陶瓷膜過(guò)濾蔗汁后膜通量恢復(fù)方法比較

胡瑞云，沈石妍，李艷芳，李雪珍

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南　開(kāi)遠(yuǎn)　661699）

陶瓷膜過(guò)濾蔗汁后膜通量恢復(fù)方法比較

胡瑞云，沈石妍*，李艷芳，李雪珍

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南開(kāi)遠(yuǎn)661699）

陶瓷膜過(guò)濾蔗汁后，膜孔易被堵塞，造成膜通量大幅降低，影響膜的使用效率，需制定合理的清洗方法，有效恢復(fù)膜通量，延長(zhǎng)膜的使用壽命。本實(shí)驗(yàn)對(duì)堿性清洗劑、含酶清洗劑、混合氧化劑和混合氧化劑浸泡一段時(shí)間后再清洗的4種清洗方法的清洗效果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示混合氧化劑浸泡后再清洗的方法較適合過(guò)濾蔗汁后陶瓷膜管的清洗，膜通量恢復(fù)率可達(dá) 87%以上，清洗效率較高，達(dá)到有效恢復(fù)被污染陶瓷膜的水通量的目的。

陶瓷膜；膜污染；膜清洗；膜通量恢復(fù)

0　前言

膜過(guò)濾作為一種新型的分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)，在近30年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，這種技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到食品、醫(yī)藥、環(huán)保、石油化工等多個(gè)領(lǐng)域。從1994年開(kāi)始美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的制糖研究所已經(jīng)開(kāi)始在制糖領(lǐng)域運(yùn)用微濾、超濾技術(shù)分離提純蔗糖，包括原糖精加工，甜菜、甘蔗直接加工白砂糖，糖蜜中分離回收糖，廢水處理等技術(shù)［1］。但是在微孔過(guò)濾中濾膜隨著使用時(shí)間的不斷延續(xù)，極易被少量與孔徑大小相當(dāng)?shù)奈⒘；蚰z體粒子堵塞，導(dǎo)致膜孔徑減少和膜孔堵塞，膜清洗困難。

在膜過(guò)濾中，膜污染的種類主要分為吸附污染、沉淀污染、生物污染。吸附污染是指有機(jī)物在膜表面的吸附，主要污染物是溶解物、乳化物，是影響膜效能的主要因素；沉淀污染是無(wú)機(jī)物如鈣鹽、磷鹽、鐵鹽、鎂鹽形成的沉淀或結(jié)垢，有機(jī)物如脂肪、蛋白質(zhì)腐殖酸、膠體及多羥基芳香化合物形成的膠體沉淀；生物污染主要是指膜在保存過(guò)程中投入的殺菌劑不足時(shí)，在膜管上形成如藻類、細(xì)菌類等生物膜，影響膜的性能。對(duì)于受污染膜管的清洗通常分為物理清洗、化學(xué)清洗、生物清洗等類型。物理清洗主要利用水流、氣液湍流沖洗膜管內(nèi)的污染物，物理清洗僅僅能使膜的透水性能得到一定程度的恢復(fù)；化學(xué)清洗可清洗不同結(jié)垢類型的污染物；生物清洗是使用相對(duì)應(yīng)的含酶制劑酶解生物污染物達(dá)到清洗的目的。膜的清洗可分為酸性清洗劑、堿性清洗劑、含酶清洗劑、氧化清洗劑等清洗方法。酸性清洗方法適用于可溶于酸性清洗劑的鈣、鎂離子的污染，因酸洗具有使膜孔收縮的特點(diǎn)，通常情況下適用于經(jīng)長(zhǎng)期堿性清洗劑清洗后的擴(kuò)張膜管的收縮。堿性清洗方法適用于油性污染物、有機(jī)物污染物的清洗，堿性清洗劑可使膜孔放松，提高清洗效率。含酶清洗劑適用于蛋白、酶等有機(jī)污染物的清洗。氧化劑清洗適用于清除色素、膠體、脂類等混合污染物。

陶瓷膜是一種性能較為穩(wěn)定的新型過(guò)濾膜，運(yùn)用于蔗汁的過(guò)濾中可去除 99%以上的懸浮雜質(zhì)和80%～90%以上的色素物質(zhì)，除雜脫色效率較高。但是在過(guò)濾過(guò)程中膜管極易被蔗汁中的葡聚糖、蛋白質(zhì)、淀粉、脂蠟等有機(jī)物堵塞膜孔，當(dāng)通量下降至初始通量的2%～10%左右時(shí)，必須及時(shí)清洗，若不及時(shí)清洗，會(huì)造成膜管永久性的堵塞，導(dǎo)致膜管報(bào)廢。通常膜管清洗后水通量至少要恢復(fù)至初始通量的80%以上，方可視為膜管通量已恢復(fù)。本試驗(yàn)旨在采用不同的化學(xué)清洗劑對(duì)陶瓷膜管進(jìn)行清洗，對(duì)比膜通量恢復(fù)效果，尋找最佳清洗方式，達(dá)到有效恢復(fù)被污染陶瓷膜的水通量的目的，提高膜的使用周期和使用壽命。

1　材料與方法

1.1供試樣品

選用云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所第一試驗(yàn)基地甘蔗樣品。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

陶瓷/管式膜小試設(shè)備：CeraMen-0100、1.5 kW，每次可安裝膜管1支，廈門(mén)福美科技有限公司。陶瓷膜過(guò)濾裝置流程圖如圖1所示。

陶瓷膜孔徑：50 nm、100 nm各1只，膜管尺寸：φ30 mm×500 mm，膜有效過(guò)濾面積：0.12 m2，適用過(guò)濾溫度5～85℃，pH適用范圍0～14。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)清洗方法按表1方案進(jìn)行。

1.3.1過(guò)濾蔗汁前純水通量測(cè)定

圖1　陶瓷膜過(guò)濾裝置流程圖

表1　膜管清洗方案

將待測(cè)定的陶瓷膜安裝到實(shí)驗(yàn)裝置上，料桶中放入純水，啟動(dòng)裝置，排除管內(nèi)氣泡，控制濃縮液流量為80～100 L/h，進(jìn)膜壓力0.20～0.32 MPa，出膜壓力0.18～0.25 MPa，每5 min測(cè)量膜管的純水通量1次。

1.3.2過(guò)濾蔗汁時(shí)膜通量測(cè)定

排凈料桶內(nèi)純水放入蔗汁，按前述過(guò)程操作，每5 min測(cè)量膜管的蔗汁通量1次。

1.3.3 藥劑清洗

排凈料桶內(nèi)剩余蔗汁放入清水，啟動(dòng)裝置，保持最低進(jìn)出膜壓力的狀態(tài)下，沖洗干凈被污染的膜管，按清洗方案放入清洗劑，保持最低進(jìn)出膜壓力的狀態(tài)下，循環(huán)清洗15～30 min，沖洗干凈清洗劑后，每5 min測(cè)量膜管的純水通量1次，該通量即為被污染膜管恢復(fù)后的水通量。

1.4計(jì)算

1.4.1水通量

水通量用 WFR125表示，指在溫度 25℃、操作壓力為0.1 MPa下，單位面積每小時(shí)透過(guò)膜管的滲透液體積升數(shù)。

式中：TMP—操作壓力，MPa；P1—物料進(jìn)口壓力，MPa；P2—物料循環(huán)壓力，MPa；P3—透徹出口壓力，MPa，通常情況下可視為0；Q—滲透?jìng)?cè)滲透液的流量，L/h；K—溫度校正系數(shù)；S—膜過(guò)濾面積，m2。

圖2　堿性清洗劑清洗前后的膜通量變化

1.4.2水通量的恢復(fù)率

水通量的恢復(fù)率計(jì)算方式如式（3）所示。

2　結(jié)果與分析

2.1堿性清洗劑清洗前后的膜通量變化

按方案一清洗膜通量變化情況如圖2所示，過(guò)濾前100、50 nm膜管的平均水通量WFR125分別為1237、565 L，過(guò)濾蔗汁時(shí)分別降低為16、13 L，清洗后分別恢復(fù)至87、56 L。

2.2含酶清洗劑清洗前后的膜通量變化

按方案二清洗膜通量變化情況如圖3所示，過(guò)濾前100、50 nm膜管的平均水通量WFR125分別為1148、866 L，過(guò)濾蔗汁時(shí)分別降低為16、18 L，清洗后分別恢復(fù)至46、61 L。

圖3　酶制劑清洗劑清洗前后的膜通量變化

2.3混合氧化劑清洗前后的膜通量變化

按方案三清洗膜通量變化情況如圖4所示，過(guò)濾前100、50 nm膜管的平均水通量WFR125分別為1195、827 L，過(guò)濾蔗汁時(shí)分別降低為16、24 L，清洗后分別恢復(fù)至686、377 L。

2.4混合氧化劑浸泡4 h后再清洗膜通量變化

按方案四清洗膜通量變化情況如圖5所示，過(guò)濾前100、50 nm膜管的平均水通量WFR125分別為1212、722 L，過(guò)濾蔗汁時(shí)分別降低為17、20 L，清洗后分別恢復(fù)至1255、631 L。

圖4　混合氧化劑清洗前后膜通量變化圖

圖5　混合氧化劑浸泡清洗前后膜通量變化圖

2.5膜管水通量恢復(fù)率的效果對(duì)比

從圖6可看出，4種清洗方法中單獨(dú)使用堿性清洗劑或含酶清洗劑的清洗效率很低，經(jīng)過(guò)1次清洗后，水通量恢復(fù)率僅為4.0%～9.9%，需經(jīng)多次清洗才可恢復(fù)至40%左右，清洗效果不理想?；旌涎趸瘎┑那逑葱Ч^為理想，經(jīng)過(guò)1次清洗后水通量恢復(fù)率可達(dá)45.6%～57.4%，經(jīng)多次清洗即可復(fù)原，但是清洗過(guò)程繁瑣。使用混合氧化劑浸泡4 h后再清洗，讓清洗劑與污染物有充分的反應(yīng)時(shí)間，堿液有助于提高脂類在水中的溶解度，氧化劑可將截留的大分子氨基酸、蛋白質(zhì)等有機(jī)物分解為溶解態(tài)的有機(jī)物［2］，可使頑固的污染層脫落，再通過(guò)一定的壓力和湍流速度可充分清洗掉膜管上的污染物，僅1次清洗基本能恢復(fù)至使用前水通量的 87%以上，清洗效率較高。經(jīng)混合氧化劑浸泡清洗過(guò)的陶瓷膜管，進(jìn)行過(guò)濾蔗汁的效果測(cè)試，蔗汁的色值去除率和用該方法清洗前的去除率基本一致，沒(méi)有破壞陶瓷膜管的分子結(jié)構(gòu)，排除了因長(zhǎng)時(shí)間藥劑浸泡造成膜管損傷的可能性。

3　結(jié)論

膜過(guò)濾運(yùn)行中當(dāng)膜管水通量的恢復(fù)率低于使用前的80%，則可視為膜管效能衰退或膜管已被污染。從本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以明顯看出：蔗汁中含有的葡聚糖、淀粉、脂蠟、膠體以及色素等雜質(zhì)是造成膜管污染、清洗困難的主要因素。在膜過(guò)濾中，膜的操作控制也是導(dǎo)致膜管污染的另一個(gè)重要因素，膜過(guò)濾的操作壓力需要選擇一個(gè)平衡點(diǎn)，進(jìn)出膜壓力不宜控制太高，否則與膜孔通徑相當(dāng)?shù)念w粒易被壓入膜孔中，導(dǎo)致膜的清洗難度增加。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比認(rèn)為：混合氧化劑浸泡陶瓷膜管后再清洗的方法清洗效率高，經(jīng)過(guò)1次清洗水通量即可復(fù)原。在實(shí)驗(yàn)中混合氧化劑為多次循環(huán)使用，配制15 L溶液可重復(fù)清洗膜管至少10次，首次使用清洗效率最高，基本能100%復(fù)原；重復(fù)使用過(guò)程中，當(dāng)氧化清洗效率低時(shí)，可就該溶液再次補(bǔ)充次氯酸鈉溶液或堿液增加氧化清潔效率，同時(shí)，每次清洗過(guò)濾時(shí)可用200目的濾網(wǎng)或用膜過(guò)濾裝置去除清洗劑中的大顆粒雜質(zhì)后重復(fù)循環(huán)使用，節(jié)約清洗劑的同時(shí)可減少化學(xué)藥劑帶來(lái)的環(huán)境污染。最終廢棄物量少的采取酸堿中和反應(yīng)后排放，量多者直接蒸發(fā)濃縮燃燒生成苛化堿后貯存再循環(huán)使用。

圖6　膜通量恢復(fù)率對(duì)比圖

［1］于淑娟，閔亞光，高大維. 膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的運(yùn)用［J］. 中國(guó)甜菜糖業(yè)，1999（1）：11-14.

［2］王紅，宋玉棟，谷小鳳，等. 陶瓷膜過(guò)濾丙烯酸丁脂廢水的膜清洗方法的研究［J］. 中國(guó)給排水，2015（10）：

16-20. （本篇責(zé)任編校：鄧丹丹）

Methods Comparison of Ceramic Membrane Flux Recovering Ratio after Sugarcane Juice Filtration

HU Rui-yun， SHEN Shi-yan， LI Yan-fang， LI Xue-zheng
（Sugarcane Research Institute， Yunnan Academy of Agricultural Sciences， Kaiyuan， Yunnan 661699）

Fenestra of ceramic membrane built up after sugarcane juice filtration could significantly reduce the membrane flux and the efficiency of the film. Reasonable cleaning method was necessary for the flux recovering ratio and service life of film. Four cleaning methods of alkaline cleaner， cleaner containing enzyme， mixed oxidant and soaked by mixed oxidant were used in the experiment. The result showed that soaked by mixed oxidant was suitable for the cleaning of ceramic membrane， and the flux recovering ratio could reach 87%. This method had higher cleaning rate and can be used in the recovering of ceramic membrane.

Ceramic membrane；Membrane fouling；Membrane cleaning；Flux recovering

TS244+.2

B

1005-9695（2016）05-0049-05

2016-08-01；

2016-10-09

2015云南省蔗糖專項(xiàng)：蔗糖精深加工技術(shù)的研究及功能性糖品的開(kāi)發(fā)

胡瑞云（1966-），女，工程師，主要從事制糖生產(chǎn)、酒精生產(chǎn)研究、管理工作；E-mail：huruiyun2005@163.com

沈石妍（1968-），女，高級(jí)工程師，主要從事蔗糖深加工及副產(chǎn)物綜合利用方面研究；E-mail：okmlshshy@sina.com

引文格式：胡瑞云，沈石妍，李艷芳，等. 陶瓷膜過(guò)濾蔗汁后膜通量恢復(fù)方法比較［J］. 甘蔗糖業(yè)，2016（5）：49-53.