专利名称：一种草浆黑液的微滤膜分离技术的制作方法
技术领域：
本发明属于环境保护的水处理和污水治理技术领域，特别是提供了一种草浆黑液的微滤膜分离技术，适用于草浆造纸厂的黑液处理和回用。
背景技术：
以稻草、麦草为原料的造纸厂在蒸煮草类原料时产生的黑液是中国造纸特有的废液，黑液有机和无机组成复杂、热值低、粘度高、硅含量高，环境污染严重难以有效的治理，传统处理方法是“碱回收”，但“碱回收”是国外基于木浆造纸开发的技术，不适应草浆造纸的特点，有诸多缺点。国外还有其他一些处理草浆造纸的技术，包括气化焚烧、UASB厌氧处理等，其基本原理与工艺也与本发明无关。
从处理的对象来看，国内大量使用的是碱回收技术处理黑液，处理的工艺也被厂家称为“碱回收”工艺或碱回收工段(车间)，虽然它的原理和工艺流程都与本发明无关，但同是处理黑液，可以做一比较。
有关碱回收技术的介绍，最权威和对中国企业最具指导性的文献是轻工业出版社1977年版《造纸工业碱回收》，由于当时处于“文革”，因此作者署名是造纸工业碱回收编写组。
碱回收技术的基本流程是黑液蒸发(包括一效、两效、三效、四效甚至是五效串连的蒸发器)，黑液被蒸发后，形成半固体，在碱回收炉内由喷射器喷射燃烧，燃烧后所得灰渣，再经过绿液苛化、白泥回收等多步复杂的工艺过程，回收黑液中有效碱，提供给蒸煮工段。该技术最早是国外基于木浆造纸开发的技术，被引入中国后，不适应中国草浆造纸的特点，缺点体现在1.设备投资巨大，一套完整的碱回收设备需要上千万人民币，造纸工业是微利行业，不能靠单个产品，只能靠产量来盈利，因此大多数中小产量的厂家只能简化处理。
2.开车运行时，能耗太高，由于采用一效、两效、三效、四效甚至是五效、六效串连的蒸发器来蒸发黑液，需要耗用大量的电力或煤炭，喷射燃烧时还需要重油辅助。很多厂家就是能买的起，也用不起。
3.本身的工艺流程极其复杂，控制点多，工艺条件要求苛刻。一套完整的碱回收设备需要至少十名工人、两名技术员来操作。
4.国外是木材作为造纸原料，木材中硅含量少，国内是稻麦草为原料，含有大量的硅，硅溶解在黑液中，碱回收蒸发时析出，堵塞蒸发器，容易造成事故，在蒸发器表面结垢，降低蒸发效率，延长蒸发时间，更加剧了能量的耗用。这个问题称为碱回收的“硅干扰”。
5.占地面积较大，且是楼式建筑，大型碱回收设备占地几百多平方，高达4-5层。
当然，碱回收技术也有自己的优点，它比较适合规模化的生产，如果造纸企业年产量在十万吨以上，采用这项技术就比较合适。如果造纸企业的原材料是木材，采用这项技术也比较合适。但目前我国造纸企业的现状是中小厂家众多，年产量多在五万吨以下，稻麦草资源丰富，价格低，造纸原材料绝大多数是草类。
从膜法处理污水本身来看，与本发明相关的黑液处理包括反渗透膜处理、纳滤膜处理、超滤膜处理三种，均有科技论文报道，但是并不详尽，有的仅是一篇文献中的某一部分，都是科研机构实验室内实验性质的研究。例如S.Jonsson和R.Winnerstend在Desalination杂志上发表的The Application of membrane technology in the pulpand paper industry一文(1985，53181-196)。这三种膜处理黑液与本发明主要不同之处在于膜材料的孔径不同，本发明选用的微滤膜孔径范围在0.1微米至100微米之间。而反渗透膜、纳滤膜、超滤膜的孔径范围均小于50纳米。
膜材料不同，本发明采用的微滤膜是由无机陶瓷材料制备，耐黑液的碱性腐蚀和高温。而处理黑液的反渗透膜、纳滤膜、超滤膜为有机材料和高分子材料。
处理黑液的工艺流程不同，采用微滤膜分离技术后，已处理的黑液直接回用，返回草浆造纸的蒸煮工段，继续使用。
黑液本身不同，反渗透膜处理、纳滤膜处理、超滤膜处理的黑液是国外采用木材造纸产生的黑液，采用微滤膜分离技术处理的黑液是国内采用稻麦草造纸产生的黑液，两种黑液内化合物的种类和含量有差别，例如木材造纸产生的黑液几乎不含硅，而采用微滤膜分离技术处理黑液的目的之一就是要解决稻麦草黑液含硅量高的问题。
目前尚未见草浆黑液的微滤膜分离技术的报道。已有的报道均为本发明申请人撰写的科技论文。分别为刘广立施汉昌等，无机膜处理造纸黑液的研究，给水排水，2001，27(11)49-51刘广立 施汉昌等，无机微滤膜分离草浆黑液中木素的机理，环境科学，2002，23(2)60-64刘广立 施汉昌等，无机微滤膜过滤阻力的研究，环境污染治理技术与设备，2002，3(1)15-18刘广立 常玉 施汉昌等，在超滤草浆黑液过程中膜阻力的分布，中国环境科学，2001，21(6)560-563刘广立 施汉昌等，微滤膜和超滤膜对草浆黑液截留性能的研究，环境化学已接受刘广立 施汉昌等，Application of Micro-filtration and Ultra-filtration for the Treatmentof Black Liquor，International Conference on Environmental Concerns andEmerging Abatement Technologies，Beijing，2001.9徐农 施汉昌 钱易等无机膜过滤黑液的操作条件选择，环境科学研究徐农 刘广立 施汉昌等陶瓷微滤膜过滤黑液的清洗与再生，重庆环境科学。
发明内容
本发明的目的在于解决蒸发能耗、控制操作困难和“硅干扰”的问题，且回用快速直接，回用物质无损失，以适宜中国以稻麦草为原料的中小造纸厂家。
从生产工艺的角度出发，本发明主要是处理黑液，回用黑液中有效物质，涉及的工艺流程包括蒸煮、喷放、提取黑液。形成工艺循环的是处理黑液，回用黑液中有效物质到蒸煮，蒸煮，喷放，提取黑液，再次处理黑液，再次回用黑液，蒸煮，喷放，提取黑液，再次处理，再次回用……象这样不断循环。
首先将黑液引入储槽，并均匀混合；然后处理黑液，回用黑液中有效物质是由微滤膜分离技术来完成和实现的，即采用微滤膜过滤的方法来过滤草浆黑液，通过动力泵将储槽内黑液输送至微滤膜的膜面分离。
处理黑液，回用黑液中有效物质，蒸煮，喷放，提取黑液，这五个步骤形成相对独立的生产工艺。在这个相对独立的生产工艺中，处理黑液，回用黑液中有效物质是由微滤膜分离技术来完成和实现的。
具体来说即是采用微滤膜过滤的方法来过滤草浆黑液，这是一个物理过程，采用微滤膜过滤草类蒸煮后提取出的黑液，选用的微滤膜孔径范围在0.1微米至100微米之间，膜层是由氧化铝或氧化锆材料制备。
过滤后的滤液称为渗透液，渗透液中总碱及有效碱等含钠离子的化合物含量并不减少，维持在原有水平。渗透液直接回用，回到蒸煮工段继续配碱使用。
微滤膜过滤黑液时，必须控制一定的流速、压力和温度让黑液流经微滤膜面，流速为15m/s～5m/s，压力为0.8MPa～0.1Mpa，温度范围为30-120℃，才可达到去除污染物(COD去除率大于70％；木素和硅的去除率大于80％)，渗透液直接回用蒸煮工段的目的。
本发明的优点在于1、采用微滤膜分离技术代替碱回收技术的多效蒸发，这样就大大减少了设备投资和能耗，如果采用本发明，对年产量五万吨的厂家，设备投资在二、三百万元，能耗仅有多效蒸发的五分之一。
2、工艺流程简单，主要处理设备就是微滤膜，附属设备是储槽、泵和连接管道。工艺条件要求低，只要控制流速、温度和压力，完全可以实现自动控制，只需要1-2名工人管理。
3、没有“硅干扰”问题，本发明硅的去除率大于80％，可以将硅在本发明内部去除，既不影响本身的操作，也给后续工艺带来了方便。
占地面积小，几十平方米的空地即可安装和操作，更不需要盖楼。
4、COD去除率和木素的去除率也较高，且不损失总碱和有效碱，因此过滤而出的渗透液可以立即回用蒸煮工段(当然也只能回用蒸煮工段)；而不象碱回收经过复杂多步的处理后再回用有效碱类，复杂多步的处理包括液-固-液的多次转化，也容易损失可回用的有效物质。
具体实施例方式
其具体的实施和操作方式为第一步黑液引入储槽。
将稻麦草蒸煮后提取机械(提取机械是厂家本身原有的机械，可以是真空鼓式、挤压式、双螺旋式、水平带式等)提取出的黑液(pH在11，温度65摄氏度，波美度8)引入黑液储槽(单个储槽体积10立方米，一共四个，储槽本身的材质是碳钢，储槽本身的几何形状是立方型。)，此时储槽内黑液的COD在10万毫克每升，木素在18克每升，硅的含量3.5克每升，总碱含量在20克每升，有效碱含量在4克每升。第一步操作的目的是存储并均匀混合待处理的液体。
第二步微滤膜分离黑液。
通过动力泵(标准工业离心泵，立式泵型且叶轮经过防腐处理，电机功率22千瓦，扬程60米水柱)将储槽内黑液输送至微滤膜的膜面分离。膜孔径范围为0.2微米，膜层材料是氧化锆。输送过程中管道直径在60毫米，管道材质为碳钢。在一定的流速、压力、和温度下实现膜对黑液的过滤分离，针对本条件的实施例，操作时流速7m/s。压力在0.5Mpa。温度波动范围是65±3℃。过滤而出的渗透液(COD去除率大于70％，为1.5万毫克每升；木素和硅的去除率大于80％，分别为3.2克每升和小于0.3克每升，原有的总碱和有效碱含量不变)立即直接返回稻麦草的蒸煮工段，注入蒸球，作为蒸煮液配碱继续使用。第二步操作的目的是处理黑液并回用黑液中有效物质。
权利要求
1.一种草浆黑液的微滤膜分离技术，其特征在于工艺流程包括处理黑液，回用黑液中有效物质，蒸煮，喷放，提取黑液，这五个步骤形成相对独立并循环工艺处理黑液，回用黑液中有效物质到蒸煮，喷放，提取黑液，再次处理黑液，再次回用黑液，蒸煮，喷放，提取黑液，再次处理，再次回用，这样不断循环；具体工艺为a、黑液引入储槽，并均匀混合；b、处理黑液，回用黑液中有效物质，通过动力泵将储槽内黑液输送至微滤膜的膜面分离，选用的微滤膜孔径范围在0.1～100微米之间，膜层是由氧化铝或氧化锆材料制备；微滤膜过滤黑液控制流速为15m/s～5m/s，压力为0.8MPa～0.1Mpa，温度为30～120℃；c、过滤后的滤液称为渗透液，渗透液直接回用，回到蒸煮工段继续配碱使用。
全文摘要
本发明提供了一种草浆黑液的微滤膜分离技术，其特征在于工艺流程包括处理黑液，回用黑液中有效物质，蒸煮，喷放，提取黑液，这五个步骤形成相对独立工艺，并形成工艺循环具体工艺为将黑液引入储槽，并均匀混合；通过动力泵将储槽内黑液输送至微滤膜的膜面分离，选用的微滤膜孔径范围在0.1～100微米之间，膜层是由氧化铝或氧化锆材料制备；微滤膜过滤黑液控制流速为15m/s～5m/s，压力为0.8MPa～0.1Mpa，温度为30～120℃；过滤后的滤液称为渗透液，渗透液直接回用，回到蒸煮工段继续配碱使用。本发明的优点在于；减少了设备投资和能耗，工艺流程简单，没有“硅干扰”问题，COD和木素的去除率较高。
文档编号D21C11/00GK1486937SQ0315629
公开日2004年4月7日 申请日期2003年9月3日 优先权日2003年9月3日
发明者施汉昌, 刘广立, 石磊, 徐农 申请人:清华大学