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，成为膜领域发展最快，最有前途的品种之一。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推广和应用。加强膜过滤传质和控制膜污染是陶瓷膜促进和应用的热点和难点。近年来，国内外对陶瓷膜过滤强化技术进行了大量研究，并出现了许多增强技术，但大多数仅限于实验阶段，尚无系统分析。相关增强技术的应用。 1，陶瓷薄膜性能和过滤机理无机陶瓷材料经特殊工艺形成的非对称薄膜为管状多通道，管壁密集有微孔，主要由SiO2，Al2O3，ZrO2，TiO2等无机材料组成。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形成。目前，它主要用于微滤，但它也用于超滤，孔径一般为0.2-500nm。 0.2,20,50,200,500nm等，可广泛用于化学，食品，制药，环保等行业的杂质分离，但膜过滤过程容易受到污染，浓差极化，产生在膜中渗透物通量已经下降，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，膜的物理结构起着决定性的作用。捕获效应包括：机械截留，即膜将保留大于其孔径的粒子或其孔径，物理作用或吸附保留，包括吸附和电性质，桥接，膜孔入口，粒子可以由于桥接也被困。 2陶瓷膜污染径向分层分析陶瓷膜主要有三层结构，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，这需要更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，通过各种方法负载在多孔载体或过渡层上，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污染，导致膜通量降低和过滤效率降低。陶瓷膜的污染由于其对应用产生的限制而引起了很多关注。从工业实践和实验研究中，可以沿着过滤层结构分析污染，如图1所示.2.1凝聚层浓度浓度极化浓度极化意味着液体溶液中的溶液在压力和溶质下通过膜在分离过程中被困住了。因此，膜与本体溶液或膜界面之间界面的浓度越来越集中。浓度越高，溶质从膜向体溶液扩散，形成边界层，增加流体阻力和局部渗透压，导致溶剂渗透通量降低，导致膜过滤通量减少。在膜的前面。 2.2在膜表面形成滤饼层当膜的粒径大于膜孔径时，颗粒接近膜膜表面阻挡膜表面上的膜孔，原料液的颗粒在渗透力的作用下逐渐迁移到膜表面。靠近在一起，同时在吸附，沉积等作用下，形成具有一定厚度的滤饼层。这类污染物通常具有较低溶解度的无机盐，主要是钙，铁，硅，镁等硫酸盐和硅酸盐垢，最常见的是CaCO3和CaSO4，胶体和溶解的有机物，它主要是一种可溶性有机物，其中有机胶体如此因为蛋白质，絮凝和天然聚合物很容易附着在薄膜表面。 2.3分离层膜孔堵塞当颗粒尺寸小于膜孔径时，颗粒被吸附或沉积在膜的内壁上，阻塞膜孔，从而减少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粒径的有机或无机材料以及微生物的生物污染。值得注意的是，在过滤过程中被膜捕获的细菌等微生物会附着在膜表面甚至膜的孔隙上，并会在膜表面和孔隙上繁殖，分泌大量的细胞外聚合物。阻断膜孔通道，使膜过滤阻力增加。过滤通量迅速下降，这与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引起的污染进行分层分析，并根据现有相关强化技术的特点，针对污染原因的有针对性，可以达到较好的强化效果。 3.1浓度极化污染增强技术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加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扼流圈，比较了不同工艺条件下的膜过滤速率和能量消耗，如不同的主流速和膜过滤压力，并分析了产生的扼流圈。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，流体不稳定的流动可以促进膜表面的对流传质和整体流动，减少膜表面的沉积物，提高过滤速率。对于扼流圈的不稳定流动增强方法，不同的结构形式对过滤速率和能量消耗有不同的影响，特别是在低主流速和高膜过滤压力差的情况下，可以降低能耗，提高过滤速率，显示更好经济及其相应的最优价值。 3.1.2团状流过滤增强在过滤过程中引入曝气是一种高效，简单，低能耗的技术，可有效减少膜污染和浓差极化。通气可以增加液体流速并且可以应用于膜表面。形成喷射流，增加膜表面上的湍流程度，抑制浓度边界层的形成，并增加膜通量。张峰等使用葡聚糖的水溶液作为超滤测试对象。结果表明，气液交叉流过滤可有效提高膜通量和废品率。当曝气量大于400L / h时，与相同液体速度条件下的单相流交叉流过滤相比，膜通量增加了87％。增加体积不会有效地增加膜通量。当曝气量小时，当膜表面流体处于层流状态时，曝气可以有效地去除膜表面浓度极化。当曝气量进一步增加时，膜表面流体已经处于湍流状态，并进一步增加曝气量。t对消除浓差极化的影响几乎没有影响。喷射过滤增强需要确定应用中的最大曝气量。 3.1.3超声强化超声作为强化膜过程的一种手段，超声膜在陶瓷膜微滤过程中产生的超声空化效应不仅促进了液体和颗粒的宏观运动，而且克服了相互作用。物质和膜之间。从而有效地减缓了浓差极化现象的形成。潘林梅等人。表明超声能量可以显着提高膜的渗透通量。富液口服液和黄芪精口服液的膜通量分别增加了26.6％和44.6％，超声波可有效控制膜表面污染。超声强化陶瓷膜微滤中药口服液可有效减少膜污染，提高膜利用率。 3.1.4具有直流电场的电场增强陶瓷膜可使浓度极化和膜污染的带电粒子远离膜表面，减少膜表面沉积，大大提高膜分离效率。肖开军等测试表明，电场具有加强陶瓷膜过滤的作用。分离出相对分子量为67000Da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％下降到60.87％。经过“电场自清洁”陶瓷膜后，膜通量回收率可达95％以上。它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对象具有带电性，这也限制了电场增强的应用范围。 3.1.5提高温度在正常情况下，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，从而促进溶质在溶液中的运动。膜的表面到主体并且薄的浓度偏振层。从而提高过滤速度并增加膜通量。 Bhave [16]发现，在油水分离中，当温度从293K升至323K时，膜通量增加了两倍。当过滤过程为浓度极化控制时，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。升高的温度倾向于增加膜通量，这减少了由于膜通量增加而导致的单位生产所需的膜面积，从而降低了投资成本。然而，升高温度也会增加能量消耗，增加操作成本，并且不适合于诸如蛋白质的回火系统。提高温度对具有较高粘度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，向进料溶液中加入适量的添加剂和聚合物以与进料溶液中的组分反应可以改善进料液的性质并增加过滤通量。姚春明等[17]以聚丙烯酸为络合剂，研究了以Cu废水为模拟废水的聚合物增强膜分离低浓度重金属废水的过程。研究表明，控制合适的条件，聚合物强化陶瓷膜分离工艺可以实现对重金属离子的高去除效率，同时可以获得更高的渗透通量。从食用中去除磷酸酯的实验通过膜分离技术的油，Reddy等。 [18]向油中加入乙烷以有效降低混合物的粘度，从而增加过滤通量。 3.2薄膜前加强滤饼层形成技术3.2.1湍流过滤增强湍流过滤可降低浓差极化，形成不稳定的流动，减缓滤饼层的形成，从而达到增强过滤的目的。沉志珍等[19]研究了湍流促进剂对陶瓷膜微滤CaSO4悬浮液试验中固定操作条件下CaSO4悬浮液微滤过程的影响。在所研究的范围内，螺旋湍流促进剂的效果优于伤口湍流促进剂。螺旋湍流促进剂的螺距和内径对微滤过程有很大影响。当具有不同结构尺寸的湍流促进剂布置在陶瓷膜的内环和外环通道中时，综合强化效果最佳。 3.2.2超声增强超声不仅可以减少浓度极化引起的膜通量减少，还可以有效防止膜前滤饼层的形成。吴克红等[20]研究了超声增强的机理。结果表明，超声波对陶瓷膜过滤过程的影响因膜污染机理而异。在基于沉积过滤的膜过滤过程中，超声增强是正的，声空化，声流和由此产生的浓差极化减弱，这是膜通量增加的主要原因，在主要膜过滤过程中，效果超声波是负的，超声波作用导致更多的溶质进入并吸附到膜孔，导致膜通量减少。对于表面原水，超声强化效果占主导地位，0.2和50μm陶瓷膜通量分别增加8.2％和5.1％。 3.2.3超频振动增强超频振动膜系统通过在膜表面产生正弦剪切波，有效地防止颗粒物质沉积在膜表面，强剪切力可以使沉积的材料返回膜表面到液体。抗堵塞能力强，能源利用率高，运营成本低。香港正昌集团利用VSEP隔膜处理装置开发了VMAT废油再生系统，可长期稳定运行。产品经VMAT过滤，产品质量极佳[21]。 3.3膜孔堵塞强化技术目前，膜孔堵塞型的强化技术主要是对膜进行改性，膜的改性可以防止膜孔堵塞。 3.3.1抗菌改性增强通过提高陶瓷膜本身的抗菌能力，可以抑制微生物在膜表面和孔中的粘附和繁殖。熊俊等[22]综述了常用的抗菌材料，并采用Ag，Cu金属，TiO2，ZnO光催化剂等陶瓷，通过溶胶 - 凝胶法，化学镀等表面改性方法对陶瓷膜进行改性。改性可以有效地抑制膜孔中的生物淤积。 3.3.2改善膜的性能和增加膜的亲水性许多研究表明膜材料的亲水性对膜抗污性有很大影响。亲水膜受吸附影响较小，可产生更大的膜通量[23-24]。 Gao Nenwen等[25]研究了陶瓷膜的亲水改性。结果表明，硅烷偶联剂的改性可以有效改变膜表面的疏水性，表面疏水改性对孔结构影响不大。在相同的操作条件下，疏水改性的膜过滤的无水煤油水溶液具有比未改性的膜显着更高的渗透通量和水保留。在工业中应用时，应根据过滤需要有针对性地选择具有相关性能的膜。 3.3.3改变膜的内部结构。膜材料的微观结构对膜过滤应用的影响也是至关重要的。徐南平[26]建立了陶瓷膜功能与胶体系微观结构之间的定量关系，并结合了颗粒体系陶瓷膜的分离性能和微观结构关系模型。对颗粒悬浮液，中药口服液和轧钢乳液中陶瓷膜的设计进行了初步研究。结果表明，陶瓷膜的微观结构参数和材料特性在过滤过程中也起着至关重要的作用。 。通过上述分析，总结了扩展陶瓷膜过滤强化技术的工业应用前景，如表1所示。表1中提供的相关强化技术的应用并不是唯一的。对于某种原料液，在综合考虑成本和效果的基础上，通过分析陶瓷膜污染因子，可以采用多种技术进行综合加固。 4前瞻性无机陶瓷膜具有能耗低，效率高，耐高温，耐腐蚀，化学稳定性好，使用寿命长等优点，在陶瓷膜生产中具有原料资源优势。通过对陶瓷膜污染和过滤强化技术成因的分析研究，为进一步充分利用膜分离技术和提高分离效率提供依据。目前，虽然陶瓷膜过滤强化技术已经显示出良好的效果，但强化技术的能量消耗增加了应用的成本。为此，更好的陶瓷膜和新型陶瓷膜过滤强化技术的发展是未来研究和开发的进一步深化。方向。陶瓷过滤器陶瓷膜陶瓷膜过滤器