旋流式聚四氟乙烯荷電膜污水過(guò)濾器的過(guò)濾特性

潘華強(qiáng)倪令芹林偉藺愛(ài)國(guó)

（1湛江南海西部石油合眾近海建設(shè)有限公司 廣東湛江 5240572中國(guó)石油大學(xué)（華東）科學(xué)技術(shù)研究院 山東東營(yíng) 257061）

自上世紀(jì)60年代以來(lái)，膜分離技術(shù)發(fā)展至今面臨諸多問(wèn)題，其中，最重要的問(wèn)題：怎樣延緩膜通量的衰減、降低荷電膜污染。通過(guò)消減濃差極化、膜表面濾餅層形成，可以達(dá)到延緩膜通量衰減的效果，目前的主要手段是提高膜表面水力剪切作用，即提高膜面剪切率。在提高膜面剪切率的各種方法中，目前最行之有效的是通過(guò)形成沿膜表面切向高速流動(dòng)的待處理原料液旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，即切向流過(guò)濾(crossflowfiltration，CFF)，此舉可解決膜表面濃差極化問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為達(dá)到最佳效果，本實(shí)驗(yàn)中的荷電膜采用孔徑為0.8的聚四氟乙烯荷電膜膜(PTFE)，取自東營(yíng)福斯特石油技術(shù)有限公司。膜組件兩側(cè)壓差分為兩種模式進(jìn)行測(cè)量：低壓時(shí)使用量程為0kPa～40kPa的EJA110A差壓變送器，精度等級(jí)為0.1%；高壓時(shí)采用量程為0kPa～300kPa的AM1151電容式差壓變送器，精度等級(jí)為0.5%。兩種模式的輸出電流均為4mA～20mA，通過(guò)HK-PCI812數(shù)據(jù)采集板（綜合誤差≤0.2%），電信號(hào)由差壓變送器輸出，并輸入到計(jì)算機(jī)。本實(shí)驗(yàn)選用LZB玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)作為膜組件流量計(jì)量裝置，該轉(zhuǎn)子流量計(jì)的測(cè)量范圍是60L/h～600L/h、測(cè)量精度等級(jí)為1.5%。在料液罐中，安裝溫度控制裝置和自制攪拌器，一方面為了控制溫度，另一方面也保持了料液的均勻性。為保證實(shí)驗(yàn)取水樣與采集時(shí)的溫度一致，本實(shí)驗(yàn)采用溫度范圍-5℃～100℃，波動(dòng)度℃的THD-0515W型低溫恒溫槽，以達(dá)到保持水樣恒溫的目的。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

采用含油污水（取自勝利油田某污水站）和去離子水作為本文實(shí)驗(yàn)所用水樣。含油污水的主要物理指標(biāo)有：懸浮固體含量10 mg/L～50mg/L，總礦化度48497.1mg/L，含油量為20mg/L～100mg/L（通過(guò)721分光光度計(jì)測(cè)量獲得），懸浮物粒徑中值為4左右（通過(guò)COULTERMULTISIZERⅡ庫(kù)爾特全自動(dòng)顆粒粒度分析儀測(cè)定含油污水獲得）。經(jīng)測(cè)試含油污水中的油和懸浮物顆粒的Zate電位在－4mv～－16mv之間；實(shí)驗(yàn)所用膜材料是聚四氟乙烯荷電膜(PTFE)，表面Zate電位在－20mv左右；過(guò)濾器為不銹鋼材質(zhì)，尺寸為Φ600mm×1800mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 實(shí)驗(yàn)理論及原理

根據(jù)牛頓黏性定律，液體流動(dòng)的切應(yīng)力（也稱剪應(yīng)力）r(kg／m2)與液體的剪切速率成正比，如式(1)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 不同濃度過(guò)濾液對(duì)過(guò)濾通量的影響

旋流荷電膜過(guò)濾器中過(guò)濾通量的大小受濃度的大小影響甚大。在入口壓力值及出口壓力值分別為0.05MPa和0.034MPa時(shí)，本文研究了懸浮液濃度為20、40、60、80、100ppm及去離子水五種工況下的過(guò)濾通量隨時(shí)間的變化。

2.2.2 膜污染阻力對(duì)過(guò)濾器過(guò)濾性能的影響

實(shí)驗(yàn)中給出兩種膜器穩(wěn)態(tài)時(shí)膜兩側(cè)的壓差。在相同的工況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)受阻力的程度為：普通錯(cuò)流微濾膜器大于旋流荷電膜過(guò)濾器。這是因?yàn)樾骱呻娔み^(guò)濾器中存在旋轉(zhuǎn)剪切流，能夠緩解膜器的污染程度。同時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)膜兩側(cè)的壓差較低時(shí)旋流荷電膜過(guò)濾器較普通錯(cuò)流微濾膜器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，達(dá)到降低靜壓的效果，這與前面在分析通過(guò)旋流發(fā)生器的流體會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而發(fā)生降低靜壓的結(jié)論一致。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究旋流荷電膜過(guò)濾器中影響過(guò)濾通量的某些操作參數(shù)，就旋流荷電膜過(guò)濾器與普通錯(cuò)流膜過(guò)濾器的過(guò)濾性能展開(kāi)了對(duì)比研究，經(jīng)分析可以有以下結(jié)論：（1）旋流荷電膜過(guò)濾器中過(guò)濾通量的大小受濃度的大小影響甚大。簡(jiǎn)而言之，兩者成反比。當(dāng)增大濃度的值，過(guò)濾通量反而降低，并且隨時(shí)間的變化。

其衰減程度越來(lái)越顯著。另外，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間會(huì)隨著濃度的增大而縮短，導(dǎo)致在有限的穩(wěn)態(tài)時(shí)間內(nèi)過(guò)濾通量較低。以此同時(shí)當(dāng)去離子水的過(guò)濾通量達(dá)到最大值時(shí)，視外界為理想環(huán)境下，那么過(guò)濾通量可作為一個(gè)不隨時(shí)間變化的常數(shù)。（2）入口壓力是影響旋流荷電膜過(guò)濾器中過(guò)濾通量的一個(gè)重要因素。隨著入口壓力的增大，過(guò)濾通量會(huì)隨之小幅度增加，但入口壓力增大到一定值時(shí)，過(guò)濾通量反而會(huì)降低，那么應(yīng)存在最優(yōu)的一個(gè)入口壓力值。針對(duì)該實(shí)驗(yàn)的研究，在取物料濃度為40ppm，出口壓力值為0.018MPa的條件下，最優(yōu)的入口壓力值為0.025MPa。(3)通過(guò)與普通管式錯(cuò)流膜過(guò)濾器的對(duì)比，可以看出旋流荷電膜過(guò)濾器的強(qiáng)化作用在懸浮液低濃度下較為明顯。

[1]呂斯濠,秦琦,張杰琳,等.旋轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)化膜過(guò)濾技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2012,31(11):2373.

[2]藺愛(ài)國(guó),劉培勇,劉剛,等.膜分離技術(shù)在油田含油污水處理中的應(yīng)用進(jìn)展[J].工業(yè)水處理,2006,26(1):5-8.

[3]藺愛(ài)國(guó),劉剛.改性聚四氟乙烯膜用于油田污水精細(xì)處理[J].工程塑料應(yīng)用，2006,34(3):39-41.