木糖溶液的纳滤浓缩

1、第20卷第5期膜科学与技术Vol. 20 No. 52000 年 10 月MEMBRANE SCIENCE AND TECHNOLO GYOct. 2000文章编号:1007 - 8924 (2000) 05 - 0021 - 06木糖溶液的纳滤浓缩杨冈01王焕章2邢卫红1徐南平1时钧1(11南京化工大学膜科学技术研究所，南京210009 ; 21广东星湖股份有限公司技术开发部,肇庆526060)摘要：采用两种截留分子量的卷式纳滤膜组件研究了工业木糖溶液的纳滤过程，并在此基 础上应用了，- K模型.模拟计算结果表明采用纳滤方法浓缩水解法工业木糖粗品溶液，通过 四级串联方式可将质量分数为4 %的

2、木糖溶液浓缩至20 %.该技术操作能耗低，木糖回收率 高,表现出良好的发展前景.关键词:纳滤；木糖；模型中图分类号：TQ02818文献标识码:A收稿日期：1999 - 12 - 01作者简介：杨 刚(1966)，男，江苏省南通市人，硕士生.玉米、蔗渣等含有木聚糖的植物原料，通过木聚 糖酶水解获得的木糖溶液，其质量分数一般为4 % (0126 mol/ L).要得到粉体木糖，目前使用的方法是 将溶液蒸馏至木糖含量为20 % (1135 mol/ L )以上， 然后喷雾干燥.这一过程能耗很高，其中蒸馏过程能 耗占总能耗的60 %以上.膜分离技术是一种新型的 低能耗环保型分离方法，在不同分子量的有机

3、分子 间的分离、单价与多价离子的分离以及其它不需要 截留单价离子的分离过程中具有很高的应用潜力1 .纳滤技术的突出优点是该技术本身不产生三 废,待分离的溶液成分在分离过程中无相变,能量消 耗低，装置结构简单紧凑.本文应用纳滤技术将4 % 木糖原料浓缩至20 % ,并应用不可逆热力学模型研 究木糖溶液的纳滤过程，提出了相应的工艺条件.1纳滤模型111 S - K模型纳滤过程可用Spiegler - Kedem不可逆热力学 模型2 描述，该模型方程的积分式为： TOC o 1-5 h z J v = A (A p -艮 c)(1)c3 = c2 (1 -。/1 -死xp(jv/ Pi) (2)在膜

4、高压侧的膜液界面上存在溶质的反向扩散 传递过程,界面与溶液主体之间存在如下关系：(c2 - c3) / ( c1 - c3) = exp( J / k)(3)纳滤膜纯水通量A和平均溶质渗透系数P.是纳 滤膜分别对溶剂水和溶质的渗透性能参数.温度 对纳滤膜的水3以及溶质4渗透性能的影响为：A = A 0 / n(4)P1 = P. 25 exp 0. 005( T - 298)(5)A0为仅与膜有关的常数，反射系数。是纳滤 膜结 构和膜液界面溶质浓度的函数,为截留溶质的 膜面积占膜总面积的分率,是当膜通量趋向无穷大 时纳滤膜的真实截留率.在一定温度和溶液充分湍 流条件下，忽略浓差极化作用，是高压

5、侧主体浓度 的函数.不能直接测定，在较小的浓度变化范围 内，假设为常数，有助于简化对过程的预测3.溶液的渗透压与溶剂水在溶液中的活度有关， 对于稀溶液，有A n = rtc = C(6)ss其中 121流量计;131进样口表1实验用纳滤膜的有关性能数据500 mg/ L葡萄 500 mg/ L NaCl 纯水通量 X10(/ 规寸膜质材糖截留奉%截留率/ % (m3 m- 2 * 1 MPa- 1)(114 MPa)(114 MPa) (0196 MPa，306 K)2020 CA65507. 52012 PS99854_4要保持高压侧流体为充分湍流状态，并维持流量不 变.用冷却器通自来水来调

6、节膜进出口处温度，用量 筒和秒表测量渗透液流量，由锥式流量计读取高压 侧流量.用工业木糖粗品分别配置0121 0130和0137 mol/L的实验体系，采用江苏省久吾高科技有限公 司的200 nm陶瓷微滤膜除去0137 mol/ L木糖溶液 中纤维素悬浮物.用CA膜作浓缩实验，收集渗透液 并配置成0126 mol/ L的溶液，用PS膜作纳滤实验， 渗透液返回储槽.每一体系的实验结束后，用去离子 水替换实验体系，在306 K和0196 M Pa下测定未清 洗的纳滤膜水通量.3结果与讨论311实验结果木糖溶液的电导率与去离子水相近，因此溶液 中电解质成分可忽略不计.实验前后去离子水的膜 通量相近，

7、实验体系对膜有轻微污染.在306 K和 0196 M Pa下PS膜对0126 mol/ L木糖溶液的截留 率为99 %，膜通量为8.3 X10-6 m3/ (m2 s).图2给 出了木糖溶液通过CA膜的渗透通量随时间的变化 关系.0137 mol/ L木糖溶液的初始(302 K)膜通量较 低，然后略有上升，膜通量在306 K左右随浓缩过程 略有下降.由此可以看出，温度对纳滤过程有重要的 影响，膜通量随温度的上升而增加，0121 mol/ L和0130 mol/ L木糖溶液的膜通量下降幅度相对较大， 这说明200 nm陶瓷膜预处理能有效减缓膜污染程 度.图3给出了木糖表观截留率随母液浓度的变化.

8、随着浓缩液浓度增大，木糖的截留率下降，这是由于 纳滤过程中净压力推动力下降,导致水的对流传递 速率下降，木糖的扩散传递作用相对增强.图2不同浓度下木糖溶液膜通量随时间的变化 操作条件如图3所示片1巾21忱广-.明K *0% MP&.E5图3高压侧主体浓度对木糖截留率的影响 溶液初始浓度如图2所示312模型计算在306 K下，由(6)式得木糖溶液的渗透压系数 =2 544 MPa L/ mol.采用 0137 mol/ L 木糖溶液纳 滤过程数据，由S - K模型计算出木糖渗透系数P. = 4.17 X10 - 6 m3/ ( m2s),不同浓度下纳滤过 程的反射系数以及计算值与实验结果的比较如

9、表2 所示.图4为采用S - K模型计算得到的木糖溶液反表2计算值与实验值的比较cjp/Jv X106/c3/温度c3（计算）与实验值偏差Jv（计算）X106与实验值偏差（mol L -）MPa（m3*m- 2 1）_（mol L -）K/ （mol L - r）/%/（m3*m- 2s-1）/%013710191401963112012043021801208210311200141101934019631270123630517012401173126-0131014720192501963106012933061801286-2143105-01033015140191001962194

10、013253061801319-11821950134图4反射系数与高压侧主体浓度的关系射系数与高压侧主体浓度的关系，从表2看出，图4中4个实验点所处的温度，第一点为30218 K;后三点处于306 K左右，他们的反射系数与高压侧主体浓度(c1)呈现良好的线性关系，由此可以得到 306 K下如(9)式的- c1关系式.= - 01223 c1 + 1103(9)对电解质溶液的纳滤过程研究表明，电解质的 反 射系数随浓度的增加而下降7 ，在较小的浓度变 化范围内，呈现线性相关性.在中性有机分子的纳滤 过程中缶c关系主要受位阻因素的影响，线性化 处理具有一定的预见性.但是这样线性化的简化处 理，还

11、未见有文献报道.由于(9)式是在306 K，以及 高压侧没有严重浓差极化的条件下获得，因此该式 的应用只能局限在相同条件下.理论上a是小于1 的模型参数，可以看出(9)式具有微小的偏差，但这 反映了一个正确的趋势，即反射系数随高压侧界面 浓度的上升而下降，在一定浓度范围内具有近似线 性的相关性.313纳滤过程的预测操作压强对不同浓度木糖溶液的纳滤渗透液浓 度和截留率的影响如图5所示，由图可见，随着操作 压强的增加，渗透液中木糖的浓度下降，截留率上 升.在 110 M Pa 和 315 M Pa 压强下 01267 mol/ L 木 糖截留率分别为0153和0181 ,可以看出根据对溶 质成分截

12、留率要求的不同，调整操作压强能大大改 善纳滤效果.由图可看出，在实用压强范围内，截留 率随操作压强近似线性上升.高压浓缩同时提高了图5操作压强对不同浓度木糖溶液的纳滤 渗透液浓度和木糖截留率的影响图7考察了不同的进压条件下截留率和渗透液 浓度随高压侧主体溶液浓度的变化趋势.可以看出， 浓度为20 % (1135 mol/ L)的木糖溶液的纳滤渗透 液浓度已远远超过初始母液的浓度，必须采用级联 膜通量和木糖的截留率,显示了技术和经济的合理 性.不同浓度木糖溶液的纳滤膜通量与截留率以及 操作压强的关系如图6所示，由图6可见，操作压强 与膜通量近似成线性关系，膜通量较小时，截留率与 膜通量成线性变化

13、，当膜通量进一步增加时，截留率 缓慢增加，如果纳滤膜能承受更高压强而没有形变， 截留率在高压下趋向于反射系数值o由此可知，过 高的操作压强虽可以提高膜通量，但截留率的提高 极为有限.图6不同浓度木糖溶液的膜通量与截留率以及操作压强的关系操作回收渗透液中的木糖成分.由图8可以看出，一 定压强下，母液浓度对膜通量的影响随浓度的增加 而逐渐减小.木糖浓度超过大约016 mol/ L时，膜通 量变化较小.0.60.9ci/fmol-E1)I白 0.6Io.4306 K0.96MPa2.0MPa /3.0MPa/图7高压侧主体溶液浓度对渗透液 浓度及截留率的影响图8高压侧主体浓度对木糖渗 透液膜通量的影

14、响(10)314木糖溶液的多级浓缩采用间歇式多级串联纳滤过程进行木糖溶液的 浓缩，t时刻任意一级的纳滤过程可描述如下：1Wd t =r t dc1SJ v c1 t -户 t；1 t一11 d c1t ；C1 0 C1 t- C3 t=W 0 exp (- *(12)J,“S疔J心d0工业生产中木聚糖水解得到的木糖中间品含木糖约4 %(01267 mol/ L)，终端产品中含木糖为20 % (1135 mol/ L) .根据对木糖溶液浓缩过程的定量描 述，经过预处理的木糖溶液的优化浓缩过程如图9 所示，每一级的进出液浓度如表3所示，表中还给出 了 4 %木糖中间品在产量为800 kg/ h时的

15、各级膜组 件面积和操作条件.多级浓缩系统中各级纳滤渗透 液按浓度送入相近浓度的膜组件进液管路.CA滤 膜系统的渗透液经由PS纳滤膜组件分离，渗透 液直接排放，浓缩液返回原料进液管路.所用纳滤膜 的截留特性表明需要4级浓缩过程.较少的级联操 作使得渗透液平均浓度过高，浓度返混严重,过程效 率低下，能耗增加.如图9所示的四级浓缩过程可以 截留98 %以上的木糖成分.表3 306 K下多级浓缩的过程设计多级浓缩膜材料膜面积/ m2渗透液浓度/ (mol L - 1) /渗透流率X106/ (m 1)流量 X106/ (m3 *s- 1) -渗透液/浓缩液浓缩液浓度/ (mol L -。操作压强/ M

16、Pa表观截留率/ %第一级PS2211;-01001 8/ 813179/1190126711099第二级CA61601066 7/ 1619112/23001364218582第三级CA121501133/1419186/ 1260171218581第四级CA61401364/ 12181031135218573图9水糖溶液的多级纳滤过程4结论纳滤过程浓缩木糖溶液大大降低了能量消耗. 将木糖溶液由4 % (01267 mol/ L )浓缩至20 % (1135 mol/ L)，去除80 %水分，与目前使用的蒸馏过程相 比，节能效果明显.由于一级纳滤过程对木糖的截留 率和膜通量难以同时满足技术

17、经济要求，因此多级 浓缩过程是可选的分离工艺.本文经过对木糖浓缩 过程的研究,得到如下结论：1)研究了木糖溶液浓缩过程中操作条件对渗 透通量和截留率的影响，表明木糖溶液经过200 nm 陶瓷微滤膜的预处理，可以除去其中的固体杂质和 色素，溶液色泽得到改善，减轻了 CA纳滤膜的受污 染程度;CA纳滤膜的木糖表观截留率在40 %60 %之间，膜通量在1015 L/ (m2 h).在实验结果的基础上拟合了 S - K模型参 数d和P.25，并用该模型预测了操作条件与渗透通 量及截留幸的关系，优化了工艺参数.在306 K下对800 kg/ h的4 %木糖溶液设 计了间隙式多级串联纳滤过程，表明采用四级

18、浓缩 可以截留98 %以上的木糖成分，渗透液中的木糖有 效成分降到01002 mol/ L以下，可以直接排放或返 回前段木糖水解工艺.在相同的处理能力下,第二到 第四级浓缩过程可依次共用由两根4040纳滤膜以 及输送系统，浓缩装置结构紧凑，具有实用性.在中压操作条件下，膜通量的提高使得膜液界 面浓度有所上升，浓差极化趋于恶化.为了减小浓差 极化现象，需要保持高压侧溶液的充分湍流状态.温 度对浓差极化和膜的组分渗透性能的影响使得纳滤 膜分离性能有温度依赖性.采用变化的反射系数参 数，有助于对纳滤过程的更准确的预测.如果使用实 验方法获得渗透压系数，并能得到卷式纳滤膜的轴 向局部压强分布以及对浓差

19、极化程序的评估，就能 够获得更好的预测效果.符号说明A I莫的纯水通量，m3/ (m2 *s ,MPa)A 0 常数，mA I莫高压侧主体溶液的溶质浓度，mol/ L c2 I莫高压侧膜液界面上的溶质浓度，mol/ L c3 I莫渗透液的溶质浓度，mol/ Lc3 透液平均浓度,mol/ Lc 膜两侧的浓度差，c1 - c3 ,mol/ LD散系数,m2/ sdh 一道等效高度,mJv 液的膜通量,m3/ (m2 *s)K专质系数,m/ sp 一一膜两侧的压强差,MPaP.质平均渗透系数,m3/ (m2 *s)p| 质在某温度下的渗透系数,m3/ (m2 -s)P. 25 质在25笆下的渗透系

20、数,m3/ (m2 -s)1 R一体常数Re eynolds 数(=P dh u/ n Sc chmidt 数(=nP D).-：.：/. -S h herwood 数(=kd/ D)T度，Kt寸间,su效流速,m/ sW0始流量,m3/ sW,t时刻膜高压侧主体溶液流量,m3/ sn粘度,Pa *sn透压,PaP密度,kg/ m3G一一射系数 质的渗透压系数,MPa L/ mol 下标：t 寸刻,s参考文献1 Rautenbach R , Groschl A. Separation potential of nanofil2 tration membranes J . Desalinatio

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