照强度为 1 kW/m2 ,每隔1 h记录量筒中含盐废水的剩余质量。 织物含盐废水蒸发速率计算公式为 一 mi-1 第期刘 捷 等织物基载体在含盐废水蒸发处理中的应用・83・ 图1含盐废水蒸发实验装置示意图 Fig .l Ex pe rime n t al sc h e mat ic diag ram o f sal in e w ast e w at e a e v apo rat io n 式中（为蒸发速率,g /（m・h ; ＜为含盐废水质 量，/； 为测量次数； ＞ 为织物面积，m ; 5为测试时 间,h 1.3织物染色实验 采用高温染色法对织物进行染色,压力为 2.02o l 0Pa,染浴温度为120〜130 C。具体染色 工艺为将4种染料分散蓝、分散红、分散黄和分 散黑按照一定配比制成各种颜色的染色液,染料 用量为4（ o .w .f）,浴比为120 ,具体染料配比如 表3所示；选取40 c mx 40 c m的1白色涤纶织物, 放入高温高压染色机中,按表3配比染色3 h,最 高温度为120 C ；取岀织物,在清水中冲洗去除多 余染料后,在烘箱中于110 C烘干进行含盐废水 蒸发实验。 表3不同颜色染料质量配比 Tab.3 Dye rat io o f different c o lo rs 颜色染料及配比颜色染料及配比 青色 ＜＜（分散黄％ ＜（分散蓝）11 黑色分散黑 黄色分散黄橙色 ＜＜（分散黄） ＜＜（分散蓝）1 蓝色分散蓝红色 ＜＜（分散黄） ＜＜（分散蓝）9 1 绿色 ＜＜（分散黄％ ＜（分散蓝）7 3 白色原坯布 1.4纳米碳化错后整理实验 首先将聚氨酯颗粒溶解于DMF中,获得质量分 数为5的聚氨酯溶液;然后将纳米碳化错（ZrC）颗 粒加入到上述聚氨酯溶液中,配制成ZC质量分数 为5的整理剂；最后将1白色涤纶织物及其染色 后的黑色涤纶织物浸渍在整理剂中,通过轧车昆机浸 轧30次,待整理剂充分渗入织物后放入烘箱于 90 C烘干4 h,洗净自然晾干后得到ZC整理织 物,进行含盐废水蒸发实验。 1.5织物光热转化性能测试 光热转化指物体将吸收的太阳光辐射集中 起来转化为热能的过程,通常会以物体温度升高 的形式表现岀来（18],因此,本文实验选取各种颜 色的涤纶织物水平放置在模拟太阳光源下,使用 红外成像仪采集织物表面的初始温度；调整模拟 光源的光照强度以及焦点大小和位置,使光照的 焦点以及面积刚好覆盖在织物表面,模拟太阳光 强为3 W/m2 ,光照1 min后采集织物表面焦点 处的温度。 1.6织物透气性测试 依据GB/T 5453 1997纺织品织物透气性 的测定，采用织物透气性测试仪对织物的透气 性能进行检测，测试面积为50 c m2,压降为 200 Pa。 结果与讨论 2・・】织物规格对含盐废水蒸发速率的影响 为证明含盐废水在织物表面蒸发速率高于无织 物状态下的蒸发速率,对1〜7涤纶织物进行含盐 废水蒸发实验，并将含盐废水在无织物状态下的自 然蒸发作为空白样（蒸发面积为40 c mx 40 c m,记为 0样品）,测试结果如图2所示。 图2不同织物样品的含盐废水蒸发速率 Fig .2 Ev apo rat io n rat e o f sal in e w ast e w at e a o n dif f e re n t f aDCc sampl e c 由图2可知，1〜7涤纶织物在相同环境温湿 度条件下,蒸发速率分别为0.66、0.70、0.67、 ・84・纺织学报第41卷 0.42、0.55、0.51、0.61 g / m2 - h ,均高于空白 样0 的蒸发速率0.14 // m2・h,因此可证 明含盐废水在织物表面的蒸发速率要高于含盐废 水在无织物状态下的蒸发速率,含盐废水在2织 物表面的蒸发速率相比于空白样提高了 400。 除此之外,在不同织物表面含盐废水的蒸发速率 也有较大差异,这可能是由于织物的厚度、透气性 等因素造成的。实验证明,1、2、3涤纶织物对含 盐废水蒸发促进效果最好。综合考虑织物的力学 性能,后续染色实验选定1织物为含盐废水蒸发 的标准织物。 2.2织物厚度对含盐废水蒸发速率的影响 织物厚度对含盐废水在织物内部发生转移具有 较大影响,而含盐废水蒸发几乎只发生在织物表面, 因此,探究了织物厚度对含盐废水蒸发速率的影响。 分别选用1、8、9 其次是织物透气性越强,说明织物在厚度方向上 的孔径越大或越多,即含盐废水的湿扩散通道越大 或者越多,从而导致织物内部的水分扩散至织物表 面进行蒸发的速度越快20 o 2. 4织物颜色对含盐废水蒸发速率的影响 温度对含盐废水蒸发速率影响显著,而织物颜 第期刘 捷 等织物基载体在含盐废水蒸发处理中的应用・85・ 色决定其对太阳光的吸收效果,对染色后的1织物 进行含盐废水蒸发实验,研究白色、黑色、红色、蓝 色、青色、绿色、黄色以及橙色8种颜色的涤纶织物 对含盐废水蒸发的促进作用,实验结果如图4所示。 可知,白色、黄色、橙色、绿色、蓝色、红色、青色以及 黑色织物的含盐废水蒸发速率分别为0. 66、068、 0. 69、0. 70、0. 71、0. 78、0. 80、0. 86 g / m2・h,黑 色织物的蒸发速率相比于白色织物提高了 30.3。 实验证明,黑色织物对太阳光的吸收效果最好,因 此，黑色对含盐废水的蒸发作用最强,而白色最弱。 Tqrulm/槪瞰浪轆 图4含盐废水在不同颜色织物表面的蒸发速率 Fig .4 Ev v po rat io n rat e o f sal in e w ast e w at e a w it h dif f e re n t c c l o re d f abric a 为进一步证明黑色织物的光热转换效果最好, 测试了各种颜色织物在模拟光源下的升温温度,结 果如表6所示。 saline wast ewat er evapo rat io n rat e C 表6织物颜色对其光热转换效果的影响 Tab.6 Relat io nsh ip bet ween fabric c o lo r and 织物颜色初始温度最终温度温差 黑色26. 948. 221. 3 青色26.638. 211. 6 红色27. 237.410. 2 蓝色27. 337.410. 1 绿色26.434. 58.1 橙色26.934.98.0 黄色27.233.66.4 白色27.233. 66.4 由表6可知，黑色织物的温差21.3 C 比白色 织物6. 4 C 高233. 3,不同颜色织物上太阳光吸 收强弱次序依次为黑〉青〉红〉蓝〉绿〉橙〉黄二白。 这主要是由于不透明物体的颜色由其反射的可见光 种类决定,黑色物体能吸收所有种类的可见光,而白 色物体则反射所有的可见光21 ],因此,黑色织物吸 收光线后能量积累最多,温度升高最快,从而导致蒸 发速率最快,而白色织物几乎不吸收光线,所以能量 积累最少,温度升高最慢,从而导致蒸发速率最低。 2・ ・5含盐废水质量分数对烝发速率的影响 为研究上述实验中黑色涤纶织物上不同质量分 数含盐废水的蒸发速率，通过对含盐废水进行预蒸 发浓缩或加入去离子水稀释,调节其初始质量分数 分别为5、10、15、20,测试其在黑色涤纶织 物表面的蒸发速率,并将无织物状态下的含盐废水 蒸发作为空白样蒸发面积为40 c mx 40 c m,测试 结果如图5所示 Tqrul旦 /槪做换灘 图5不同质量分数含盐废水的蒸发速率 Fig .5 Ev apo rat io n rat e s o f sal in e w ast e w at e r w it h dOf e re n i mast f rac t io n a 由图5可知,含盐废水的蒸发速率随其质量分 数的上升而下降,在质量分数为20时,其在黑色 涤纶织物表面的蒸发速率为5时的63.2。这是 因为溶液中的离子浓度越高其内聚力也越大22],蒸 发所需能量也就越大，即越不易蒸发,从而导致水分 子蒸发速率降低。除此之外,当质量分数为5时, 含盐废水在织物表面蒸发速率为1. 14 g /m2・h, 为无织物状态下的5. 7倍;质量分数为20时，含盐 废水的蒸发速率为0. 72 // m2・h,为无织物状态 下的7. 2倍,这说明黑色涤纶织物对5-20质量 分数的含盐废水蒸发均具有促进作用。 2. 6 ZrC后整理对含盐废水蒸发速率影响 上述实验证明，织物表面温度是影响其蒸发速 率的主要因素之一，因此,为进一步增加织物对太阳 能的光热转化效率,提高含盐废水的蒸发速率,采用 具有高效光热转化能力的材料纳米碳化错23以寸织 物进行涂覆后整理,以提高涤纶织物的光热转化效 率。将整理前后涤纶织物进行含盐废水蒸发实验, 结果如图6所示。整理后白色织物表面的蒸发速率 为1. 19 //m2・h,相比于未整理白色织物提高了 95.3；而整理后黑色织物的蒸发速率达到 1.38 g /m2・h,相比于未整理黑色织物提高了 59.6。结果表明,纳米碳化错整理剂整理后的涤 纶织物对含盐废水蒸发具有促进作用。 为进一步验证纳米碳化错整理剂对织物光热转 ・86・纺织学报第41卷 织物名称 图6纳米碳化错整理前后织物的含盐废水蒸发速率 Fig .6 Sait w ast e w at e e e v v po rat io n rat e o f f abric s be f o re an d af t e r ZrC t re e t me n t 7 U I . - s 」 / 虻柬 图7纳米碳化错整理前后织物透气性变化 Fig .7 Air pe rme abil it y c h an g e o f f abric be f o re an d af t e r ZrC t re at me n t 化性能的优化作用,采用红外摄像仪记录了整理前 后织物在模拟光源下表面温度的变化情况,测试结 果如表7所示。可知在模拟光源下,纳米碳化错整 理后白色织物的表面温度为58.4 i ,温差相比于未 整理前提高了 393.8；而纳米碳化错整理后黑色 织物的表面温度为71.7 i ,温差相比于未整理前提 高了 109.4。这是因为纳米碳化错本身为黑色, 整理后白色织物颜色变为黑色[24],能量吸收与释放 均快于未整理的原织物;除此之外,纳米碳化错为高 吸热材料,对太阳光的吸收和转化效率非常高,所以 纳米碳化错可进一步增强黑色织物的红外吸收性 能,从而促进含盐废水蒸发。 表7纳米碳化错整理前后织物表面温度变化 Tab.7 Surfac e t emperat ure c h ange o f fabric s befo re and aft er ZrC t rrat menU i 织物名称初始温度最终温度温差 整理前白色织物27. 233. 66.4 整理前黑色织物26. 948. 221.3 整理后白色织物26. 858.431.6 整理后黑色织物27. 11. 744.6 为验证纳米碳化错整理剂对织物透气性能的影 响,整理前后织物的透气性测试结果如图7所示。 由图7可知,纳米碳化错整理剂整理后白色以及 黑色织物的透气性均降低,白色织物透气性降低了 22.7,黑色织物降低了 23.6。这是因为纳米碳化 错整理剂中的聚氨酯和纳米碳化错粉体会填充在织 物孔隙间，从而影响织物的透气性。在2.3节中验证 了透气性越弱，含盐废水蒸发速率越低,但纳米碳化 错优良的光热转化能力可弥补透气性降低的不足。 3结论 本文采用悬挂蒸发装置将含盐废水在织物表面 进行蒸发,其蒸发速率相比于无织物状态下提高了 400 ,实验证明纺织品应用于含盐废水蒸发处理领 域具有一定的可行性。 1 织物厚度和透气性对含盐废水的蒸发速率 影响较大，随着织物厚度的增加,其含盐废水蒸发速 率随之减小,厚度为0.48 mm织物相比于1.32 mm 织物的含盐废水蒸发速率提高了 63；随着织物透 气性增大,其含盐废水蒸发速率随之升高,透气率为 126.7 L/ s・m2 织物相比于53.9 L/ s・m2 织物提 升了 56.9。 2 在相同条件下，不同颜色织物表面含盐废水 蒸发速率次序为黑〉青〉红〉蓝〉绿〉橙〉黄〉白。黑 色织物的蒸发速率相比于白色织物提高了 30. 3。 3含盐废水的质量分数越高,其蒸发速率越 低，质量分数为20时,其在黑色涤纶织物表面的 蒸发速率为5时的63.2。含盐废水质量分数为 5〜20时,其在黑色涤纶织物表面的蒸发速率均 优于无织物状态的蒸发速率,在质量分数为20 时,其含盐废水蒸发速率为无织物状态下的7. 2倍。 4对织物进行纳米碳化错整理后,织物的透气 性发生了下降,但其光热转化能力得到明显提升,在 相同条件下,纳米碳化错整理后，含盐废水在白色涤 纶织物表面的蒸发速率相比于未整理的织物提高了 95.3。 FZXB 参考文献 1 ]赵欣梅，王万福，张晓飞，等.炼化浓盐水处理与资 源化工艺探讨J] 油气田环境保护，2011, 21 1 11-14. 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