往復(fù)旋轉(zhuǎn)管式陶瓷膜超濾脫脂奶水溶液的研究

張曉娜，梁志輝，曾燕艷，范洪波，呂斯濠

（1華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2東莞理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 東莞523808）

大量的研究表明[1-4]，膜組件旋轉(zhuǎn)可以有效減輕膜污染，延緩膜通量的衰減。目前，主要的旋轉(zhuǎn)膜組件有旋轉(zhuǎn)盤式膜[5]和旋轉(zhuǎn)管式膜[6]兩種。旋轉(zhuǎn)盤式膜系統(tǒng)通過(guò)膜片旋轉(zhuǎn)或者近膜面轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)[7]，提高圓盤式膜片表面的剪切力，延緩膜污染。旋轉(zhuǎn)管式膜系統(tǒng)由內(nèi)筒可旋轉(zhuǎn)膜管和外筒同軸不旋轉(zhuǎn)外殼組成，料液從兩筒間的管隙通過(guò)[8]，通過(guò)膜管的旋轉(zhuǎn)在管隙間形成泰勒渦二次流[9]，形成強(qiáng)化剪切的效果。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，這兩種旋轉(zhuǎn)膜組件一般采用單向高速旋轉(zhuǎn)的方式強(qiáng)化膜表面的剪切作用。近期，有研究發(fā)現(xiàn)[11]，往復(fù)旋轉(zhuǎn)的膜組件可以產(chǎn)生比單向旋轉(zhuǎn)更好的剪切強(qiáng)化效果。張杰琳等[11]采用往復(fù)旋轉(zhuǎn)中空纖維膜超濾脫脂奶水溶液，發(fā)現(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)比單向旋轉(zhuǎn)更利于延緩膜通量的衰減。不過(guò)，該研究?jī)H分別考察了3個(gè)不同旋轉(zhuǎn)角速度與往復(fù)周期的影響，如果要清楚解釋往復(fù)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)化膜過(guò)濾的規(guī)律與機(jī)理，仍需進(jìn)一步的研究工作；另外，該實(shí)驗(yàn)裝置采用的中空纖維膜在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中容易折斷，且密封性較難控制，影響數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

本文作者在張杰琳等[11]研究的基礎(chǔ)上，采用單孔陶瓷管式膜，設(shè)計(jì)了一種往復(fù)旋轉(zhuǎn)管式陶瓷膜裝置，過(guò)濾脫脂奶水溶液，考察往復(fù)旋轉(zhuǎn)條件下管式陶瓷膜的過(guò)濾特性以及操作參數(shù)對(duì)膜過(guò)濾過(guò)程的影響，以揭示往復(fù)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)化膜表面剪切作用的機(jī)理，推動(dòng)往復(fù)旋轉(zhuǎn)膜過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)所用料液為脫脂奶粉的水溶液，由 70 ℃的自來(lái)水與脫脂奶粉（內(nèi)蒙古伊利實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司）配制而成，配制奶粉溶液濃度分別為2 g/L、4 g/L 、6 g/L 、8 g/L和10 g/L，實(shí)驗(yàn)溫度控制在18 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)用膜

本實(shí)驗(yàn)所用超濾膜是合肥長(zhǎng)城新元膜科技有限公司生產(chǎn)的外壓?jiǎn)慰坠苁教沾赡?，膜的基本參?shù)如表1所示。經(jīng)測(cè)定，該超濾膜對(duì)實(shí)驗(yàn)所用奶粉溶液中蛋白質(zhì)的截留率可達(dá)到98%左右。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，裝置的筒體采用內(nèi)徑為17 cm、高38.5 cm的有機(jī)玻璃制成，有效容積為8.2L。裝置內(nèi)豎直安裝 8根陶瓷膜管，膜管固定在 4個(gè)中空橫桿上，每個(gè)橫桿上有2個(gè)距筒體軸心分別為30 mm和60 mm的小孔，用于固定膜管。4個(gè)中空橫桿成“十”字形安裝在1個(gè)中空轉(zhuǎn)軸上。中空轉(zhuǎn)軸由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)膜組件做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)由PLC控制，往復(fù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（n）與周期（T，表示膜組件完成一次正向與反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間）均可調(diào)。實(shí)驗(yàn)中，料液通過(guò)蠕動(dòng)泵由料液桶泵入筒體頂部的進(jìn)料口中。膜濾出液從外向內(nèi)進(jìn)入陶瓷膜管內(nèi)，然后通過(guò)中空橫桿進(jìn)入中空轉(zhuǎn)軸，最終由蠕動(dòng)泵從中空轉(zhuǎn)軸頂部抽出，收集在燒杯內(nèi)，用量筒測(cè)量濾出液體積。為了保持原料槽內(nèi)料液的濃度不變，濾出液不斷倒回料液桶內(nèi)，并用玻璃棒攪拌均勻。整個(gè)筒體的壓力由安裝在頂部的壓力表測(cè)定。濃縮液由裝置底部的濃縮液出口回流到原料液桶內(nèi)，回流管線上安裝的閥門可以用于調(diào)節(jié)膜過(guò)濾的壓力。為保證實(shí)驗(yàn)條件不變，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后均采用相同的清洗方法，清洗后采用純水在TMP=50 kPa下過(guò)濾30 min，確保純水通量在385 L/(m2·h)左右，且誤差小于5%。

表1 超濾膜的基本參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.4 膜通量的測(cè)定

以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程中，膜通量公式見(jiàn)式（1）。

式中，V為在t時(shí)間內(nèi)的濾出液體積，L；S為膜有效過(guò)濾面積，m2；t為過(guò)濾的時(shí)間，h。本實(shí)驗(yàn)中，過(guò)濾開(kāi)始階段，每2 min量取一次透過(guò)液的體積，0.5 h后，每5 min量取濾出液的體積，持續(xù)1 h，每個(gè)過(guò)濾實(shí)驗(yàn)持續(xù)90 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同旋轉(zhuǎn)方式的比較

在TMP為100 kPa、料液濃度4 g/L、溫度18 ℃的條件下，分別控制陶瓷膜不旋轉(zhuǎn)（n=0，即死端過(guò)濾）、單向旋轉(zhuǎn)（n=100 r/min）、往復(fù)旋轉(zhuǎn)（n=100 r/min，往復(fù)周期T=2 s）的條件下，考察不同旋轉(zhuǎn)方式對(duì)膜過(guò)濾效果的影響。結(jié)果如圖2所示，死端過(guò)濾膜通量衰減的速率最快，過(guò)濾90 min后，膜通量?jī)H為3.5 L/(m2·h)。單向旋轉(zhuǎn)膜過(guò)濾時(shí)，過(guò)濾90 min后膜通量為13.1 L/(m2·h)，約為死端過(guò)濾4倍。相對(duì)而言，往復(fù)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾時(shí)膜通量的衰減最慢，過(guò)濾90 min后，膜通量為30.3 L/(m2·h)，約為死端過(guò)濾的9倍。該結(jié)果與張杰琳等[11]相似，表明旋轉(zhuǎn)可以延緩膜通量衰減，往復(fù)旋轉(zhuǎn)的延緩效果比單向旋轉(zhuǎn)更好。

2.2 往復(fù)旋轉(zhuǎn)管式膜的影響因素

2.2.1 料液濃度的影響

圖2 不同過(guò)濾方式對(duì)膜通量衰減的影響

圖3 不同料液濃度對(duì)膜通量衰減的影響

在TMP=100 kPa、料液溫度18 ℃、往復(fù)周期T=2 s、旋轉(zhuǎn)速度n=100 r/min條件下，分別考察料液質(zhì)量濃度c為2 g/L、4 g/L、6 g/L、8 g/L和10 g/L時(shí)的膜過(guò)濾通量隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖3所示。膜通量隨時(shí)間的增長(zhǎng)不斷下降，并且在過(guò)濾初期會(huì)迅速衰減，而后逐漸趨于穩(wěn)定，直至達(dá)到相對(duì)的穩(wěn)態(tài)通量。料液濃度越大，膜初始通量越小，且膜通量衰減越快，穩(wěn)態(tài)通量亦越小，膜通量與料液濃度之間基本呈線性關(guān)系。該結(jié)果表明，即使在膜表面剪切強(qiáng)化的過(guò)濾方式下，料液濃度也會(huì)對(duì)膜通量產(chǎn)生直接的影響。根據(jù)達(dá)西定律膜的滲透通量受料液黏度與膜污染阻力的影響[12]，而料液濃度則會(huì)直接影響料液黏度與膜污染阻力，故即使在旋轉(zhuǎn)剪切的情況下，料液濃度的改變?nèi)詴?huì)影響膜通量。

2.2.2 操作壓差的影響

考察了料液溫度18 ℃、濃度4 g/L、旋轉(zhuǎn)速度n=100 r/min、往復(fù)周期T=2 s的條件下， TMP分別為10 kPa、40 kPa、70 kPa、100 kPa和130 kPa時(shí)的膜通量變化。由圖4可知，TMP越大，膜的初始通量越大，兩者基本呈線性關(guān)系。TMP從10 kPa增大至100 kPa時(shí)，膜的穩(wěn)態(tài)通量會(huì)隨TMP增大而增大，但當(dāng)TMP為130 kPa時(shí)，膜的穩(wěn)態(tài)通量甚至低于70 kPa時(shí)的值。這是因?yàn)檩^大的操作壓力將會(huì)壓實(shí)膜表面產(chǎn)生的凝膠層，使得膜阻力增大，膜通量降低。而在較低的壓力條件下，濾餅層較松散，容易被旋轉(zhuǎn)剪切流掃落，使過(guò)濾阻力變小，延緩了膜污染。該結(jié)果表明，采用往復(fù)旋轉(zhuǎn)膜過(guò)濾脫脂奶水溶液時(shí)，需控制在較低的TMP下操作，一旦TMP達(dá)到一定程度，會(huì)導(dǎo)致膜污染的加重。

圖4 不同操作壓差對(duì)膜通量衰減的影響

2.2.3 旋轉(zhuǎn)速度的影響

在TMP為100 kPa、料液溫度18 ℃、濃度4 g/L條件下，考察旋轉(zhuǎn)速度n分別20 r/min、40 r/min、60 r/min、80 r/min和100 r/min、往復(fù)周期T分別為2 s、4 s、6 s、8 s和10 s時(shí)的膜通量變化，將穩(wěn)態(tài)通量的結(jié)果示于圖 5。在往復(fù)周期一定時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，膜穩(wěn)態(tài)通量呈先迅速增長(zhǎng)、后緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)速度增加，膜表面剪切力增大，膜組件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)在膜表面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)切向流，這不僅可以減輕濃差極化現(xiàn)象，還及時(shí)帶走沉積在膜表面的濾餅層，從而更好地延緩膜通量的衰減速率。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加旋轉(zhuǎn)速度，膜穩(wěn)態(tài)通量增加較為緩慢。這是因?yàn)榱弦褐械念w粒物在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受到滲透流曳力作用的同時(shí)也受到離心力的作用。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增加到一定程度時(shí)，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力起著削弱過(guò)濾壓力的作用，使過(guò)濾速率增加緩慢[13]。

2.2.4 往復(fù)旋轉(zhuǎn)周期的影響

圖5 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)膜通量衰減的影響

圖6 不同往復(fù)旋轉(zhuǎn)周期對(duì)膜通量衰減的影響

張杰琳等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了周期對(duì)減緩膜污染的影響，但不能清晰闡述周期對(duì)減緩膜污染的內(nèi)在原因。為了更深入研究周期對(duì)減緩膜污染的影響，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)：在TMP為100 kPa、料液溫度18 ℃、濃度4 g/L條件下，考察以不同速度旋轉(zhuǎn)的膜在T分別為0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s、0.5 s、1 s、1.5 s、2 s、4 s、6 s、8 s和10 s時(shí)的膜穩(wěn)態(tài)通量變化，結(jié)果如圖6所示。隨著旋轉(zhuǎn)周期的增加，膜穩(wěn)態(tài)通量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)槟そM件旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)料液運(yùn)動(dòng)，在膜穩(wěn)態(tài)通量上升階段，由于旋轉(zhuǎn)周期比較小，料液速度尚未達(dá)到膜組件速度就反向旋轉(zhuǎn)膜組件，此階段，隨著旋轉(zhuǎn)周期增大，料液可獲得的速度增大，反向旋轉(zhuǎn)膜組件時(shí)，料液的速度與膜組件轉(zhuǎn)速之間的矢量疊加在膜表面產(chǎn)生的速度梯度增大，可產(chǎn)生較強(qiáng)烈的膜表面剪切作用，膜穩(wěn)態(tài)通量也增大。當(dāng)旋轉(zhuǎn)周期增加到一定值時(shí)，料液的速度可達(dá)到與膜組件相同的速度，此時(shí)瞬時(shí)反方向旋轉(zhuǎn)膜組件，膜表面剪切強(qiáng)化作用最強(qiáng)；在膜穩(wěn)態(tài)通量下降階段，隨著旋轉(zhuǎn)周期增大，當(dāng)料液的速度達(dá)到膜組件的速度后，料液與膜組件以相近速度一起旋轉(zhuǎn)，膜表面的剪切強(qiáng)化作用減弱。另外，隨著旋轉(zhuǎn)周期繼續(xù)增大，單位時(shí)間內(nèi)反方向旋轉(zhuǎn)膜組件的頻率也將會(huì)減少，這也將會(huì)弱化剪切強(qiáng)化作用，使膜穩(wěn)態(tài)通量減小。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度小于一定值時(shí)，膜表面剪切作用較弱，旋轉(zhuǎn)周期對(duì)膜穩(wěn)態(tài)通量的影響不明顯。

2.3 能耗分析

在TMP為100 kPa、料液溫度18 ℃、濃度4 g/L條件下，對(duì)轉(zhuǎn)速n=20 r/min、40 r/min、60 r/min、80 r/min和100 r/min時(shí)，往復(fù)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾（周期T=1 s）與單向旋轉(zhuǎn)過(guò)濾進(jìn)行能耗對(duì)比。以單位通量能耗率P為指標(biāo)，即獲得單位體積料液所消耗的凈電量。凈電量指在相同工況下膜系統(tǒng)過(guò)濾所消耗的總電量減去膜系統(tǒng)空轉(zhuǎn)所消耗的電量[14]。該裝置運(yùn)行耗電量通過(guò)電度表（浙江華星儀表有限公司）來(lái)測(cè)定，過(guò)濾時(shí)間為4 h，結(jié)果如圖7所示。轉(zhuǎn)速n =20 r/min時(shí)，往復(fù)旋轉(zhuǎn)的單位通量能耗率比單向旋轉(zhuǎn)略大。隨著轉(zhuǎn)速增大，兩種旋轉(zhuǎn)形式下的單位通量能耗率均逐漸降低，而往復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)的單位通量能耗下降更快。在n=100 r/min時(shí)，往復(fù)旋轉(zhuǎn)的單位通量能耗率為10.34 kW·h/m3，約為單向旋轉(zhuǎn)時(shí)的1/2。其原因是轉(zhuǎn)速較小時(shí)，往復(fù)旋轉(zhuǎn)形成的膜表面剪切強(qiáng)化作用較弱，其膜穩(wěn)態(tài)過(guò)濾通量較單向旋轉(zhuǎn)增加不大，且其在往復(fù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中需要不斷克服料液與膜組件之間的內(nèi)摩擦力，增加了凈電量，導(dǎo)致其單位通量能耗較單向旋轉(zhuǎn)大。而當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到一定值后，往復(fù)旋轉(zhuǎn)在膜表面的剪切強(qiáng)化作用強(qiáng)烈，具有明顯減緩膜污染的效果，雖仍需要克服料液與膜組件之間的內(nèi)摩擦力，增加凈電量，但單位時(shí)間內(nèi)可得到較多的濾出液，因此，往復(fù)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾單位通量能耗較單向旋轉(zhuǎn)過(guò)濾低。

圖7 往復(fù)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾和單向旋轉(zhuǎn)過(guò)濾能耗對(duì)比

3 結(jié) 論

采用往復(fù)旋轉(zhuǎn)管式膜超濾脫脂奶水溶液相對(duì)于死端過(guò)濾和單向旋轉(zhuǎn)過(guò)濾有明顯的減緩膜污染的效果。隨著料液濃度的增加，膜通量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。操作壓力是膜過(guò)濾的推動(dòng)力，在較低壓力下，增大壓力可提高膜通量，但當(dāng)壓力增大到一定程度后，繼續(xù)增加操作壓力，膜的穩(wěn)態(tài)通量反而下降。在其它條件一定的情況下，旋轉(zhuǎn)速度增加，膜表面剪切率增大，可以更好地延緩膜通量的衰減速率。往復(fù)旋轉(zhuǎn)周期對(duì)膜穩(wěn)態(tài)通量的影響較為復(fù)雜，單純減小或者增大旋轉(zhuǎn)周期都不能很好地提高膜穩(wěn)態(tài)通量。當(dāng)料液旋轉(zhuǎn)速度與膜組件旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到相近時(shí)，反方向旋轉(zhuǎn)膜組件，此時(shí)在膜表面切向流速度最大，剪切強(qiáng)化效果最好。從能耗方面分析，在同一條件下運(yùn)行，往復(fù)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾較單向旋轉(zhuǎn)過(guò)濾單位通量能耗低，是一種非常有效的強(qiáng)化膜分離技術(shù)。

符 號(hào) 說(shuō) 明

C—— 料液質(zhì)量濃度，g/L

J——膜過(guò)濾通量，L/(m2·h)

Js——膜過(guò)濾穩(wěn)態(tài)通量，L/(m2·h)

n——旋轉(zhuǎn)速度，r/min

P——單位通量能耗率，kW·h/m3

S——膜有效過(guò)濾面積，m2

T——旋轉(zhuǎn)周期，s

TMP——膜過(guò)濾壓差，kPa

t——過(guò)濾時(shí)間，h或min

V——濾出液體積，L

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