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膜污染產生的原理與解決辦法(上)
時間:2012-09-11 10:54:50   來源:www.iskenderunsoz.com   點擊:
膜分離技術是指用天然或人工合成的高分子薄膜、無機膜,以外界能量或化學位差(如壓力差、濃度差、電位差)為推動力,對雙組分或多組分的溶質和溶劑進行分級、分離、提純、富
    膜分離技術是指用天然或人工合成的高分子薄膜、無機膜,以外界能量或化學位差(如壓力差、濃度差、電位差)為推動力,對雙組分或多組分的溶質和溶劑進行分級、分離、提純、富集的方法。膜分離技術應用在食品工業中始于20世紀60年代末,首先從乳品加工和啤酒無菌過濾開始。由于膜分離過程不需要加熱,可防止熱敏物質失活,無相變,集分離、濃縮、提純、殺菌為一體,具有分離效果高、操作簡單、費用低等優點,因此在食品工業中應用范圍越來越廣泛,如食品工業中的水處理、低度酒澄清、果汁和茶汁的濃縮、乳清蛋白和蛋白酶的分離、谷氨酸的濃縮等領域,發展相當迅速。
    
    膜分離技術根據截留的組分不同,通常分為微濾、超濾、納濾、反滲透、滲析、電滲析、氣體分離、滲透氣化等。在食品工業中已應用的膜分離過程有超濾、電滲析、反滲透、微濾和納濾,其中以微濾、超濾和反滲透3種應用最廣。在使用過程中,隨著運行時間的增長,膜會發生污染現象,導致膜的滲透通量及截留率等性能發生改變,使用壽命縮短,極大地阻礙了膜分離技術的實際應用。因此,分析膜污染的原因以及采取相應的清洗措施和防治對策使膜性能得到部分恢復或完全恢復十分必要。膜污染分析及膜污染清洗的研究已成為目前膜分離技術研究中的一個熱點問題。
    
    1膜污染的機理關于膜污染的機理現今說法不一,但造成膜污染主要原因有兩個:膜表面吸附溶質(尤其是大分子)形成的膜污染與濃差極化的影響。膜污染是指處理物料中的微粒、膠體顆粒以及溶質大分子由于與膜存在物理、化學或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附和沉積造成膜孔徑變小或堵塞,使膜通量及膜的分離特性產生變化的現象。料液中的組分在膜表面沉積形成的污染層將增加膜過程的阻力,該阻力可能遠大于膜本身的阻力;組分在膜孔中沉積將造成膜孔的減小乃至堵塞。對膜污染而言,往往具有不可逆性。而濃差極化則是膜表面局部濃度增加引起邊界層流體阻力增加,導致傳質推動力下降的現象。這種影響具有可逆性,可通過降低料液濃度或改善膜面附近料液側的流體力學條件如提高流速、采用湍流促進器和設計合理的流道結構等方法來減小濃差極化的影響。這兩者雖然概念不同,但密切相關,常常同時發生,許多場合下正是濃差極化導致了膜污染。
    
    2膜受污染的標志隨著膜運行時間的增加,膜的通量會逐漸降低,實際截留污染物的相對分子質量下降變小,運行壓力上升。當膜污染嚴重時將使分離過程無法正常進行,必須對污染膜進行清洗以確保分離過程的正常運行。膜受到污染的明顯特點是:單位面積遷移水速率逐步下降(膜通量下降);通過膜的壓力和膜兩側的壓差逐漸增大(進料壓力和△P逐漸增大);膜對溶解于水中物質的透過性逐漸增大(礦物截流率下降)。
    
    3影響膜污染的主要因素3.1膜的性質膜的性質包括孔徑大小、膜的材質、孔隙率、粗糙度、疏水性等,這些都會直接影響膜污染。對膜孔徑的選擇,不能簡單認為在能夠滿足截留效果的前提下應盡量選擇較大孔徑的膜,應根據所處理物料的特點及所要達到的截留率來確定。對較大孔徑的膜,盡管其初始通量較大,但通量衰減較快,易受到膜污染。因此對膜孔徑的選擇應比要求截留的分子質量要小,這樣能獲得較好的處理效果,還可減少溶質在膜孔上的吸附和堵塞所造成的污染。但孔徑越小,流體阻力越大,通量越小。因此實際操作過程中還要綜合考慮兩者的關系,通過實驗來確定合適的膜孔徑。
    
    膜對污水中固體微粒、膠體吸附能力的大小與膜材料的分子結構有關,常采用的膜材料有陶瓷和聚合物。陶瓷膜具有很好的機械性能,壽命長,但由于其制造成本較高,實際使用較多的是聚合物膜??刮廴拘暂^好的膜有聚乙烯膜(PE)、聚丙烯纖維膜(PP)、聚丙烯腈纖維膜(PAN)等。膜材料的憎水性對膜污染有很重要的影響,ChangIS等比較了憎水性超濾膜和親水性超濾膜,得出憎水性超濾膜膜面更容易吸附溶解性物質,表現出更大的污染趨勢。對于疏水性膜,在膜組件投入運行前,可以通過化學改性進行親水處理,將其轉變為親水性膜,以強化其抗污染能力。使用表面活性劑或可溶性高聚物的靜態吸附作為一種較經濟的方法可得到相同的膜表面修飾,其原理是由于這些非離子表面活性劑和高聚物會在膜表面形成厚的致密親水層而使通量得到改善。此外,膜污染程度還與膜孔隙率、表面粗糙度及膜表面荷電性等有關。
    
    3.2原料液的預處理預處理是指在原料液過濾前向其中加入適當的藥劑以改變料液或溶質的性質,或對其進行絮凝、過濾以去除一些較大的懸浮粒子或膠狀物質,或者調整料液的pH值以去除給膜帶來污染的物質,從而減輕膜過程的負荷和污染,提高過濾通量。恰當的預處理有助于降低膜污染,提高滲透通量和膜的截留性能。采用預處理方法時,應根據料液的性質以及膜材的性質來選擇處理方法。對含難溶鹽的料液可采用預沉、加化學阻垢劑或分散劑等方法;在高黏度料液的過濾中,加入適當的藥劑以降低料液的黏度,改善其流動性能,提高過濾效果;對含懸浮微?;蚰z狀物的料液可采用砂濾、微濾或加混凝劑、絮凝劑等方法;對富含微生物的料液可添加殺菌劑或先進行紫外線殺菌以免微生物對膜的污染和侵蝕。
    
    3.3操作方面的因素3.3.1操作壓力操作壓力是影響膜污染的重要因素。壓力與料液流速對膜透水率的影響通常是相互關聯的。當流速一定且濃差極化不明顯時,膜的透水率隨壓力增加近似直線增加。濃差極化起作用后,壓力增加,透水率提高,濃差極化隨之嚴重,使透水率隨壓力增加脫離線性關系。壓力增加到一定值后,濃差極化使膜表面溶質濃度達到極限濃度,溶質在膜表面開始析出形成凝膠層。此時,凝膠層阻力對膜的透水率影響起決定作用,透水率幾乎不依賴壓力,當料液中溶質濃度降低或料液流速提高時,可以升高達極限濃度的壓力,透水率也提高。
    
    因此要選擇合適的壓力與料液流速,以保證得到最佳透水率的同時避免凝膠層的形成。
    
    3.3.2料液流速膜面料液的流動狀態、流速的大小都會影響膜污染。料液的流速越大則料液的流速或剪切力也越大,而剪切力可影響垢層的厚度。料液間剪切的存在,可以使垢層物質分子產生擴散,使垢層厚度逐漸減小,有利于降低濃差極化層和膜表面沉積層,使膜污染降低,從而增大過濾速度。適當提高料液流速,增加湍流程度可以抑制膜污染??刹扇〉拇胧┤缦拢哼M行膜面攪拌即裝設湍流促進器、插入隔片、用小攪拌槳在膜面附近攪拌等方法;對于管狀組件,可在管中放置一些小球狀物,也可以制成凹凸面平膜的方法增加湍流程度;對旋轉式膜組件提高膜轉動速度,使膜面高速旋轉產生的高剪切力可減少垢層的堆積。
    
    3.3.3操作條件的優化操作條件的優化包括控制初始滲透通量,反向放置微孔膜,利用高分子溶液的流變特性及脈動流操作和鼓泡操作,采用兩相流操作、離心操作、電超濾、電納濾、振動膜組件和超聲波輻射等。
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