低浓度悬浮液电场膜过滤临界场强的研究

低浓度悬浮液电场膜过滤临界场强的研究＊刘姝红赵宗艾邓玲(天津大学化工学院,天津300072)摘要探讨了操作压差、主体流速、料浆浓度等因素对电场膜过滤中临界场强的影响.实验结果表明:操作压差对临界场强的影响较大,而主体流速和料浆浓度的影响较小.从理论上推导出临界场强的计算式,并得到了较好的实验验证,从而解决了电膜滤过程中的一个难题.关键词低浓度电场膜过滤临界场强分类号TQ028.8在膜过滤中,浓差极化和膜污染现象导致膜滤速度急剧衰减、膜的使用寿命下降.因此,长期以来,解决浓差极化和膜污染问题是膜过滤技术领域的关键问题.电场膜过滤技术能够很好地解决这个问题.所谓电场膜过滤,就是将电场与横切流技术结合起来,使料浆平行于滤膜表面流动,此时在膜的两侧施加一定方向的直流电场.这样,一方面由于电场对悬浮颗粒的电泳迁移作用使颗粒远离膜面,加之剪切力的作用,从而减轻膜面的颗粒沉积状况;另一方面,由于电渗效应使得膜孔中的滤液加速穿过膜孔.电场膜过滤技术可大大减少膜面的粒子沉积,减少过滤阻力,有效地延缓浓差极化和膜污染过程,是一种很有发展前景的膜过滤技术.在电场膜过滤技术研究中,学者们提出了一个重要概念———临界场强[1],对此本文作者进行了较系统的研究.1临界场强的基本概念在电场膜过滤中,膜面附近传质情况如图1所示.由图1可以看出,当滤膜两侧所施加的直流电场强度E较小时,颗粒远离膜面的电泳迁移速度就小,使得电泳迁移速度与扩散速度之和小于由于对流引起的颗粒迁移速度,因此膜面不断地有颗粒沉积;当电场强度大到一定程度时,可以使电泳迁移速度与扩散速度之和等于由于对流引起的颗粒迁移速图1膜面附近传质示意图图中:μE为固体颗粒的电泳淌度;E为电场强度;w为体积元物料质量分数;μE·E·w表示由于电泳效应引起的颗粒远离膜面的速度;D为扩散系数;dw/dx为浓度梯度;D·dw/dx表示由于扩散引起的颗粒迁移速度;J为滤液流速;J·w表示由于对流引起的颗粒迁移速度;wb为主体流质量分数;ws为膜面质量分数;δ为浓差极化层厚度;x表示与浓差极化层边界的距离度,此时,颗粒悬浮于流体中,膜面没有颗粒的沉积,学者们将此时的电场强度称之为临界场强Ec.对膜过滤过程而言,在临界场强下操作是一种非常理想的状况,膜面没有颗粒的沉积,大大地降低了膜的污染程度,从而延长膜的使用寿命.因此若在电场膜过滤操作之前就得知临界场强值,则可使电场膜过滤过程在电场强度大于或等于临界场强的情况下进行.由此可见,关于临界场强的探讨对工业化生产具有一定的指导意义.收稿日期:1998-07-16;修改稿收到日期:1998-09-17第一作者:女,26岁,硕士生＊国家自然科学基金资助项目(No.2979271-2)第19卷第2期膜科学与技术Vo1.19No.21999年4月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYApr.1999DOI:10.16159/j.cnki.issn1007-8924.1999.02.0072临界场强的计算模型2.1膜面附近传质情况在电场膜过滤过程中,当在膜两侧施加的电场强度E小于临界场强Ec时,膜面附近的传质情况如图2所示,取1—2—3—4范围内所围成的体积元,垂直于纸面上的厚度为1个单位,对此体积元作物料衡算.由于质量守衡,单位体积元中流入的物料质量等于流出的物料质量,因此可以列式如下:J·w=UE·w+J·wp-D·dw/dx(1)式中J———滤液流速,m/s;w———体积元物料质量分数;wp———滤液质量分数;D———扩散系数,m2/s;UE———电泳速度,m/s,UE=μE·E,其中μE为固体颗粒的电泳淌度(m2/V·s);E为电场强度(V/m).图2体积元物料传质示意图依临界场强的定义可知,当膜两侧所施加的电场强度达到临界场强Ec时,膜面没有浓差极化层,并且膜面物料质量分数等于料浆质量分数,即dw/dx=0,w=wb,故(1)式可简化为:J·wb=μE·E·wb+J·wp(2)即J=wbwb-wpμE·Ec(3)由式(3)可知,当已知滤液流速J、料浆质量分数wb、滤液质量分数wp、颗粒电泳淌度μE时,便可以求出临界场强Ec.对于wb、wp、μE可以容易地测得,因而求取滤液流速J就成为问题的关键.2.2滤液流速J的导出视膜孔为一直毛细管,其孔径为d,长度为L.膜两侧施加的直流电场强度为E,膜孔壁与液体之间的接触电位为,在孔中心处=0.膜孔内的电位分布如图3所示.在该图中,膜孔壁上的电荷与渗流液体中的反电荷构成双电层.根据双电层理论[2],反电荷中的一部分因膜孔壁表面的强烈吸引而与表面牢固地结合在一起,该反电荷层称为吸附层.其余的反电荷扩散地分布在吸附层之外,称为扩散层.在电场力的作用下,扩散层中的反电荷将带动液体运动,这就形成了电渗流.因此,膜孔内的渗流