UF膜过滤天然原水阻力特性的研究_董秉直

①UF膜过滤天然原水阻力特性的研究董秉直1,曹达文1,范瑾初1,李景华2,徐强2(1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092;2.淮南市公用事业局,安徽淮南232007)摘要:黄浦江原水中的溶解性有机物是造成膜过滤阻力的重要因素。投加混凝剂会大大降低膜过滤阻力。使膜过滤阻力最小的最佳混凝剂投加量与去除水中溶解性有机物效果最佳的投加量一致。粉末活性炭的投加对膜过滤阻力影响不大。关键词:UF膜;膜阻力;混凝;粉末活性炭中图分类号:TQ028.8文献标识码:A文章编号:1000-3770(2001)02-0080-04微孔(MF)膜和超滤(UF)膜在自来水工艺中的应用研究已成为当前给水处理领域最重要的前沿研究课题之一。MF、UF膜处理天然原水时,会产生水通量下降,过滤阻力上升等现象。许多研究认为,产生这些现象的主要原因是天然原水中的悬浮固体、溶解性有机物,特别是腐植酸等的天然有机物。如何减缓膜过滤阻力成为急待研究的问题。膜过滤所产生的阻力可分为膜阻力,滤饼层阻力,浓差极化阻力,凝胶层阻力和吸附阻力。原水中的悬浮固体为膜截留,会在膜表面形成滤饼层,它所产生的阻力称为滤饼层阻力。原水中的溶解性胶体和高分子有机物在过滤时,会聚集在膜表面,使膜表面的浓度高于原水主体的浓度,这种现象称为浓差极化,浓差极化使透水通量下降。当膜表面的浓度达到凝胶浓度时,会形成凝胶层,由凝胶层产生的阻力称为凝胶阻力。吸附阻力是由于某些物质进入膜孔内部,堵塞膜孔产生的,它们往往被认为是不可逆的。膜过滤总阻力主要由滤饼层阻力和浓差极化阻力构成。研究它们在过滤过程中的变化规律有助于了解膜过滤的阻力特性。混凝、粉末活性炭(PAC)常作为膜过滤的预处理,其目的是去除有机物和降低膜过滤阻力,投加混凝剂和PAC后,滤饼层阻力和浓差极化阻力如何变化也是需要研究的问题。1试验方法和装置本试验通过如下步骤确定膜阻力、滤饼层阻力和浓差极化阻力。(1)首先用纯水过滤,所产生的阻力为膜阻力;(2)然后用原水过滤;(3)当原水滤尽后,用纯水替代原水继续过滤,此时所增加的阻力为截留在膜表面的滤饼层产生;(4)将截留在膜表面的滤饼层用纯水洗净,再用纯水测定膜阻力。第3步骤测定的阻力与第4步骤测定阻力之差为滤饼层阻力。凝胶层阻力难以用试验方法单独得出,本方法得到的滤饼层阻力中也包含凝胶层阻力;(5)将原水用0.45μm微孔滤膜滤去原水中的悬浮固体物质,滤过液用超滤膜过滤。其阻力为大分子的胶体和有机物所产生,可视为浓差极化阻力。膜过滤产生的各个阻力可用下式计算:R=P_×J(1)式中,R-阻力(1/m);P-过滤压力(Pa);J-透水通量(m/s);_-水的粘性系数(Pa·s)。滤饼层阻力Re用下式表示:Rc=a·mcAm(2)式中,a-阻力系数;mc-滤饼层的颗粒量;Am-膜过滤面积。阻力系数由Kozeny公式表示:第27卷第2期2001年4月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.27No.2Apr.,2001①收稿日期:2000-01-20污染控制与资源化研究国家重点实验室(同济大学,南京大学)开放基金资助项目(990002)DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2001.02.005a=180·(1-f)d2p·f3(3)式中,dp-颗粒尺寸;f-孔隙率。虽然无法了解滤饼层内的固体颗粒尺寸以及孔隙率,但如果在试验中保持mc,Am不变,则a的大小就反映Rc的大小。Rc=a·mcAm=a·C·VAm=a·V(4)式中,V-过滤累积水量;a-比例系数;C-水中固体颗粒的浓度由式(4)可知,保持试验的过滤累积水量不变,比例系数a的大小反映滤饼层阻力Rc的大小。每个试验的水样过滤量均为300mL。试验用的水样为黄浦江上游原水。使用的超滤(UF)膜材质为聚丙烯睛(PAN),截留分子量为50000Daltons。过滤装置采用杯式超滤器,过滤面积为3.32×10-3m2,UF膜和杯式超滤器均由中国科学院上海原子核研究所膜分离技术研究开发中心提供。过滤压力采用压缩纯氮气,过滤压力为0.1MPa。出水通量采用容积法测定。采用搅拌过滤方式,转速为100r/min。2试验结果与讨论2.1原水过滤的阻力特性图1黄浦江原水过滤膜阻力变化图2黄浦江原水浓差极化膜阻力变化原水经0.45μm过滤后的滤液,其阻力与累积水量的关系如图1,2所示。由图1,2可知,膜过滤阻力和过滤累积水量保持着很好的线形关系;通过两者的斜率比较可知,浓差极化阻力占过滤总阻力的一半,表明溶解性的有机物对膜过滤阻力的大小有很大的影响。这一结果与其他研究者[1]的相同。2.2投加混凝剂后的阻力特性混凝剂常作为膜过滤的前处理。许多研究者的研究表明,投加混凝剂可大大降低膜过滤的阻力。丹