微滤膜过滤阻力机理及模型研究

由经典的 Darcy 定律给出:
JV=
L(
$p R m+ R c+
R g)
( 5)
式中, R m 为修正的膜固有阻力( 把膜孔堵塞阻力计 入膜本身阻力) , m- 1; R c 为浓度极化阻力, m- 1; Rg 为凝胶层阻力, m- 1; $p 为过滤压差, Pa; L 为过滤 液黏度, Pa#s; J V 为膜通量, m3/ m2#s.
2 实验验证
为了验证本文提出的微滤膜过滤阻力及膜通量 数学模型的正确与否, 进行了一体式微滤膜装置处 理含乳化油液- 液体系废水的过滤实验. 2. 1 实验装置与操作参数
实验装置如图 2 所示. 实验装置为一体式中空 纤维膜过滤装置, 膜材质为聚偏氟乙烯( PVDF ) , 孔 径 0. 22 Lm, 膜面积 1. 0 m2, 膜反应器为有机玻璃制 成, 有效容积 90 L( 30 cm @ 30 cm @ 100 cm) 采用穿 孔管曝气, 穿孔管孔径 2 mm , 曝气量 2 000 L/ h, 过 滤压差由蠕动 泵提供, 采用间歇出水 ( 过滤 8 m in, 停歇时间 2 min) , 在运行过程中温度保持 25 e .
在不同过滤压差下对配制的三种wenku.baidu.com同乳化油含
量的废水进行过滤通量研究. 每调整一次过滤压力 时, 对膜组件进行一次化学清洗. 化学清洗的方法分
为两步: 第一步, 用自来水配制 pH 值为 12 的 NaOH
溶液浸 泡 膜组 件 30 min; 第 二步, 用自 来 水配 制
200 Lg/ mL 的 NaClO 浸泡膜组件 30 min, 之后用自 来水冲洗至中性.
径向迁移速率正比于过滤压差 $p , 所以有:
迁移速率= k 1$p
( 1)
根据条件假设( 4) 扩散速率正比于膜面微粒的
覆盖度 H, 布朗扩散系数 k 2 由 St okes- Einst ein 方
程给出, 所以扩散速率= k 2 H,
( 2)
当达到动态平衡时, 这两个速率相等, 则:
k1 $p = k2 H
学校科技发展基金计划项目( 20070706) 作者简介: 曹占平( 1970- ) , 男, 河北人, 博士生, 助理研究员, 主要研究方向为膜法水处理技术.3czp1@ tom. com4
第1期
曹占平 等: 微滤膜过滤阻力机理及模型研究
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孔径的颗粒均能被膜截留. 3) 膜表面与颗粒之间、颗粒与颗粒之间均不存
本文以 Langm uir 吸附理论为基础, 着重分析颗 粒污染物在膜表面浓度极化的形成过程, 以此来研 究浓度极化阻力与凝胶层阻力的作用特性, 然后结 合 Darcy 定律推导了微滤膜过滤的数学模型, 并采 用一体式微滤膜过滤装置处理乳化油废水进行了实 验验证.
1 理论分析和模型建立
1. 1 极化- 凝胶层模型条件假设 1) 沿膜丝长度方向, 膜表面水力边界层的水力
micro- membrane for three different content of wastewater
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目前对微滤过滤的研究多关注于操作条件对膜 污染的影响, 而很少从膜污染进展的整个过程去考
察其发生机理, 微滤膜污染阻力主要由膜固有的阻 力、膜孔堵塞和吸附产生的阻力、浓度极化阻力和凝 胶层阻力等组成[ 9- 11] . 林红军等[ 12] 对膜孔堵塞和 吸附产生的阻力进行了研究, 结果表明, 该阻力仅在 T [ 1 min 的作用时间内起作用, 与过滤周期相比很 短, 可计入膜的固有阻力.
微滤膜作为新型膜分离技术以其操作压力低、 高效节能、对环境无污染等优点, 已成为现代膜分离 领域中应用范围最广泛的一种分离方法[ 1] , 但是在 微滤膜应用的过程中, 随着膜过滤的进行, 混合液中 的微细颗粒物会沉积在微滤膜表 面或吸附在膜孔 内, 造成膜污染[ 2] . 膜污染造成的 膜过滤通量下降 是微滤技术应用受到限制的最主要的问题之一, 因 此微滤膜污染规律的研究已成为人们研究和关注的 重点[ 3- 4] .
图 2 一体式膜过滤装置 Fig. 2 Integ rated membrane filtrating equipment
2. 2 实验乳化油的配置 实验所用的乳化油废水采用普通机器润滑油配
制, 按 一 定 体积 称 取 润滑 油 和水, 并 投加 一 定量 HL B 值 为 12~ 14 的乳化剂 ( 壬 基酚聚氧 乙烯醚, OP- 10) , 用电动高速搅拌机先低速搅拌 10 min, 再 高速搅拌 30 min 而制成. 实验配制了三种不同浓度 的乳化油水, 含油浓度分别为 0. 1% , 1. 0% , 5. 0% , 润滑油和水形成稳定的乳化液, 油滴粒径大部分在 0. 1~ 4 Lm, 粒径分布见图 3. 2. 3 测定仪器与方法
在化学和分子间作用力, 即微粒之间、微粒与膜之间 无相互作用, 忽略微细颗粒的重量.
4) 被吸附在膜表面的微粒受到布朗运动的影 响, 向混合液主体扩散. 1. 2 微细颗粒受力分析
一体式微滤膜过滤反应器中, 微细颗粒受到抽 吸作用力 F吸附力 被吸附在膜表面上, 同时由于曝气 的搅拌作用, 使得沉积在微滤膜表面的微细颗粒在 膜丝长度方向上受到膜面边 界层剪切力 F剪切力 的 作用, 另 外由 于布 朗运 动颗粒 还受 到 F扩散力 的作 用, 颗粒受力分析 见图 1. 膜面边 界层剪切力的存 在, 使得膜表面未被微粒完全覆盖时, 第二层以外的 微粒则在边界层剪力的作用下, 向单层分布发展, 视 过滤推动力为膜表面的吸附力, 则凝胶层的形成过 程符合 Langmuir 吸附理论.
摘 要: 研究微滤膜过滤阻力机理及其通量的变化是该工艺应用推广需要解决的关键. 以 Langm uir 理论和 Darcy 定律为基础, 从理论上证实了浓度极化阻力与凝胶层阻力是同一性质 的阻力, 并通过 L angmuir 关系式统一起来, 推导了微滤膜过滤阻力的数学模型. 然后采用一体 式膜过滤反应器过滤乳化油实验对该模型进行了验证. 实验结果与膜过滤阻力模型拟合得很 好( R 2= 0. 991 2) , 膜表面极化浓度与相对过滤压差成线性关系, 比例系数为凝胶层浓度. 基 于 Langm uir 理论的微滤膜过滤阻力模型能真实反映凝胶层阻力的形成过程. 用该模型得到的 沉积平衡系数 5 反映了混合液的浓度、颗粒大小、温度和黏度等过滤特性, 并把极限通量 J Vlim 与混合液过滤特性联系起来, 极限通量与过滤压差无关. 关键词: 微滤; 过滤模型; L angmuir 理论; 极限通量 中图分类号: X703 文献标识码: A 文章编号: 1007- 8924( 2010) 01- 0018- 06
( 7)
当过滤压差增大到某一程度时, 凝胶层形成( 即
H= 1) , 膜通量与压差 无关, 膜通量即为极限通 量, 其表达式为:
J Vlim =
1 5 Rcg
( 8)
则式( 7) 可写为:
J V=
$p
Rcm+
J
1
Vlim
$p
( 9)
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膜科学与技术
第 30 卷
由以上分析可知, 极限通量与污染物的颗粒粒 径、浓度、黏度和温度有关, 即与过滤液的特性相关, 与过滤压差无关.
第 30 卷 第 1 期 2010 年 2 月
膜科学与技术 M EM BRAN E SCI EN CE AN D T ECHNOL OGY
Vol. 30 No. 1 F eb. 2010
微滤膜过滤阻力机理及模型研究
曹占平1, 张景丽2, 张宏伟1
( 1. 天津工业大学 中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室, 天津 300160; 2. 天津城市建设学院 环境与市政工程系, 天津 300384)
基于 L angmuir 吸附理论的极化- 凝胶层模型,
Darcy 定律进一步写为:
J V=
$p L( R m+
HR g)
( 6)
将反应器混合液黏度 L 计入阻力项中, LR m 记
为 Rcm, LHR g 记为 HRcg, 在凝胶层形成前, 则式( 6)
可改写为:
J V=
Rcm+
$p 5 Rcg $p
乳化油粒径 的测定采 用英国 M astersizer 激光 粒度分析仪( 英国马尔文仪器有限公司) ; 乳化油含 量采用紫外分光光度计来测定. 膜表面乳化油的测 定方法: 取出膜组件, 在浓度为 1% 的石油醚中重复 萃取 3 次, 以保证油分全部转移到石油醚中, 用紫外 分光光度计测其吸光度, 根据标准曲线计算, 并将测
加大. 由此可见, 当 H[ 1 时, 浓度极化阻力可表示为
HR g, 浓度极化阻力和凝胶层阻力是同 一性质的阻
力, 过滤阻力表现为浓度极化阻力; 当 H\1 时, 凝
胶层形成, 由于 R g \R c, 因此极化阻力 Rc 可并入 凝胶层阻力 R g, 过滤阻力体现为凝胶层阻力[ 13] , 在 浓度极化存在到凝胶层形成的过程中( H 趋向 1 的
过滤压差与膜通量之间的关系见图 4. 在含油
量为 0. 1% 时, 不存在极 限通量( 即极限通量 无穷
大) , 由式( 9) , J V=
Rcm+
$p
J
1
Vlim
$p
,
其中J
1
Vlim
$p
=
0.
则式( 9) 变为: J V =
$p Rcm
,
即 JV
与
$p
成正比关 系,
公式表达与实验结果相符.
图 4 三种乳化油废水的微滤膜通量随过滤压差的变化 F ig. 4 F lux chang e w ith o peration pressur e of the
整理有: H=
k k
1 2
$p
,
令
k k
1=
2
5,
则 H= 5$p
( 3)
式中, 5 称为沉积平衡常数, 5 是混合液颗粒大小、
浓度、温度和黏度的函数.
由式( 3) 知: 随着过滤压差的增加, H值增大, 即
膜表面的微粒覆盖度增加, 过滤阻力随浓度极化的
增加( H增大) 而增大, 当 H[ 1 时, 浓度极化阻力 R c
的表达式为: R c= HRg; 当 H= 1 时, 凝胶层完 全形 成, 此时在存在浓度极化阻力 R c 的基础上, 过滤阻 力又增加了凝胶层阻力 R g; 当再增加过滤压差时, H\1, 即 微细颗粒 在膜表 面沉积 了第一 层凝胶 层
后, 还可形成 第二、第 三层 凝胶 层, 使凝胶 层厚 度
图 1 颗粒受力示意图 Fig. 1 Diagram of particles in force balance
1. 3 浓度极化- 凝胶层形成过程分析
一定温度下过滤时, 微细颗粒在膜表面上所占
面积与膜表面积的比例为覆盖率, 用 H表示, 则膜
表面未被覆盖的分数应为( 1- H) , 微细颗粒向膜面
定结果换算成 g / m2, 膜透过液的含油浓度的测定方 法是取 10 mL 水样用石油醚重复萃取 3 次, 计算方 法同上.
图 3 油滴的粒径分布图 Fig . 3 Distribution of particle size of oil in w astew ater
3 结果与分析
3. 1 实验结果
过程) , 浓度极化阻力是运行压差 $p 的函数, 即:
R c= R g 5$p
( 4)
由于膜面水力边界层剪切力的存在, 在凝胶层 存在的情况下, 滤饼层阻力在微滤膜错流过滤时因
阻力小, 在不计算滤饼层阻力的条件下, 计算结果与 实验相符[ 11, 14- 15] , 因此滤饼层阻力在总膜阻 力中 可忽略不计. 膜的通量、过滤压差 $p 和阻力的关系
剪切力均相等. 2) 反 应器中污染物 颗粒均视为球体 , 大于膜
收稿日期: 2008- 10- 20; 修改稿 收到日期: 2009- 01- 13 基金项目: 天津市自然科学基 金重点 项目( 08JCZDJC24300) ; 天津市科 技重大 支撑项 目( 06F ZZDSH00900) ; 天津市 高等
深入理解微滤膜过滤阻力机理及其通量变化规 律, 是目前该工艺需要解 决的关键问题. 许多研究 者[ 5- 8] 对微滤过 滤机理与阻力模 型进行了分析研 究, 但由于微滤过程影响因素的多样性和物料体系 的复杂性, 尚无普遍适用的模型可用来预测膜污染 时通量的变化规律. 因此, 如何建立简单实用的阻力 模型来预测膜通量就显得极为重要.