內(nèi)壓超濾膜絲單雙端給水的純水通量分布

張智超，苑宏英，汪艷寧，張玉忠，靖大為

（1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.天津工業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，天津300387）

內(nèi)壓超濾膜絲單雙端給水的純水通量分布

張智超1，苑宏英1，汪艷寧1，張玉忠2，靖大為1

（1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.天津工業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，天津300387）

強(qiáng)調(diào)了研究?jī)?nèi)壓中空超濾膜絲純水通量分布特性對(duì)于研究超濾工藝的意義，給出了單端給水方式與雙端給水方式內(nèi)壓膜絲沿程通量的變化規(guī)律，分析了單端與雙端給水內(nèi)壓膜絲沿程通量的壓力特性及溫度特性，比較了長(zhǎng)膜絲與短膜絲沿程通量特性的差異，明確了內(nèi)壓中空超濾膜絲雙端給水方式所具有的多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為中空超濾膜組件及膜系統(tǒng)的運(yùn)行分析提供參考。

中空超濾；內(nèi)壓膜絲；雙向給水；通量分布

目前國(guó)內(nèi)水處理領(lǐng)域中超濾（包括微濾）已成為廣泛應(yīng)用的典型工藝，其使用范圍與處理水量遠(yuǎn)超反滲透等其他分離膜工藝。國(guó)內(nèi)關(guān)于超濾膜領(lǐng)域的研究中，對(duì)其材料、結(jié)構(gòu)、制備工藝及工作機(jī)理等方面的研究較多，而對(duì)于運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行特性方面的研究偏少〔1-2〕。該現(xiàn)象在一定程度上阻礙了超濾工藝優(yōu)化的水平，降低了超濾工藝的效益，而超濾運(yùn)行特性研究的一個(gè)重要方面就是膜絲的運(yùn)行特性及其影響因素〔3〕。

超濾膜大多是中空結(jié)構(gòu)，超濾膜絲是形成膜組件與膜系統(tǒng)的基本單元，研究膜絲運(yùn)行特性是研究膜組件與膜系統(tǒng)運(yùn)行特性的基礎(chǔ)，研究膜絲運(yùn)行特性的重點(diǎn)是研究膜絲的通量分布特性〔4〕。影響膜通量分布特性的內(nèi)部因素主要包括膜絲徑向的透水系數(shù)與膜絲軸向的阻力系數(shù)。膜絲的透水系數(shù)決定于膜絲材料、親水性能、膜絲壁厚、膜孔徑及孔隙率等參數(shù)。膜絲的阻力系數(shù)決定于膜絲內(nèi)徑及親水性能等參數(shù)。影響膜通量分布特性的外部因素主要包括工作方式（內(nèi)壓與外壓）、徑流方式（全流與錯(cuò)流）、給水方式（單端與雙端）、給水水質(zhì)（純水與污水）、給水壓強(qiáng)、給水溫度、膜絲長(zhǎng)度等諸多參數(shù)。

筆者以較為簡(jiǎn)單的內(nèi)壓、全流方式及純水水質(zhì)為背景，研究中空超濾膜絲的單端與雙端運(yùn)行特性，重點(diǎn)是分析膜通量沿流程的分布特性。內(nèi)壓膜絲的純水通量特性分析是內(nèi)外壓膜絲污水通量特性分析的基礎(chǔ)，以及構(gòu)建內(nèi)外壓膜組件與膜系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)學(xué)

模型的基礎(chǔ)。

筆者針對(duì)天津工業(yè)大學(xué)產(chǎn)聚醚砜超濾內(nèi)壓中空“特定膜絲”（膜絲內(nèi)、外直徑分別為0.8、1.4mm，截留相對(duì)分子質(zhì)量65 000，孔隙率85%）進(jìn)行典型分析，重點(diǎn)針對(duì)給水壓強(qiáng)、給水溫度、膜絲長(zhǎng)度及給水方式等影響通量分布的運(yùn)行條件。文中后續(xù)內(nèi)容中將該“特定膜絲”簡(jiǎn)稱為膜絲。

中空超濾膜工藝的傳統(tǒng)分析指標(biāo)是特定跨膜壓差條件下產(chǎn)水流量。如忽略產(chǎn)水側(cè)壓強(qiáng)，跨膜壓差包括了膜絲給水壓強(qiáng)與膜絲沿程壓降的雙重因素，且簡(jiǎn)單的產(chǎn)水流量數(shù)值掩蓋了膜絲全境的通量變化過(guò)程。筆者在假設(shè)產(chǎn)水側(cè)壓強(qiáng)為零的前提條件下，將跨膜壓差分解為給水壓強(qiáng)與沿程壓降，從而突出了膜通量沿膜絲流程的分布特性。

1 試驗(yàn)裝置

在圖1所示膜絲通量分布的試驗(yàn)裝置中，以反滲透產(chǎn)水為超濾給水，以溫控器控制給水溫度，以減壓閥控制工作壓強(qiáng)，以壓力表檢測(cè)膜絲給水端及濃水端的壓強(qiáng)。當(dāng)控制閥全關(guān)時(shí)，為單端給水方式，兩壓力表分別顯示膜絲的給水壓強(qiáng)與濃水壓強(qiáng)；當(dāng)控制閥全開(kāi)時(shí)，為雙端給水方式，兩壓力表分別顯示膜絲的兩端給水壓強(qiáng)。

圖1 內(nèi)壓中空超濾膜絲通量分布試驗(yàn)裝置

以漏斗與量筒組成的多個(gè)集水器收集并計(jì)量單位長(zhǎng)度膜絲的產(chǎn)水流量，進(jìn)而可換算出膜絲的局部產(chǎn)水通量。無(wú)論超濾器是臥式或立式運(yùn)行，由位置高程產(chǎn)生的膜絲內(nèi)外水體的重力壓強(qiáng)均可相互抵消，故試驗(yàn)裝置的懸空臥式膜絲放置方式等效于產(chǎn)水側(cè)零壓強(qiáng)的臥式或立式內(nèi)壓超濾絲的運(yùn)行環(huán)境。文中所謂給水壓強(qiáng)均為排除了靜壓的動(dòng)壓概念。

對(duì)于內(nèi)壓膜絲而言，由于絲內(nèi)壁沿程阻力的存在，絲內(nèi)的沿程壓強(qiáng)必然逐漸降低，沿程通量隨之逐漸下降。所謂通量分布特性，系指給水壓強(qiáng)、給水溫度、單端與雙端給水及不同絲長(zhǎng)對(duì)膜絲沿程通量分布的影響。

2 單端給水膜絲的通量壓強(qiáng)特性

作為壓力驅(qū)動(dòng)膜過(guò)程，超濾膜絲運(yùn)行的重要特點(diǎn)之一是其通量隨壓強(qiáng)的上升而增加。此外，圖2所示膜絲的沿程通量壓強(qiáng)特性表明，不同給水壓強(qiáng)條件下，膜絲沿程通量的下降速率差異較小，而沿程通量的下降幅度差異較大。換言之，膜絲的給水壓強(qiáng)越高，則給水流量越高，沿程的壓降幅度越大，通量下降幅度越大。

圖2 單端給水時(shí)產(chǎn)水通量的給水壓強(qiáng)特性（20℃）

從污染概念分析，高壓條件下的膜絲平均通量較高，平均污染速度較快，而低壓條件下的沿程通量的差異較大，其污染失衡較為嚴(yán)重。

將圖2曲線中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合〔5〕可得到膜絲通量F〔L/（m2·h）〕與給水壓強(qiáng)P（MPa）及沿程位置L（cm）之間的函數(shù)關(guān)系，如式（1）所示。

根據(jù)該式揭示的函數(shù)關(guān)系，在給水溫度20℃條件下，膜絲首端（L=0處）給水壓強(qiáng)約為12.5 kPa時(shí)將開(kāi)始出現(xiàn)初始產(chǎn)水通量。就整個(gè)膜絲而言，在給水溫度為20℃時(shí)的膜絲“初始產(chǎn)水流量的臨界壓強(qiáng)”約為12.5 kPa。

此外，隨著給水壓強(qiáng)的上升，平均通量上升；但是，上升速率逐漸減緩，上升幅度逐漸降低。換言之，給水壓強(qiáng)越高，以平均通量與給水壓強(qiáng)的比值表征的膜絲運(yùn)行效率越低。

3 單端給水膜絲的通量溫度特性

源于超濾膜絲的材料特性與水體的溫度特性，超濾膜絲運(yùn)行的另一重要特點(diǎn)是其通量隨溫度的上升而增加。但是，與膜絲的通量壓強(qiáng)特性不同，不同給水溫度條件下，膜絲沿程通量的下降速率與下降幅度均很明顯。如圖3膜絲的沿程通量溫度特性曲線所示，高給水溫度條件下沿程通量的下降速率與下降幅度，均遠(yuǎn)高于低給水溫度條件下的相應(yīng)參數(shù)。

圖3 單端給水時(shí)產(chǎn)水通量的給水溫度特性（0.13MPa）

從污染概念分析，高溫條件下的膜絲平均通量較高，平均污染速度較快，而低溫條件下的沿程通量差異較小，其污染失衡程度的差異有限。

將圖3曲線中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，可得到膜絲通量F〔L/（m2·h）〕與給水溫度T（℃）及沿程位置L（cm）之間的函數(shù)關(guān)系，如式（2）所示。

該式揭示的通量溫度關(guān)系，既包含了膜材料的溫度特性，也包含了水黏度的溫度特性。

此外，膜絲的平均通量隨給水溫度的增加呈現(xiàn)出加速上升的趨勢(shì)。

4 雙端給水膜絲的通量特性

所謂雙端給水系指立式或臥式膜絲兩端給水且給水動(dòng)壓相等的運(yùn)行方式。圖4與圖5分別是膜絲雙端給水條件下的通量壓強(qiáng)特性曲線與通量溫度特性曲線。兩圖曲線的共同特點(diǎn)是，相同壓強(qiáng)與相同溫度條件下的膜絲兩端位置的通量相等，而絲內(nèi)徑流從兩端流向中端位置，進(jìn)而中端位置的通量最低。

圖4 雙端給水時(shí)產(chǎn)水通量的給水壓強(qiáng)特性（20℃）

圖5 雙端給水時(shí)產(chǎn)水通量的給水溫度特性（0.13MPa）

與單端給水方式的數(shù)據(jù)相比較，雙端給水方式的通量均衡優(yōu)勢(shì)明顯。從圖2與圖4的相應(yīng)曲線的比較以及從圖3與圖5的相應(yīng)曲線的比較，可以看到雙端給水與單端給水兩方式的區(qū)別：

（1）宏觀層面看，雙端給水方式下，膜絲左右兩段通量對(duì)稱（而非另一段更低現(xiàn)象），相同給水壓強(qiáng)條件下的平均通量較高，即膜絲運(yùn)行效率或稱膜絲利用率較高。

（2）微觀層面看，單端給水的膜絲內(nèi)前半段徑流中存在后段的給水成分，因徑流的流量較大故壓降也大。雙端給水的膜絲內(nèi)前半段徑流中沒(méi)有后段的給水成分，因徑流流量較小故壓降也小。因此雙端給水條件下，膜絲前后半段的壓強(qiáng)與通量較單端給水更高，即膜絲運(yùn)行效率或稱膜絲利用率得到進(jìn)一步提高。

（3）雙端給水條件下的絲內(nèi)壓強(qiáng)與通量較為均衡，致膜絲污染趨于均衡。將圖4曲線中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，可得到膜絲通量F與給水壓力P及沿程位置L之間的函數(shù)關(guān)系，如式（3）所示。將圖5曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，可得到膜絲通量F與給水溫度T及沿程位置L之間的函數(shù)關(guān)系，如式（4）所示。

5 不同長(zhǎng)度膜絲的通量特性

無(wú)論是單端或雙端給水，針對(duì)相同給水溫度與給水壓強(qiáng)條件，不同長(zhǎng)度膜絲的通量分布的特性有二。其一，膜絲給水端的通量數(shù)值相等；其二，沿程通量的衰減速率與膜絲長(zhǎng)度正相關(guān)。

膜絲越長(zhǎng)，膜絲的總產(chǎn)水量越大，給水流量就越

大，接近給水端部分的壓降就越大，且遠(yuǎn)離給水端部分的壓強(qiáng)越低，并遠(yuǎn)離給水端部分的通量越低。因此，無(wú)論是單端或雙端給水，膜絲長(zhǎng)度越長(zhǎng)，通量分布的均衡程度越差。圖6與圖7所示單端與雙端給水條件下的通量分布曲線佐證了上述分析結(jié)論。

圖6 單端給水時(shí)產(chǎn)水通量的膜絲長(zhǎng)度特性（0.13MPa，20℃）

圖7 雙端給水時(shí)產(chǎn)水通量的膜絲長(zhǎng)度特性（0.13MPa，20℃）

此外，較長(zhǎng)的膜絲及膜組件具有平均造價(jià)較低的優(yōu)勢(shì)；但是，較長(zhǎng)的膜絲及膜組件易于產(chǎn)生斷絲等不利現(xiàn)象，因此膜絲及膜組件的長(zhǎng)度選擇需要由經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的多項(xiàng)指標(biāo)綜合考慮。

6 結(jié)論

大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，由于制膜材料的不均勻與工藝參數(shù)的非恒定等因素的不可避免，即使是同一廠商、同一材質(zhì)、同一工藝、同一批次的各棵膜絲，測(cè)得的通量分布特性仍然存在一定的差異。相對(duì)而言，大量同型膜絲并聯(lián)形成的膜組件沿流程的通量分布特性具有較強(qiáng)的一致性，但試驗(yàn)與測(cè)試裝置較為復(fù)雜。

筆者相關(guān)試驗(yàn)所得內(nèi)壓膜絲純水通量分布特性數(shù)據(jù)表明：

（1）單端給水的平均通量與給水壓強(qiáng)呈正相關(guān)關(guān)系，且隨著給水壓強(qiáng)的上升，平均通量趨于飽和。膜絲通量沿流程逐漸下降，但在不同給水壓強(qiáng)條件下，沿程通量的下降速率變化較小，下降幅度的變化較大。

（2）單端給水的平均通量與給水溫度呈正相關(guān)關(guān)系，且隨著給水溫度的增加，產(chǎn)水流量加速上升。膜絲通量沿流程逐漸下降，且在不同給水溫度條件下，沿程通量的下降速率及下降幅度的差異均較大。

（3）雙端給水方式較單端給水方式，在通量均衡程度、污染均衡程度、膜絲運(yùn)行效率及膜絲利用率等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。

（4）無(wú)論是單端或雙端給水方式，較長(zhǎng)膜絲的通量均衡程度均較差。

（5）關(guān)于污染速度問(wèn)題的觀點(diǎn)還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

［1］陳歡林.新型分離技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：57-69.

［2］曹志普.介孔Al2O3/PVDF復(fù)合中空纖維膜的制備及其性能［J］.工業(yè)水處理，2015，35（5）：62-66.

［3］Li Xianhui，Li Jianxin，Wang Hong，etal.A filtrationmodel for prediction of local flux distribution and optimizationofsubmerged hollow fibermembranemodule［J］.AIChE Journal，2015，61（12）：4377-4386.

［4］靖大為，嚴(yán)丹燕，馬孟，等.平板超濾膜元件的微分方程模型［J］.工業(yè)水處理，2012，32（4）：62-64.

［5］李志西，杜雙奎.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：212-242.

Pure water flux distribution in form ofsingle-ended and double-ended water supp ly of the internalpressure-type ultra-filtrationm em brane fiber

Zhang Zhichao1，Yuan Hongying1，Wang Yanning1，Zhang Yuzhong2，Jing Dawei1
（1.Key Laboratory of Tianjin Aquatic Scienceand Technology，Schoolof Environmentaland Municipal Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2.Schoolof Materials Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The significance of studying the pure water flux distribution characteristics of the internal pressure-type ultra-filtrationmembrane fiber to the study ofultra-filtration technology isemphasized.The change law of the internal pressuremembrane fiber along-path pure water flux in forms of single-ended water supply and double-ended water supply is given，and the pressureand temperature characteristicsof them analyzed.The differences of the characterstics of longmembrane fiber and shortmembrane fiber along-path flux are compared.Various technicaladvantages of the internal pressure type hollow ultra-filtrationmembrane fiber in form of double-ended water supply aremade clear.A reference hasbeen provided for the runninganalysison hollow ultra-filtrationmembranemodulesandmembrane systems.

hollow ultra-filtration；internalpressure-typemembrane fiber；bi-directionalwatersupply；fluxdistribution

TQ028.8

A

1005-829X（2016）11-0070-04

張智超（1991—），碩士研究生，技術(shù)研究方向?yàn)槟すに嚒Ｍㄐ抛髡撸壕复鬄?，電話?3902085201，E-mail：david_j5996@sina.com。

2016-08-25（修改稿）