多孔陶瓷膜在高濁度溶液處理中的應(yīng)用

錢(qián)均新

（江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司，江蘇 宜興 214221）

所謂高濁度溶液，是指溶液中懸浮物含量很高（固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞0．2%）的溶液，一般指江河中泥沙含量較高的水，工業(yè)廢水（印染廢水，脫脂清洗液，金屬切削液），各種電解水，食品、醫(yī)療領(lǐng)域的含雜質(zhì)水（生物發(fā)酵液，醬油，醋中的渣）。如何高效處理高濁度溶液已成為固液分離領(lǐng)域的一個(gè)新課題。對(duì)于高濁度溶液，傳統(tǒng)處理方法是絮凝沉淀法，但此法需占用大量土地來(lái)建絮凝池和沉淀池；絮凝和沉淀時(shí)間較長(zhǎng)，效率低；且上清液濁度仍較高；溶液量大時(shí)，此法有很大局限性。

針對(duì)大量高濁度溶液，曾采用砂過(guò)濾、濾布過(guò)濾方法進(jìn)行處理，雖然耗時(shí)較短，但處理后的水濁度仍然較高，不適合直接使用或作為反滲透系統(tǒng)的進(jìn)液；如果溶液濁度非常高，很可能在短時(shí)間內(nèi)將過(guò)濾器完全堵塞。而采用多孔陶瓷膜及錯(cuò)流方法，可以在極短時(shí)間內(nèi)降低高濁度溶液濁度，使溶液可返回使用［1－5］。

1 多孔陶瓷膜

1．1 多孔陶瓷膜的特點(diǎn)

多孔陶瓷膜作為膜過(guò)濾的關(guān)鍵元件，通常分為3層：外層的陶瓷材料為支撐體，外形為多孔圓柱體或多孔棱柱體，孔徑一般為10～30μm，孔隙率為40%～60%，其作用是增強(qiáng)膜的機(jī)械強(qiáng)度；中間層的孔徑比支撐層的小，其作用是防止膜層制作過(guò)程中顆粒向多孔支撐層滲透，堵塞微孔，影響過(guò)濾通量，孔隙率為35%～45%；最內(nèi)層為膜層，即過(guò)濾層，其孔徑根據(jù)所處理的溶液可做成4 nm～10μm，孔隙率為40%～55%。整個(gè)膜的孔徑分布由支撐層到膜層逐漸減小，為不對(duì)稱(chēng)分布，并經(jīng)3次燒成，呈梯度微孔結(jié)構(gòu)。這種膜的分離層基本無(wú)缺陷，不僅過(guò)濾阻力小，而且表面平整光滑不易粘連物料，抗污染性能好，便于化學(xué)清洗；孔徑分布均勻，具有較好的選擇透過(guò)性，分離效果好。單根陶瓷管的長(zhǎng)度約為1m，且可根據(jù)需要制作不同的長(zhǎng)度，如圖1所示。

圖1 各種孔徑的陶瓷管立面圖

高濁度溶液從多孔陶瓷膜的一端流入，從另一端流出，清潔的溶液則透過(guò)膜壁，從垂直于膜壁的方向流出，形成錯(cuò)流，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)濾的目的。

1．2 多孔陶瓷膜的制備

1）特種環(huán)形氧化鋁粉的制備：為確保陶瓷膜不易被污染、堵塞且易于清洗，研制出了專(zhuān)門(mén)的球形氧化鋁粉。這種氧化鋁粉外形呈球形或類(lèi)球形，化學(xué)穩(wěn)定性好，致密光滑無(wú)尖角，不易積垢，易于清洗。

2）多孔陶瓷支撐體（膜載體）的制備：很多陶瓷膜管的耐腐蝕性不強(qiáng)，所以使用壽命短且無(wú)法實(shí)際應(yīng)用推廣，為此研制出高性能陶瓷支撐體，它耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿腐蝕，無(wú)缺陷，強(qiáng)度高，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)，這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

3）膜過(guò)濾層的制備：要制備優(yōu)質(zhì)可靠的陶瓷過(guò)濾膜，必須先在微孔直徑10～30μm的多孔陶瓷支撐體的過(guò)濾通道表面覆蓋一層過(guò)濾膜，該過(guò)濾膜的厚度在15～30μm，微孔直徑在0．2～1．5 μm之間。

4）膜層（過(guò)濾控制層）的制備：在過(guò)濾層表面制備過(guò)濾膜層是決定膜過(guò)濾分離特性的關(guān)鍵。膜層厚度一般為3～10μm，微孔直徑為0．2、0．1及0．05μm等。具體規(guī)格根據(jù)過(guò)濾溶液特性要求選用。

2 多孔陶瓷膜設(shè)備

2．1 設(shè)備組成

根據(jù)錯(cuò)流過(guò)濾原理，每套多孔陶瓷膜過(guò)濾設(shè)備由一臺(tái)陶瓷膜設(shè)備主機(jī)和電器控制柜組成。

系統(tǒng)包括供料系統(tǒng)、陶瓷膜精密過(guò)濾系統(tǒng)、自動(dòng)反沖系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、儀器儀表系統(tǒng)。

2．2 設(shè)備各系統(tǒng)說(shuō)明

1）供料系統(tǒng)：為陶瓷膜精密過(guò)濾裝置提供穩(wěn)定的料液 ，同時(shí)有一部分濃縮液返回循環(huán)罐進(jìn)一步進(jìn)行過(guò)濾處理。如果循環(huán)罐中的固體雜質(zhì)含量較高、濁度較大，則循環(huán)罐中的部分料液輸入壓濾機(jī)中進(jìn)行壓濾，除去大部分固體雜質(zhì)，以減輕陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾壓力。

組成：循環(huán)罐，供料泵，閥門(mén)管路等。

2）陶瓷膜精密過(guò)濾系統(tǒng)：待過(guò)濾液由供料泵提供給循環(huán)泵，經(jīng)循環(huán)泵增壓調(diào)壓后使具有一定膜面速度再進(jìn)入膜組件進(jìn)行液固分離，濾后清液（即滲透液）經(jīng)過(guò)膜組件匯集（補(bǔ)加一定量萃余液）后送電積，濃縮液（渣液）在膜管內(nèi)部往復(fù)循環(huán)。

組成：陶瓷膜組件，循環(huán)泵，支架，閥門(mén)儀表管路等。

3）自動(dòng)控制反沖系統(tǒng)：過(guò)濾一定時(shí)間后，經(jīng)過(guò)自動(dòng)控制，快速切換相應(yīng)閥門(mén)實(shí)現(xiàn)反清洗。反沖介質(zhì)為壓縮空氣和少量濾后液。在正常過(guò)濾過(guò)程中，反沖罐中自動(dòng)進(jìn)入少量濾后液作為反沖液，反沖時(shí)由閥門(mén)的瞬間切換接通壓縮空氣把少量濾后液壓入陶瓷膜組件中實(shí)現(xiàn)高壓瞬時(shí)反沖，濃縮液繼續(xù)在膜組件中濃縮，可大幅度緩解陶瓷膜在過(guò)濾過(guò)程中的污染和堵塞，延長(zhǎng)膜的使用壽命。

組成：反沖罐，氣動(dòng)球閥，電磁換向閥，閥門(mén)儀表管路等。

4）清洗系統(tǒng)：陶瓷膜污染后的再生性能是衡量陶瓷膜過(guò)濾器性能好壞的重要指標(biāo)。在長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)濾過(guò)程中，膜被污染是肯定的，關(guān)鍵是要找到適合工藝要求的清洗再生液。膜的再生是物理再生和化學(xué)再生共同作用的結(jié)果，對(duì)于具體項(xiàng)目，可根據(jù)過(guò)濾液的化學(xué)性能以及項(xiàng)目的整體工藝要求選擇具體再生液。如采用5%的稀硫酸溶液作為再生清洗液，隨著可溶性硫酸鹽的生成，陶瓷膜得到再生；剩余的一些附著于陶瓷膜表面和微孔中的不可溶性顆粒，由于可溶性硫酸鹽的溶解而松動(dòng)，在反沖過(guò)程中，液體在瞬間高壓空氣推動(dòng)下，擠壓管內(nèi)液體而使顆粒受到?jīng)_擊而脫落，陶瓷膜隨之得到再生。此設(shè)備經(jīng)過(guò)閥門(mén)切換，使膜組件得到在線酸洗再生。為了保護(hù)膜系統(tǒng)，每次生產(chǎn)之后或停機(jī)8h以上時(shí)，需將水或清洗液存放于系統(tǒng)中，避免膜干燥；夏天還應(yīng)加入一定量次氯酸鈉進(jìn)行消毒，以抑止細(xì)菌生成。

組成：純水罐，清洗罐，循環(huán)罐，閥門(mén)儀表管路等。

5）控制系統(tǒng)：整個(gè)設(shè)備由PLC全自動(dòng)控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，有自動(dòng)／手動(dòng)兩種控制方式。設(shè)備運(yùn)行情況及運(yùn)行參數(shù)均在觸摸屏上顯示。

組成：PLC，觸摸屏，電磁換向閥，強(qiáng)電。

2．3 設(shè)備優(yōu)點(diǎn)

1）處理效果好，可去除水中的各種細(xì)菌、泥沙、纖維、油污、乳化液等；

2）處理時(shí)間極短，僅需2～3秒；3）不需沉淀池，節(jié)省大量土地；

4）壽命長(zhǎng)，一次投入可連續(xù)使用5～8a；5）結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，無(wú)需復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)。

3 多孔陶瓷膜過(guò)濾參數(shù)及數(shù)據(jù)

在實(shí)際過(guò)濾控制過(guò)程中，進(jìn)入陶瓷膜的溶液的膜面流速很重要。對(duì)于高濁度溶液，設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)一般設(shè)定為：過(guò)濾時(shí)間1h，反沖時(shí)間1～3 s，過(guò)濾壓力0．1～0．2MPa，反沖壓力0．4～0．5 MPa，較高溫度。

衡量陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng)膜通量的主要指標(biāo)是通量遞減率α，即一定時(shí)間內(nèi)通量的變化為

通量變化率為

如這兩個(gè)指標(biāo)都穩(wěn)定，表明該高濁度溶液容易過(guò)濾；否則，難以過(guò)濾。

一般來(lái)說(shuō)α＜0．5和V＜10%表明過(guò)濾容易。

4 多孔陶瓷膜在高濁度溶液處理中的應(yīng)用

4．1 多孔陶瓷膜在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用

多孔陶瓷膜設(shè)備可以處理江、河、湖泊中泥沙含量較高的水，可在短短幾秒內(nèi)將濁度高達(dá)2 000 NTV的水處理成濁度＜1NTV的純凈水。由于設(shè)備本身自帶定時(shí)沖洗裝置，因此設(shè)備不易堵塞，可使用多年。

我國(guó)的某些海域水質(zhì)相當(dāng)渾濁，如舟山群島領(lǐng)域、連云港周邊水域、珠江口入海水域等。在這些海域中，要使用反滲透膜進(jìn)行海水淡化時(shí)，必須在預(yù)處理時(shí)，將渾濁海水的濁度降至1NTV以下。若采用陶瓷膜預(yù)處理系統(tǒng)，則可直接進(jìn)行處理，且效果很好。

4．2 多孔陶瓷膜在濕法冶煉中的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)鎳、鈷、銅的濕法冶煉工藝中，電解上清液的處理還沒(méi)有更好的辦法，傳統(tǒng)方法都是采用濾布過(guò)濾，普遍存在“穿濾、跑混”現(xiàn)象，且濾布使用壽命短。如采用多孔陶瓷膜過(guò)濾設(shè)備則可避免這些問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)金川公司、浙江華友公司等均已采用多孔陶瓷膜設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，效果很好。

5 總結(jié)

采用由多孔陶瓷膜制備過(guò)濾系統(tǒng)處理高濁度溶液具很好效果，其優(yōu)點(diǎn)為：不易堵塞，過(guò)濾分離效率高；膜層為無(wú)機(jī)材料制成，耐磨性好，使用壽命長(zhǎng)，可用5～8a；與有機(jī)膜相比，耐高溫，特別適合處理高溫原液（如發(fā)電廠的循環(huán)冷卻水，溫度較高的生物發(fā)酵液，電解液等）；化學(xué)穩(wěn)定性極佳，耐酸，耐堿，抗氧化，耐有機(jī)溶液，抗生物降解；孔徑分布窄，分離精度極高，可達(dá)納米級(jí)過(guò)濾；易清洗，可以用藥劑清洗或高溫消毒，也可反向沖洗。

［1］金瑯，馬衛(wèi)兵．過(guò)濾器選型設(shè)計(jì)制造［M］．北京：中國(guó)機(jī)械出版社，2006．

［2］王從厚．新世紀(jì)膜分離技術(shù)市場(chǎng)展望［J］．膜科學(xué)與技術(shù)，2003，23（4）：54－55．

［3］劉茉娥．膜技術(shù)在污水治理及回用中的應(yīng)用［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：86－94．

［4］徐南平，刑衛(wèi)紅，趙宜江．無(wú)機(jī)膜分離技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：122－132．

［5］任建新．膜分離技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：276－285，319－320．