陶瓷膜结垢过滤技术成因的研究

经过多年的发展，无机陶瓷膜已广泛应用于许多领域，成为膜领域增长最快，最有前途的物种之一。在膜分离过程中，诸如由膜结垢引起的渗透通量降低和运行成本增加等问题限制了膜技术的进一步普及和应用。增强膜过滤传质和控制膜结垢是陶瓷膜研究和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的研究，并出现了许多强化技术，但其中大多数仅限于实验阶段，目前尚无系统的分析方法。相关强化技术的应用。 1陶瓷膜的性能和过滤机理陶瓷膜是由无机陶瓷材料经特殊工艺形成的不对称膜。它是管状和多通道的。膜的壁是致密的。它主要由无机材料组成，例如SiO2，Al2O3，ZrO2和TiO2。所制备的多孔膜由具有不同规格的陶瓷管作为支撑体，并涂覆在表面上并在高温下烧制。目前，它主要用于微滤，但也用于超滤。孔径通常为0.2〜500nm。国产型号有0.2、20、50、200、500nm等，可广泛用于化工，食品，制药，环保等行业的液体中杂质的分离，但膜过滤工艺容易受污染和浓差极化的影响，导致膜渗透通量的减少，甚至无法继续使用，阻碍了其实际应用。陶瓷膜的过滤机理主要是筛选机理，膜的物理结构起决定性作用。它的保留效果包括：机械保留，即膜将保留大于或等于其孔径的颗粒；物理或吸附保留，包括吸附和电性能的影响；在膜孔入口处桥接；颗粒也可能由于桥接而被困住。 2对陶瓷膜结垢的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。过渡层是位于多孔载体和活性分离层之间的结构。过渡层的作用是在制备活性分离层期间防止颗粒渗透多孔载体。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薄膜上。在膜过滤过程中，不可避免地会发生浓差极化和膜污染，从而导致膜通量下降和过滤效率下降。陶瓷膜的污染由于其对产生和应用的限制作用而引起人们的广泛关注。通过工业实践和实验研究，可以分析沿过滤层结构的污染，如图1所示。2.1表面层的浓差极化浓差极化是指在分离过程中，进料液中的溶液通过膜在压力下被溶质截留，因此膜与本体溶液之间或膜界面附近的浓度不断增加。浓度梯度越高，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，导致溶剂渗透通量降低，这主要导致膜的减少。过滤通量。电影之前。 2.2滤饼层在膜表面形成。当颗粒当直径大于膜孔径时，膜表面附近的颗粒堵塞膜表面上的膜孔，并且原料液体体的颗粒在穿透力的作用下逐渐向膜表面移动。同时，在吸附和沉积的作用下，彼此靠近形成了一定厚度的滤饼层。这类污染物通常具有相对较低的溶解性无机盐，主要是指钙，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，主要是蛋白质等可溶性有机物。 ，絮凝，天然聚合物和其他易于粘附在膜表面的有机胶体。 2.3隔离层中膜孔的堵塞当粒径小于膜孔尺寸时，颗粒被吸附或沉积在膜的内壁上，堵塞了膜孔，从而减小了膜的有效面积和产生磁通衰减。造成膜孔堵塞的污染物通常是粒径较小的有机或无机物质，以及由微生物引起的生物污染。值得注意的是，在过滤过程中，截留在膜上的细菌和其他微生物会粘附在膜表面甚至膜孔上，并在膜表面和孔中繁殖，从而分泌大量的细胞外聚合物来阻断膜孔通道，增加了膜过滤的阻力。过滤通量迅速降低，这与诸如膜表面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，有针对性地应用污染原因可以达到较好的强化效果。 3.1浓差极化污染的强化技术3.1.1湍流过滤的增强湍流增强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。赵宗爱等。 [10]通过在管状陶瓷膜中布置不同结构形式的湍流器，比较了不同工艺条件（例如主体的流速和膜过滤的压差）下的膜过滤速率和能耗，并分析了湍流产生器。在测试条件下增强的膜过滤过程和一般规律的效果。结果表明，流体的不稳定流动可促进对流传质在膜表面与主流之间的传递，减少膜表面上的沉积物，并提高过滤速率。对于带有湍流的不稳定流动增强方法，不同的结构形式对过滤速度和能耗有不同的影响，尤其是在低主流速和高膜过滤压差下，可以减少能耗并提高过滤速度，显示出更好的经济性和经济性。其相应的最佳值。 3.1.2加强子弹流过滤在过滤过程中引入曝气是一种高效，简单且低能耗的技术，可有效减少膜污染和浓差极化。喷射流的形成改善了膜表面的湍流，抑制了浓度边界层的形成，并增加了膜通量。张峰等。以葡聚糖水溶液为超滤试验对象。结果表明，气液错流过滤可有效提高膜通量和保留率。当曝气量大于400 L / h时，与在相同液体速度条件下进行单相错流过滤相比，膜通量增加了87％。增大风量并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，膜上的流体表面已经处于湍流状态，进一步增加曝气量对消除浓度极化几乎没有影响。弹射器过滤增强需要通过应用实验来确定。 3.1.3超声波强化超声波是强化膜过程的一种手段，它在陶瓷膜微滤过程中产生的超声空化作用不仅促进了液流和颗粒的宏观运动，而且克服了物质与膜之间的作用力。膜，从而有效地减缓了浓度极化现象的形成。潘林梅等人的实验表明，超声可以显着增加膜的渗透通量，增叶口服液和黄芪精口服液的膜通量分别增加了26.6％和44.6％。超声波还可以有效地控制膜表面污染。超声增强陶瓷膜微滤中药口服液的使用可以有效减少膜污染，提高膜的利用率。 3.1.4电场增强的陶瓷膜加上直流电场会导致产生浓差极化和膜污染的带电粒子从膜表面移开，减少其在膜表面的沉积，并大大提高膜分离效率。肖开军等人的实验表明，电场可以增强陶瓷膜的过滤。以相对分子质量为67000Da的牛血清蛋白（BSA）为分离对象，提高了陶瓷膜的通量和截留率以及正电场。在20V / cm下，它们分别增加了67％和46.8％，膜通量的衰减从84.64％减少到60.87％。经过“电场自清洁”陶瓷膜后，其膜通量的回收率可达到95％以上。可以大大提高膜的防污性能。电场强化的前提是原料液中的分离物带电，这也限制了电场强化的应用范围。 3.1.5增强温度增强在通常情况下，温度升高会降低溶液的粘度，增加悬浮颗粒的溶解度，并增加传质系数，从而可以促进溶质在表面上的移动。膜朝向主体，并减少浓差极化层，从而提高过滤速度并增加膜通量。 Bhave [16]在油水分离中发现，当温度从293K升至323K时，膜通量增加了两倍。当过滤过程是浓差极化控制时，温度对膜通量的影响将取决于液相传质系数和粘度之间的关系。此时，粘度和过滤通量之间的关系是非线性的。温度升高通常会增加膜通量。随着膜通量的增加，每单位生产所需的膜面积减小，从而降低了投资成本。但是，升高温度也会增加能耗，增加运行成本，并且不适合用于挥发性系统（例如蛋白质）。温度升高对具有较高粘度的进料液体具有更好的过滤效果。在工业应用中，生产时产生的废热可用于此液体，以节省成本。 3.1.6添加剂的增强在使用陶瓷膜进行过滤之前，向进料液中添加适量的添加剂和聚合物，使其与进料液中的成分反应，可以改善进料液的性能并增加过滤通量。姚春明等。 [17]研究了使用聚丙烯酸酯作为络合剂和含铜废水作为模拟废水的聚合物增强膜分离和处理低浓度重金属废水的过程。研究表明，控制聚合物增强陶瓷膜分离过程的正确条件