陶瓷膜過濾性能的影響因素

李春穎

(唐山三友氯堿有限責任公司,河北 唐山 063305)

陶瓷膜過濾器是一種用于分離、濃縮和提純的裝置，它以膜兩側(cè)的壓差為驅(qū)動力，使小分子物質(zhì)選擇性透過，顆粒懸浮物等大分子被有效截留。 它具有化學穩(wěn)定性強、耐高溫、能耗低等優(yōu)點，廣泛應用于能源、電子、石油化工、生物發(fā)酵、食品、水處理等各個領(lǐng)域。

陶瓷膜過濾方式主要有錯流過濾和死端過濾兩種形式。死端過濾是指原料液進入膜通道后，依靠靜壓作用，濾出液以一定的速率向膜外滲透，而雜質(zhì)粒子被截留于膜內(nèi)的過程。錯流過濾是原料液由一端進入膜通道后，在膜表面錯流流動，部分小于膜孔徑的物料通過微孔進入滲透側(cè)產(chǎn)生濾出液，其余濃縮液則連同沖刷附著膜表面的雜質(zhì)一同流出。下面主要針對錯流過濾的陶瓷膜進行研究。

陶瓷膜過濾原理包括膜的物理截留、膜與顆粒之間的靜電斥力、膜表面或膜孔表面對顆粒物的吸附作用[1]，其過濾性能受膜表面的過濾層和料液參數(shù)的影響。膜表面過濾層可有效截留料液中粒徑接近或大于膜孔徑的顆粒物，因此，過濾含有不同粒徑顆粒物的料液時，陶瓷膜過濾層孔徑對過濾效果起決定性作用[2]。料液參數(shù)，如pH值、溫度、粒徑、固含量，對過濾過程和傳質(zhì)過程產(chǎn)生較大影響，從而導致膜通量及污染機制發(fā)生變化。確定不同因素對陶瓷膜過濾性能的影響，對開發(fā)膜過濾技術(shù)在不同料液體系的工業(yè)化應用意義重大。

本文中主要研究氯化鈉鹽水溫度、鹽水中固含量和膜孔徑變化對陶瓷膜通量及截留率的影響，分析變化原因，掌握變化趨勢，為陶瓷膜在不同體系工業(yè)化應用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

陶瓷過濾膜：試驗所用陶瓷膜為管式陶瓷膜，膜孔徑分別為50、40、10 nm，支撐體為α-Al2O3，過濾面積0.53 m2。

試驗用料液：本次試驗所用料液為含有兩種大顆粒(粒徑分別在5～40 μm的A顆粒、0.3～4 μm的B顆粒)的氯化鈉溶液，料液中顆粒含量見表1。

表1 試驗用料液中顆粒物含量統(tǒng)計表

1.2 試驗流程

采用工業(yè)化條件進行連續(xù)性試驗，將300 L pH值9左右的料液加入陶瓷膜循環(huán)罐內(nèi)，由循環(huán)泵加壓輸送至陶瓷膜內(nèi)過濾，過濾后的清液運行壓力0.3～0.35 MPa。工藝流程如圖1所示。定期記錄產(chǎn)水時間、產(chǎn)水量、總產(chǎn)水量、進膜壓力、出膜壓力和操作溫度。計算陶瓷膜通量變化，檢測顆粒A、B含量的變化。

圖1 陶瓷膜過濾工藝流程簡圖

1.3 研究內(nèi)容

1.3.1 料液固含量對陶瓷膜過濾效果的影響

采用顆粒物質(zhì)量分數(shù)分別為2%、12%、22%的料液，利用40 nm孔徑陶瓷膜進行過濾，研究料液中顆粒物含量變化對陶瓷膜過濾性能的影響。

1.3.2 陶瓷膜過濾孔徑對陶瓷膜過濾效果的影響

采用顆粒物質(zhì)量分數(shù)22%的料液，分別利用10、40、50 nm孔徑的陶瓷膜進行過濾，探究不同孔徑陶瓷過濾膜對顆粒物的去除效果，篩選高效去除顆粒物A和B的陶瓷膜孔徑。

1.3.3 溫度對陶瓷膜過濾效果的影響

采用顆粒物質(zhì)量分數(shù)22%的料液，利用40 nm孔徑陶瓷膜進行過濾，探究溫度分別在55、60、65 ℃的情況下對陶瓷膜過濾性能的影響。

1.3.4 清洗效果對陶瓷膜過濾效果的影響

陶瓷膜膜孔被大顆粒污染后，為恢復陶瓷膜性能，使用一定濃度鹽酸清洗，考察清洗后膜通量。

1.4 檢測方法

上述試驗中，為檢測過濾后清液中的固含量,在清液中加入適量溶解顆粒的成分,檢測A離子和B離子含量的變化。采用滴定法和ICP法測試顆粒物離子含量，因試驗中離子含量較低，滴定法均無法檢出，所有結(jié)果為ICP測試結(jié)果。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 料液固含量對陶瓷膜過濾性能的影響

不同固含量料液經(jīng)陶瓷膜過濾后，通量變化如圖2所示。含固質(zhì)量分數(shù)2%時，平均通量為535 L/(m2·h)(以下簡稱LMH)；含固質(zhì)量分數(shù)為12%時，平均通量為535 LMH；含固質(zhì)量分數(shù)為22%時，平均通量為520 LMH。隨著料液固含量的增加，陶瓷膜的通量未發(fā)生明顯變化。這可能由于料液固含量增加后，黏度變大，剪切力增加，可有效移除沉積在陶瓷膜表面的固態(tài)顆粒物，因此，料液固含量變化未對陶瓷膜通量造成明顯影響。

圖2 不同固含量料液對通量的影響

不同固含量料液的過濾效果如圖3所示。由圖3可知：不同固含量的料液經(jīng)陶瓷膜過濾后，顆粒A離子質(zhì)量分數(shù)均降低至1×10-6以下，顆粒B離子質(zhì)量分數(shù)均降低至1×10-7以下。隨著固含量的增加，顆粒A和B離子含量變化不明顯。由此可知，陶瓷膜可有效去除料液中的顆粒物，且料液中顆粒物含量對顆粒物的去除效果無明顯影響。

圖3 不同固含量料液的過濾結(jié)果

2.2 陶瓷膜孔徑對過濾性能的影響

顆粒物質(zhì)量分數(shù)22%的料液，分別經(jīng)10、40、50 nm孔徑的陶瓷膜過濾，其通量變化如圖4所示。隨著時間的延長，3種不同孔徑的陶瓷膜的通量較穩(wěn)定，無明顯衰減。50 nm陶瓷膜平均通量535 LMH，40 nm陶瓷膜平均通量為521 LMH，但10 nm陶瓷膜平均通量僅257 LMH。由于10 nm陶瓷膜孔徑較小，部分固體顆粒沉積到膜表面無法被有效移除，從而影響陶瓷膜通量。

圖4 不同孔徑陶瓷膜對通量的影響

不同孔徑的陶瓷膜對顆粒物A和B過濾效果如圖5和圖6所示。隨著時間的延長，顆粒物的含量先升高再降低，這是由于過濾開始時，有少量的顆粒物通過膜層進入清液，隨著過濾時間的延長，顆粒物在膜表面形成沉積層，有效截留粒徑偏小的顆粒物，降低清液中顆粒物的含量。40 nm陶瓷膜過濾效果與10 nm陶瓷膜過濾效果接近，略優(yōu)于50 nm陶瓷膜過濾效果。陶瓷膜過濾顆粒物，主要依靠膜孔徑的物理截留，40 nm和10 nm陶瓷膜孔徑小于絕大多數(shù)顆粒物粒徑，因此，顆粒物的截留效果與陶瓷膜孔徑有較大關(guān)系。

圖5 不同孔徑陶瓷膜對顆粒物A的過濾效果

圖6 不同孔徑陶瓷膜對顆粒物B的過濾效果

2.3 溫度對陶瓷膜通量的影響

不同溫度料液對陶瓷膜通量影響如圖7所示。含固質(zhì)量分數(shù)22%料液分別在55、60、65 ℃下進行過濾，陶瓷膜平均通量分別為454、520、581 LMH，隨著料液溫度的升高，陶瓷膜通量增大。這是因為提高料液溫度后，黏稠度有所降低，擴散系數(shù)增加，通量增大。

圖7 不同溫度料液對陶瓷膜通量的影響

料液溫度變化對膜過濾效果的影響如圖8所示。不同溫度的料液經(jīng)陶瓷膜過濾后，顆粒物A離子質(zhì)量分數(shù)均低于1×10-6，顆粒物B離子質(zhì)量分數(shù)均低于1×10-7，溫度變化對顆粒物的截留效果無明顯影響。

圖8 料液溫度變化對膜過濾效果的影響

2.4 清洗效果

陶瓷膜被污染后，采用一定濃度的鹽酸分別對10、40、50 nm孔徑的陶瓷膜清洗30 min，清洗后陶瓷膜通量與初始通量對比如圖9所示。由圖9可知：經(jīng)過化學清洗，陶瓷膜通量與初始通量對比無明顯變化。這是因為清洗液高流速低壓力通過膜表面，有效沖掉顆粒物，陶瓷膜通量恢復至初始通量。

圖9 陶瓷膜清洗后平均通量與初始通量的對比

3 結(jié)語

料液參數(shù)、膜孔徑變化對陶瓷膜通量及截留效果的影響如下。

(1)料液含固質(zhì)量分數(shù)在2%～22%變化時，陶瓷膜通量和顆粒物含量無明顯變化。

(2)10 nm陶瓷膜通量較40、50 nm膜通量小，對顆粒物A和B的截留效果與膜孔徑有較大關(guān)系。

(3)料液溫度升高，膜通量增大，但對顆粒物截留效果無明顯影響。

(4)對于酸溶性顆粒物A和B，使用鹽酸清洗污染后的陶瓷膜，膜通量恢復初始通量。

陶瓷膜過濾含有5～40 μm A顆粒、0.3～4 μm B顆粒的不同料液體系時，可參考上述研究結(jié)果，選擇合適的工藝控制參數(shù)及膜孔徑。