陶瓷膜过滤微米级颗粒悬浮液

1、陶瓷膜过滤微米级颗粒悬浮液陶瓷膜过滤微米级颗粒悬浮液操作条件的影响!钟(苏石油化工学院化工系,常州!#$%)徐南E时钧(南京化工大学膜縀学技术研究所,南京!$&)摘要测定了不同操作条件下陶瓷膜过滤微米级颗粒悬浮液的渗透通量数据,并与决定膜污染机理的!/!(结合进行分析)确定了操作条件对微米级颗粒悬浮液微滤过程的影响,获得了陶瓷膜微滤微米级颗粒悬浮液过程中操作条件的选择方法)为促进陶瓷膜在蒭及微米级颗粒悬浮液分离领域中的应用奠定基础)关键词陶瓷微滤膜微米级颗粒操作条件分类号*+$!,-,在微米级颗粒悬浮液过滤过程中,除颗粒粒径和膜孔径是影响膜通量和污染的主要因素外,操作条件(主要包括:操作压力,

2、错流速率,溶液浓度和.值)也是决定过滤过程的一个主要方胑)选择一套合适的操作参数能达到减少膜胑积和清洗周E,节约能量,降低操作成本等目的)确定过滤过程操作参数的方法一般是通过对一定的过滤体系进行小试,测定不同条件下的膜通量和截留率,选择高膜通量和满意截留率时的操作条件!#)如果对一类实验体系诓握了操作参数对渗透通量的影响筫律,就可以达到减少实验,简化操作条件选择的目的)目前通常采用对有代表性的体系进行研究,已报道的研究工作有/)0)12345等和.667892:;等用$-!(的(和#-!(,浓度,7/ 的二氧化钛水合物及中值粒径!-(,浓度!$7/ 的二氧化硅悬浮液进行错流过滤,研究了操作条件

3、对通量和污染机理的影响;*2594A6:等%在高分子膜微滤微米级无机颗粒悬浮液中详细考察操作条件对不同颗粒和膜的影响)这些实验结果对操作条件的选择虽有一定的指导作用,但不够系统,对采用陶瓷膜进行微米级颗粒悬浮液的过滤过程未形成定量化结果)在前E研究中,已确定在微米级颗粒悬浮液微滤过程中,粒径/膜孔径(!/!()是决定膜污染机理的一个重要因素,在不同!/!(下,膜污染机理不同B)所以本研究选择不同!/!(条件下,测定各个操作条件对陶瓷膜微滤微米级颗粒悬浮液过程渗透通量的影响,以获得操作条件的选择方法,达到减少重复实验,简化膜过程在微米级颗粒悬浮液分离中应用的目的)!实验部分!膜材料采用粒子烧结法

4、生产的$-!和-$(的!CD9!E#管式陶瓷膜)膜管有效长度为!$F(,内径为,(,膜的性能和諩备方法可参见文献,)!#实验料液矱量一定量某种粒径的D9!E#粉或*GE!粉,超声分散后,加入用$-!(陶瓷膜过滤的水,配成一定浓度的溶液)搅拌$-H进行实验)!$实验装置前文已有报道&)粒径分析采用IJK;修改稿收到日E:&C$&C$第一作者:女,&B!年生,讲师,博士!国家九五攻关项目第!$卷第E膜縀学与技术L6)!$I6)!$年!月MNM1/DINJONINDIP*N!#实验条件除特别注明外,操作压力为!#!$%&,错流速率为()/*,料液浓度!为!(+,-为.!;本研究中的稳定通量是过滤/后

5、的渗透通量值0$结果与讨论$!操作压力图#和图所示是操作压力对不同粒径的颗粒悬浮液过滤过程的影响0由图中数据显示:对于尺寸较大的颗粒悬浮液,膜通量薳操作压力升高而升高;而当颗粒粒径从1)减小到!12)后,压力升高对膜初始通量的影响较明显,对膜稳定通量影响很小0这一结果与3&456789等:用高分子膜微滤碳酸窫悬浮液的结果相蓟,说明在微米级颗粒悬浮液微滤过程中,采用高分子膜和陶瓷膜,压力对过滤过程的影响基本一致0图#膜通量与操作压力的关系!0);5(膜;!012)悬浮液图膜通量与操作压力的关系!0);5&4 方程通过多孔物质的液体流速与所加的压力梯度成正比0但薳着压力的升高,滤饼比阻有一定的增大

6、,因此开始E离理想的线性关系;低!,/!)时,膜污染阻力包括膜孔的阻塞,架桥和颗粒在膜表胑的沉积,薳着压力的升高,膜孔阻塞和孔口架桥的几率增大,滤饼比阻也有一定增大,因此E离理想线性关系的情况比高!,/!)时出现得更早0从图(中还可看出,E衡压力薳!,/!)比减小而减小,这是由于孔口阻塞比例薳!,/!)的减小而增大0实验结果说明:当!,/!)小于1时,操作压力最好小于!#$%&;当!,/!)大于1小于等于#!时,操作压力应选择小于!$%&;当!,/!)大于#!后,!,/!)越大,E衡压力越高,操作压力与膜通量之间的关系越趋向于线性关系0$错流速率文献报道的研究结果一般是错流速率增大,膜表胑剪切

7、力提高,膜污染减少,膜渗透通量增大#,10陶瓷膜处理无机颗粒悬浮液体系的测定结果,见图1和图A0对于小粒径的颗粒,错流速率的升高能明显提高膜通量,这与文献报道的E它错流过滤过程是一致的0而对于与膜孔径相比较大的颗粒,测定结果出现了反常现象,膜通量薳错流速率的增大基本不变或稍有下降03&456789等:在高分子膜微滤1)碳酸窫悬浮液时,也曾出现这一情况,但对于采用陶瓷膜过滤的过程中,未见报道0第#E钟-Z等:陶瓷膜过滤微米级颗粒悬浮液操作条件的影响 #( 图!错流速率与通量的关系#$!%&$()膜;#!*!%悬浮液图+错流速率与通量的关系#$!%&$()膜;$#!%悬浮液为了系统研究错流速率对膜

8、通量影响,与操作压力的研究相蓟,本研究也将不同错流速率下膜通量与!,/!%作图,见图-#图-稳定通量与错流速率的关系对于!,/!%小于等于$.!的情况,错流速率升高,膜通量基本呈线性增长#这时错流速率的增长减少了颗粒阻塞膜孔和颗粒在膜表胑沉积的机会,膜通量明显升高;而当!,/!%大于等于/时,膜污染阻力主要由膜表胑的滤饼层决定,错流速率的增大带走了滤饼层中相对较大的颗粒0,使滤饼层的比阻增大,膜通量相对降低#颗粒粒径分布越宽,这种现象越易出现#分析结果表明,增加错流速率对!,/!%小于等于$.!的情况有利,这时错流速率应不小于$%/1,具体数字由操作成本而定;当!,/!%大于等于/时,错流速率

9、的增长对膜通量没有襡处,虴荐的错流速率为/%/1左右#!#料液浓度料液浓度与膜通量关系见图0#图0稳定通量与料液浓度的关系由图0可见,溶液浓度的增长降低了膜通量,但降低程度与!,/!%有关#当!,/!%大于等于$.!后,膜稳定通量与料液浓度的对数呈直线关系,浓度越高,通量下降越快,但下降趋蔈薳!,/!%的增大而减小#这一范围的过滤属于234516等7所描述的薄饼过滤,膜表胑的浓度分布与浓差极化模型所假设的情况相蓟,所以通量与浓度的关系较符合浓差极化模型的对数浓度关系;而!,/!%小于/时,膜污染以膜孔口阻塞为主,属于中介过滤#薳着料液浓度的增大,膜孔口阻塞变得严重,膜通量下降#但当料液浓度超过

10、一定值,膜孔口阻塞达到动态E衡,所以超过某个浓度,膜通量不再薳料液浓度减小#对于微米级颗粒悬浮液的陶瓷膜错流微滤,!,/!%越大,料液浓度对渗透通量的影响越小,料/! 膜縀学与技术第$卷液越易浓缩!#溶液$%值的影响溶液的#值能改变颗粒表胑的电荷,如图$所示,从而改变颗粒在溶液中的分散情况,对微滤过程产生影响!图%为稳定通量薳溶液#值的变化!在#值接近等电点时,由于范德华引力的作用,颗粒之间容易团聚形成大颗粒!过滤过程中在膜表胑形成的滤饼层比阻较小,颗粒阻塞膜孔口的可能性也大大减小,所以#等于&(的二氧化钛悬浮液和#等于)(*的氧化铝悬浮液过滤通量较高;当颗粒表胑电位较高(悬浮液#值远离等电点

11、),由于颗粒相互间的排斥力,它们在悬浮液中分散良好,这样颗粒容易阻塞膜孔,形成的滤饼层比阻也较大,因此膜通量在氧化铝悬浮液#等于+(和二氧化钛悬浮液#等于)*时较低!图$颗粒表胑电动电位与悬浮液#值的关系图%稳定通量与悬浮液#值的关系从图$和图%还可发现:虽然#值对二氧化钛颗粒表胑电位的影响比氧化铝颗粒大,但是由#值引E的膜通量变化反而是氧化铝颗粒悬浮液的较大!#值引E渗透通量变化,是由于E引E颗粒在悬浮液中的分散情况和颗粒粒径变化,即:改变颗粒粒径/膜孔径(!/!,)值,从而引E通量的变化!因而图$和图%的实验结果可归之为:#值对二氧化钛的颗粒表胑电位影响虽比氧化铝颗粒大,但对E在悬浮液中的

12、分散情况和颗粒粒径(决定渗透通量的关键因素-)影响与氧化铝颗粒相比较小,所以#值二氧化钛悬浮液的渗透通量影响比氧化铝悬浮液小!因此从#值对悬浮液中颗粒粒径的影响和颗粒粒径与渗透通量之间的关系来确定#值对通量的影响更为准确!&结论对于不同粒径颗粒悬浮液的过滤过程,操作条件对微米级颗粒悬浮液陶瓷膜微滤过程的影响和操作条件的选择方法为:)当!/!,小于./时,操作压力最好小于()012;当!/!,大于./小于等于)(时,操作压力应选择小于(.012;当!/!,大于)(后,!/!,越大,E衡压力越高,操作压力与膜通量之间的关系越趋向于线性关系!.)增加错流速率对!/!,小于等于./的情况有利,这时的错

13、流速率应不小于.,/3,具体数字由操作成本而定;当!/!,大于等于)(时,错流速率的增长对膜通量没有襡处,则虴荐的错流速率为),/3左右!&)料液浓度对微滤过程的影响表现在对膜表胑边界层内浓度梯度的影响(滤饼阻力为主)和对膜孔口阻塞程度的影响(膜孔口阻塞为主)!对于微米级颗粒悬浮液的陶瓷膜错流微滤过程,!/!,越大,料液浓度对渗透通量的影响越小,料液越易浓缩!/)#值改变膜通量的因是E改变了颗粒表胑的电动电位,从而改变颗粒在悬浮液中的分散状态和颗粒粒径!#值接近等电点时,悬浮液过滤通量较高;当颗粒表胑电位较高,膜渗透通量较低!但E对通量的影响程度薳颗粒种类有所差别!致谢:本研究工作得到国家縀委工业司,化学工业部縀技司的大力支持,特此致谢!第)E钟-Z等:陶瓷膜过滤微米级颗粒悬浮液操作条件的影响 )* 符号说明!渗透通量,!/(# $)过滤时间,%&#颗粒粒径,!#膜孔径,!$操作压力,()*%错流速率,/+&电解质溶液浓度,-/!./0*1电位,2!料液体积分数,3参考文献45$*6/7789&,:;*&% &0$/