电场强化十字流膜滤的研究进展

SeriesNo.294December2000金属矿山METALMINE总第294期2000年第12期＊本研究项目为教育部高校博士点专项基金资助(96014511)。李海波,东北大学安全与环境工程系,博士研究生,110006辽宁省沈阳市东北大学139#信箱。罗艹倩,东北大学资源与土木工程学院,教授,博士生导师。·选矿工程·电场强化十字流膜滤的研究进展＊李海波徐新阳胡筱敏罗艹倩(东北大学)摘要十字流过滤最大的难题是膜污染和浓差极化。作者综述了国内外关于强化十字流膜滤的研究,概述了电场作用下十字流过滤的基本原理及研究概况。关键词十字流膜滤膜污染电场流场特性AdvanceintheResearchofIntensifyingCrossFlowFilteringbyElectricFieldLiHaiboXuXingyangHuXiaominLuoQian(NortheastUniversity)AbstractThemainchallengesincrossflowfilteringarefilmcontaminationandconcentrationdifferencepolariza-tion.TheresearchofintensifyingcrossflowfilteringmadebothinandoutsideChinaarereviewedandthebasicprincipleandtheresearchofcrossflowfilteringunderthefunctionofelectricfieldaredescribed.KeywordsCrossflowfilmfiltering,Filmcontamination,Electricfield,Flowfieldcharacteristics随着新型膜材料的不断发明及制膜工艺的高速发展,近20年来,以膜为核心的分离技术日进千里,其应用领域涉及海水淡化、化工、食品、医药、电子、造纸、汽车、生物等工业的废水处理、产品分离及生产高纯水,已成为重要的化工操作单元[1、2],其中以膜过滤应用最早,工艺也较成熟。1膜过滤的主要问题及强化方法膜过滤的最大问题是膜污染和浓差极化。处理含亲水基团的大分子溶质时,有时还会产生凝胶层。这些不仅会造成膜滤速率随时间迅速衰减,而且还会缩短膜的使用寿命,是导致分离效率降低、限制膜过滤优势发挥的内在因素[1、3]。1930年Morton提出十字流(CrossFlow)过滤[4],它利用料液平行于膜表面流动产生的剪切力,不断“削减”积累在膜面上的滤饼层或滞留在膜面上的沉积颗粒,在一定程度上限制了膜污染和浓差极化。最初的十字流过滤形式为矩形流道膜滤,膜静止,料液平行于膜面流动产生剪切力,虽然膜表面还是会产生滤饼层,但已较为有效地防止了颗粒阻塞膜孔隙造成的膜污染;1964年Kasspar设计出旋转叶轮十字流过滤机,促进了旋转圆盘和旋转筒式十字流膜滤技术的发展。该技术利用安装在旋转件表面的膜高速旋转,造成料液相对膜剪切流动,很大限度地限制了滤饼层生成,有效地减轻了膜污染。但需指出的是,膜污染和浓差极化的程度并非总是随流体剪切流速的增加而降低,对于复杂的混合物系的分离,由于膜材料对固相颗粒的选择性,有时会造成相反的结果[5]。一些研究表明,它们之间的作用只存在于一定的范围内。另外,国内外学者相继开发优性能膜或通过膜材表面改性来控制膜污染,尽管获得了一定的效果,但都不甚理想,膜污染问题依然存在。为此,国内外学者从各种角度出发,广泛研究了能够有效克服膜污染及浓差极化以提高十字流膜滤效率的技术。概括来说,有三个方面。1.1改变流动状态或膜滤器流道强化十字流膜滤Belfort等研究了微滤浓差极化层的流体力学性质和颗粒相互作用[6],认为流体流动作用强于膜与固体颗粒之间的相互作用,如吸附或选择沉积,因此可以通过改变流动状态来强化微滤过程。VanderWaal等在平行板膜表面设置凸起路障改善流动状态,研究表明:设置凸起路障激湍能够提高十字流膜滤速率,且凸起物的位置及高度存在某种优化关·27·系[7]。Colman进一步将激湍物设置在流道中间,同样获得了很好的过滤效果[8]。L.G.Wenten通过研究膜污染机理,指出膜污染的根源在于颗粒阻塞膜孔,对啤酒的实验表明,100～300kPa时以适当频率反冲洗,可有效抑制凝胶层生成,使膜保持几乎100%清洁[9、14]。此外,多种方式的结合有时效果更好。1.2膜构件旋转强化十字流膜滤膜表面流动边界层是影响膜滤速率的关键,流动边界层越厚,颗粒就越可能被截留在其内,膜表面浓差极化机会越大。旋转动态盘式和筒式膜结构正是针对此而开发的。天津大学对动态旋叶压滤机的研究表明[3]:旋转膜构件表面流体力学性能得到改善,浓差极化程