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宝利事®管式膜(TMF™)应用于某印刷线路板厂含铜废水回用系统的案例分享

摘要介绍

印刷线路板(PCB),是用于电子元器件的机械支撑和线路连接的结构性元件。它是在绝缘材料支撑层上封装铜箔,然后蚀刻出导线通路,轨道或信号轨迹。印刷线路板制作工艺极其复杂,生产线路板的同时会排放出很多种重金属废水以及有机废水,含铜废水就是其中一股。作为印刷线路板制作中的一种重要原材料,铜箔的一次利用率只有30-40%,蚀刻后剩余的铜箔以高浓度存在于废水中。这意味着蚀刻废液和清洗废水中含有大量的铜。回收这些水和铜对于线路板生产企业降低成本具有重大的意义。 

此文提到的客户是世界最大的印刷线路板制造商之一,该客户已在数套含铜废水处理系统中使用宝利事管式微滤膜过滤器(TMF™)。这些系统的合计处理能力已超过500m3/hr

本文旨在针对其中一个新建的位于中国秦皇岛市的150m3/hr含铜废水回收处理系统做一个简单介绍。

背景信息

在线路板厂,有几个工序可能产生含铜废水:沉铜、全板电镀铜、蚀刻和其他预处理工序(化学前处理、刷板前处理、火山灰磨板前处理等),以上工序产生的废水大致可分为两类:络合铜废水和非络合铜废水,以下是关于这两类废水的一些简单描述: 

A. 络合含铜废水一般来自以下生产阶段:

  1. 化学镀铜,一般使用EDTA和酒石酸钠;
  2. 碱性蚀刻和微蚀,一般使用氨水和铵根离子;
  3. 其他工序例如酸性去油和碱性去油;
  4. 由于络合物的存在, 铜离子很难形成沉淀。络合物可在混凝沉淀之前 通过氧化除去,或使用更强的沉淀剂,例如硫化物或特殊的重金属捕 集剂进行沉淀除去,有时也可能选择树脂吸附或钙离子置换的方法。

B. 不含络合物的含铜废水来自全板电镀铜,酸性蚀刻和其他工序的漂洗水。 通 常混凝沉淀,特别是碱性沉淀法,对于处理不含络合物的含铜废水就很 有效。

废水相关信息

该系统的废水来自电镀铜工序的漂洗水,系统总水量设计为150m3/hr

统上这类废水一般采用碱性沉淀法(注入氢氧化钠、氯化铁和聚丙烯酰胺)处理然后使用沉淀池进行分离。然而,处理水水质尚未达到回用的标准。这也是为什么客户最终选择使用宝利事管式膜系统作为传统沉淀池工艺的替代工艺。

TMF特点和优点

相对于传统沉淀池工艺,宝利事管式微滤膜有以下几个优点:

  1. 宝利事管式微滤膜滤过水质远优于沉淀池出水水质。由于微滤膜过滤界面的存在,所有大于膜孔径的微粒都被截留,其滤过水水质等同于超滤产水;
  2. 由于极佳的滤过水质,宝利事管式微滤膜产水可以直接送往反渗透系统而无需其他预处理。而相对的,沉淀池出水则一般需要多介质过滤器、活性炭过滤器和超滤工艺处理之后才可以送往反渗透进行处理;
  3. 在管式微滤膜工艺中无需投加氯化铁和聚丙烯酰胺,只需投加氢氧化钠即可。氯化铁投加会带来过量的固体泥饼,处理水的TDS也会升高。此外,聚丙烯酰胺会导致RO膜的污堵,并且很难通过化学清洗恢复通量;
  4. 管式微滤膜独特的错流设计使它可轻易地在2-5%的悬浮物浓度下运行。这样就产生更少的剩余污泥,并使得板框压滤机运行性能更好;
  5. 维护简单:系统可设计为自动操作,并可随时从待机状态转到运行状态;
  6. 相对于传统的沉淀池而言,管式膜机架空间需求更小。此外,管式膜机架易于扩建,只需增设机架或增加膜组件即可扩大处理水量。

TMF系统规格

该管式膜系统的规格如下所述:

系统水量:150 m3/hr 

膜组件规格:宝利事管式微滤膜(膜组件型号MME3S01613VP)  

单只组件内膜管数量: 13  

膜壳材质: PVC  

膜管直径: 1英寸 

膜孔径: 0.1微米 

单组件有效过滤面积: 1.82m2 

膜组件数量: 每列12只,每个机架有4列,系统内有3个机 架,总计该系统使用了144只膜组件

系统流程示意图

系统工艺描述

1. 工厂车间排放的含铜废水收集于一个原水槽内,然后由提升泵输送到一个反应槽做pH调整。氢氧化钠溶液注入到此槽内,将原水的pH提升到大约9.0,以便形成氢氧化铜沉淀。反应槽内安装有pH计用于监测和控制氢氧化钠投加量(通过一个气动阀的启闭);

2. 含有沉淀物的混合液溢流到一个浓缩槽(也称循环槽)内,一台循环泵(也称工艺泵)将混合液送入一系列管式膜组件进行固液分离。在错流模式下,大多数的进水在管式膜组件和循环槽之间循环,将悬浮固体送回槽内。而滤过水(流量等同于系统处理水量)则被送往一个独立的产水槽(透过水槽),经短期停留后再送往反渗透系统进行脱盐处理;

3. RO产水(低含盐量)被送往工厂车间作为工艺水回用,RO浓水则被送往现有的废水生化处理系统,处理后达标排放;

4. 系统运行中,循环槽内悬浮固体浓度不断累积,部分浓缩液需要送往一套板框压滤机系统进行脱水处理。压滤机的脱水泥饼,通常含有70%的水分,送往场外进行铜回收处理,压榨水则被送回到原水箱。 

TMF系统配置情况

该系统内有12列管式膜,安装在3个机架上(每个机架上4列)。每一列由12只膜组件串联连接组成,并且每列由独立的循环泵、滤过水管道流量计、反冲单元和独立的阀组。每个机架上的4列膜组件共用1套在线清洗系统(包括3个清洗箱和1台气动隔膜泵)。该系统设计成每一列都可做独立的反冲洗,同时,操作人员也可以对每一列做独立的化学清洗。

运行状况 

  • 系统于2011年11月份开始调试,各项性能都达到设计规格;
  • 每一列的滤过水流量随着运行时间在25m3/hr到10m3/hr之间波动,平均每列流量为15m3/hr。操作人员进行逐列的化学清洗,因此系统整体产水量一直保持在150m3/hr以上;
  • 管式微滤膜产水浊度低于1.0NTU。基于这个水质,RO之前的保安过滤器滤芯无需频繁更换(滤芯寿命大约为1个月);
  • 管式膜进水、RO透过水和RO浓水中的铜离子浓度分别为60mg/l、0.08mg/l和1~2mg/l。RO浓水送往生化处理系统进一步处理以降低残留铜离子浓度;
  • 系统进水电导率在800~2000µs/cm之间波动,RO透过水电导率则低于50µs/cm;
  • 浓缩槽内的悬浮固体浓度大约为20,000mg/l(2%),其30分钟污泥沉降比大约在30~50%之间;
  • 由于进水中含有少量的有机物污染(COD大约10~20mg/l),管式膜大约每隔15~20天需要做一次2~3%浓度的次氯酸钠清洗,此外酸洗的周期则是大约40天实施一次;
  • 整个系统包括RO的回收率是55%,管式膜的单元的回收率接近100%,仅脱水后的滤饼带走少量的水分。 

结论

这个案例是含铜废水的“处理加回用”技术的典型应用。只需简单的药剂注入(氢氧化钠),铜离子形成了氢氧化铜沉淀。由于存在过滤界面,宝利事管式微滤膜在此项应用中表现了绝佳的性能,管式膜滤过水可直接送往RO而无需进一步处理。55~60%的废水经处理后回用到工厂车间内,而不是全部放流。氢氧化铜则在循环槽内浓缩,因此也可以进行处理和铜回收。整个工艺基于简单的化学反应和物理分离原理,但带来的经济效益和环境效益则是巨大的。

关于管式微滤

管式微滤是一种错流、压力驱动的膜分离技术,用于从水中截留分离亚微米级或更大的悬浮物颗粒。它不同于传统的死端过滤方式,所有液体全部压过膜表面,而是采用一种错流模式,只是一部分水透过膜成为透过水,同时大部分的水作为浓水,带着浓缩的悬浮固体颗粒回流到浓缩槽内。

下图表明了两种过滤方式的不同:

此项目中使用的是宝利事的管式微滤膜,其过滤机理如下图所示:


原水进入膜管内部(内压式),过滤水透过膜和支撑管,并在膜管与膜壳之间的空间聚集。 

此项目中膜管为1英寸内径,是在PE(聚乙烯)的支撑层基础上的PVDF(聚偏氟乙烯)的膜层,过滤孔径为0.1微米。膜组件样式如下图所示:

每个膜组件都是在PVC的外壳内装13根72英寸(1828.8mm) 长的膜管,膜组件和膜管的规格如下所示:

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