陶瓷膜污染原因及过滤技术研究

经过多年的发展，无机陶瓷膜已广泛应用于许多领域，并成为膜领域发展最快，最有前途的品种之一。由于膜污染引起的膜通量污染问题和运行成本的增加，限制了膜技术的进一步普及和应用。加强膜过滤的传质和控制膜的结垢是陶瓷膜推广应用中的热点和难点。近年来，国内外对陶瓷膜过滤强化技术进行了大量研究，并出现了许多强化技术，但其中大多数仅限于实验阶段，尚无系统的分析方法。相关增强技术的应用程序。 1陶瓷膜的性质和过滤机理无机陶瓷材料经特殊工艺形成的不对称膜为管状多通道，管壁上密布有微孔，微孔主要由SiO2，Al2O3，ZrO2和TiO2等无机材料组成。所制备的多孔膜由不同规格的陶瓷管制成，并通过表面涂覆和高温烧制而形成。目前，其主要用于微滤，但也用于超滤，其孔径通常为0.2至500nm。 0.2、20、50、200、500nm等，可广泛用于化工，食品，制药，环保等行业中杂质的分离，但膜过滤过程易受污染，浓差极化，导致膜中的渗透通量下降，甚至无法继续使用也阻碍了其实际应用。陶瓷膜过滤的机理主要是筛选机理，膜的物理结构起决定性作用。截留效应包括：机械截留，即膜将保留大于其孔径或孔径的颗粒；物理作用或吸附保留，包括吸附和电学性质；在膜孔的入口处桥接，颗粒可以也由于桥接而被困住。 2陶瓷膜结垢径向分层分析陶瓷膜主要具有三层结构，即多孔载体，过渡层和活性分离层。多孔载体的作用是确保膜的强度，其需要较大的孔径和孔隙率以增加渗透性并降低流体输送阻力。过渡层是介于多孔载体和活性分离层之间的结构，过量层的作用是在制备活性分离层期间防止颗粒渗透到多孔载体中。活性分离层，即膜，通过各种方法被支撑在多孔载体或过渡层上，并且分离过程主要发生在该膜层上。在膜过滤过程中，不可避免地引起浓差极化和膜结垢，从而导致膜通量降低和过滤效率降低。陶瓷膜的污染由于其对产生应用的限制而引起了人们的广泛关注。从工业实践和实验研究来看，可以沿滤层结构分析污染，如图1所示。2.1浓缩层浓度浓度极化浓度极化是指溶液中的溶液在压力和溶质的作用下通过膜。在分离过程中被困住。因此，膜与本体溶液之间的界面或膜的界面的浓度越来越集中。浓度越高，溶质就从膜向本体溶液扩散，形成边界层，从而增加流体阻力和局部渗透压，导致溶剂渗透通量减少，从而导致膜过滤通量主要降低。在膜的前面。 2.2在膜表面形成滤饼层当膜的粒径大于膜的孔径时，颗粒接近膜麸皮表面阻塞了膜表面上的膜孔，并且原料液体的颗粒在渗透力的作用下逐渐迁移到膜表面。靠在一起，同时在吸附，沉积等作用下，形成一定厚度的滤饼层。此类污染物通常具有较低溶解度的无机盐，主要是钙，铁，硅，镁和其他硫酸盐和硅酸盐垢，最常见的是CaCO3和CaSO4，胶体和溶解的有机物，主要是可溶性有机物，其中有机胶体例如因为蛋白质，絮凝物和天然聚合物很容易附着在薄膜表面。 2.3分离层膜孔堵塞当粒径小于膜孔粒径时，颗粒被吸附或沉积在膜的内壁上，阻塞了膜孔，从而减小了膜的有效面积并产生通量衰变。导致膜孔堵塞的污染物通常具有较小的粒径和微生物污染的有机或无机材料。值得注意的是，在过滤过程中被膜截留的微生物（例如细菌）会粘附在膜表面甚至膜的孔上，并会在膜表面和孔上繁殖，从而分泌大量的细胞外聚合物堵塞膜孔通道，使膜的过滤阻力增加。过滤通量迅速降低，这与诸如膜材料和膜孔结构等因素有关。 3陶瓷膜过滤强化技术通过对陶瓷膜过滤造成的污染进行分层分析，并根据现有相关强化技术的特点，针对性应用污染原因，可以达到较好的强化效果。 3.1浓差极化污染增强技术3.1.1湍流过滤增强湍流促进剂的作用主要是通过产生不稳定的流动来增强陶瓷膜的分离过程。赵宗义等[10]通过在管状陶瓷膜中设置不同类型的节流阀，比较了不同工艺条件（例如不同的主流量和膜过滤压力）下的膜过滤速率和能耗，并分析了产生的节流阀。增强膜过滤过程的效果和测试条件下的一般规则。结果表明，流体不稳定流动可促进膜表面的对流传质和整体流动，并减少膜表面的沉积物，提高过滤速率。对于节流阀不稳定的流量增强方法，不同的结构形式对过滤速率和能耗有不同的影响，特别是在低主流量和较高的膜过滤压差下，可以减少能耗并提高过滤速率，显示出更好的效果。经济性及其相应的最佳价值。 3.1.2增强塞流过滤在过滤过程中引入曝气是一种高效，简单，低能耗的技术，可以有效减少膜污染和浓差极化。曝气可增加液体流速，并可应用于膜表面。形成了喷射流，增加了膜表面上的湍流度，抑制了浓度边界层的形成，并增加了膜通量。张峰等。使用右旋糖酐水溶液作为超滤测试对象。结果表明，气液错流过滤可有效提高膜通量和截留率。当通气量大于400L / h时，在相同液速条件下，与单相流错流过滤相比，膜通量增加87％。增大体积不能有效地增加膜通量。当曝气量少时，当膜表面流体处于层流状态时，曝气可以有效地消除膜表面浓度极化。当通气量进一步增加时，膜表面流体已经处于湍流状态，并且通气量进一步增加。t对消除浓度极化的影响很小。喷射过滤的增强需要确定应用中的曝气量。 3.1.3超声增强超声作为加强膜过程的一种手段，超声膜在陶瓷膜微滤过程中产生的超声空化作用不仅促进了液体和颗粒的宏观运动，而且克服了相互作用在物质和膜之间。 ，从而有效地减缓了浓度极化现象的形成。潘林梅等。结果表明，超声能可以显着提高膜的渗透通量。富液口服液和黄芪经口服液的膜通量分别增加了26.6％和44.6％，超声波可以有效控制膜表面污染。超声增强陶瓷膜对中药口服液的微滤可有效减少膜的结垢，提高膜的利用效率。 3.1.4带有直流电场的电场增强陶瓷膜可以使带浓差极化和膜污染的带电粒子从膜表面移开，减少在膜表面的沉积，并大大提高膜分离效率。肖开军等测试表明，电场具有增强陶瓷膜过滤的作用。分离出相对分子量为67000 Da的牛血清白蛋白（BSA），提高了膜通量和正电场陶瓷膜的截留率。在20V / cm时，它分别增加了67％和46.8％，而膜通量衰减从84.64％降低到60.87％。经过“电场自清洁”陶瓷膜后，膜通量回收率可达到95％以上。可以大大提高薄膜的抗污染性能。电场增强的前提是进料液中的分离物具有带电性，这也限制了电场增强的应用范围。 3.1.5增加温度升高在正常情况下，温度升高会降低溶液的粘度，悬浮颗粒的溶解度会增加，传质扩散系数会增加，这可以促进溶质在溶液中的移动。膜的表面到主体，并使浓差极化层变薄。从而提高过滤速度并增加膜通量。 Bhave [16]发现，在油水分离过程中，当温度从293K升至323K时，膜通量增加了两倍。当过滤过程是浓度极化控制时，温度对膜通量的影响将取决于液相传质系数与粘度之间的关系，其中粘度与过滤通量之间的关系是非线性的。升高的温度往往会增加膜通量，这会由于膜通量增加而减少单位生产所需的膜面积，从而降低投资成本。但是，提高温度也会增加能耗，增加运行成本，并且不适合对蛋白质等回火系统进行调节。温度升高对粘度较高的液体具有更好的过滤效果。在工业应用中，生产中的废热可用于这种液体以节省成本。 3.1.6添加剂强化在使用陶瓷膜进行过滤之前，向进料溶液中添加适量的添加剂和聚合物以使其与进料溶液中的成分发生反应可以改善进料液的性能并增加过滤通量。姚春明等[17]以聚丙烯酸为络合剂，研究了以铜废水为模拟废水的高分子增强膜分离低浓度重金属废水的过程。研究表明，控制适当的条件，聚合物增强陶瓷膜分离重金的过程