往復旋轉管式陶瓷膜超濾脫脂奶水溶液的研究

張曉娜，梁志輝，曾燕艷，范洪波，呂斯濠

（1華南理工大學環境科學與工程學院，廣東 廣州 510006；2東莞理工學院化學與環境工程學院，廣東 東莞523808）

大量的研究表明[1-4]，膜組件旋轉可以有效減輕膜污染，延緩膜通量的衰減。目前，主要的旋轉膜組件有旋轉盤式膜[5]和旋轉管式膜[6]兩種。旋轉盤式膜系統通過膜片旋轉或者近膜面轉子的旋轉[7]，提高圓盤式膜片表面的剪切力，延緩膜污染。旋轉管式膜系統由內筒可旋轉膜管和外筒同軸不旋轉外殼組成，料液從兩筒間的管隙通過[8]，通過膜管的旋轉在管隙間形成泰勒渦二次流[9]，形成強化剪切的效果。根據文獻[10]，這兩種旋轉膜組件一般采用單向高速旋轉的方式強化膜表面的剪切作用。近期，有研究發現[11]，往復旋轉的膜組件可以產生比單向旋轉更好的剪切強化效果。張杰琳等[11]采用往復旋轉中空纖維膜超濾脫脂奶水溶液，發現往復旋轉比單向旋轉更利于延緩膜通量的衰減。不過，該研究僅分別考察了3個不同旋轉角速度與往復周期的影響，如果要清楚解釋往復旋轉強化膜過濾的規律與機理，仍需進一步的研究工作；另外，該實驗裝置采用的中空纖維膜在旋轉過程中容易折斷，且密封性較難控制，影響數據的穩定性。

本文作者在張杰琳等[11]研究的基礎上，采用單孔陶瓷管式膜，設計了一種往復旋轉管式陶瓷膜裝置，過濾脫脂奶水溶液，考察往復旋轉條件下管式陶瓷膜的過濾特性以及操作參數對膜過濾過程的影響，以揭示往復旋轉強化膜表面剪切作用的機理，推動往復旋轉膜過濾技術的發展。

1 實驗部分

1.1 實驗用水

實驗所用料液為脫脂奶粉的水溶液，由 70 ℃的自來水與脫脂奶粉（內蒙古伊利實業集團股份有限公司）配制而成，配制奶粉溶液濃度分別為2 g/L、4 g/L 、6 g/L 、8 g/L和10 g/L，實驗溫度控制在18 ℃。

1.2 實驗用膜

本實驗所用超濾膜是合肥長城新元膜科技有限公司生產的外壓單孔管式陶瓷膜，膜的基本參數如表1所示。經測定，該超濾膜對實驗所用奶粉溶液中蛋白質的截留率可達到98%左右。

1.3 實驗裝置工藝流程

實驗裝置如圖1所示，裝置的筒體采用內徑為17 cm、高38.5 cm的有機玻璃制成，有效容積為8.2L。裝置內豎直安裝 8根陶瓷膜管，膜管固定在 4個中空橫桿上，每個橫桿上有2個距筒體軸心分別為30 mm和60 mm的小孔，用于固定膜管。4個中空橫桿成“十”字形安裝在1個中空轉軸上。中空轉軸由電動機驅動，帶動膜組件做往復旋轉運動，電動機由PLC控制，往復旋轉轉速（n）與周期（T，表示膜組件完成一次正向與反向旋轉運動的時間）均可調。實驗中，料液通過蠕動泵由料液桶泵入筒體頂部的進料口中。膜濾出液從外向內進入陶瓷膜管內，然后通過中空橫桿進入中空轉軸，最終由蠕動泵從中空轉軸頂部抽出，收集在燒杯內，用量筒測量濾出液體積。為了保持原料槽內料液的濃度不變，濾出液不斷倒回料液桶內，并用玻璃棒攪拌均勻。整個筒體的壓力由安裝在頂部的壓力表測定。濃縮液由裝置底部的濃縮液出口回流到原料液桶內，回流管線上安裝的閥門可以用于調節膜過濾的壓力。為保證實驗條件不變，每次實驗結束后均采用相同的清洗方法，清洗后采用純水在TMP=50 kPa下過濾30 min，確保純水通量在385 L/(m2·h)左右，且誤差小于5%。

表1 超濾膜的基本參數

圖1 實驗裝置示意圖

1.4 膜通量的測定

以壓力差為推動力的膜分離過程中，膜通量公式見式（1）。

式中，V為在t時間內的濾出液體積，L；S為膜有效過濾面積，m2；t為過濾的時間，h。本實驗中，過濾開始階段，每2 min量取一次透過液的體積，0.5 h后，每5 min量取濾出液的體積，持續1 h，每個過濾實驗持續90 min。

2 結果與討論

2.1 不同旋轉方式的比較

在TMP為100 kPa、料液濃度4 g/L、溫度18 ℃的條件下，分別控制陶瓷膜不旋轉（n=0，即死端過濾）、單向旋轉（n=100 r/min）、往復旋轉（n=100 r/min，往復周期T=2 s）的條件下，考察不同旋轉方式對膜過濾效果的影響。結果如圖2所示，死端過濾膜通量衰減的速率最快，過濾90 min后，膜通量僅為3.5 L/(m2·h)。單向旋轉膜過濾時，過濾90 min后膜通量為13.1 L/(m2·h)，約為死端過濾4倍。相對而言，往復旋轉過濾時膜通量的衰減最慢，過濾90 min后，膜通量為30.3 L/(m2·h)，約為死端過濾的9倍。該結果與張杰琳等[11]相似，表明旋轉可以延緩膜通量衰減，往復旋轉的延緩效果比單向旋轉更好。

2.2 往復旋轉管式膜的影響因素

2.2.1 料液濃度的影響

圖2 不同過濾方式對膜通量衰減的影響

圖3 不同料液濃度對膜通量衰減的影響

在TMP=100 kPa、料液溫度18 ℃、往復周期T=2 s、旋轉速度n=100 r/min條件下，分別考察料液質量濃度c為2 g/L、4 g/L、6 g/L、8 g/L和10 g/L時的膜過濾通量隨時間的變化，結果如圖3所示。膜通量隨時間的增長不斷下降，并且在過濾初期會迅速衰減，而后逐漸趨于穩定，直至達到相對的穩態通量。料液濃度越大，膜初始通量越小，且膜通量衰減越快，穩態通量亦越小，膜通量與料液濃度之間基本呈線性關系。該結果表明，即使在膜表面剪切強化的過濾方式下，料液濃度也會對膜通量產生直接的影響。根據達西定律膜的滲透通量受料液黏度與膜污染阻力的影響[12]，而料液濃度則會直接影響料液黏度與膜污染阻力，故即使在旋轉剪切的情況下，料液濃度的改變仍會影響膜通量。

2.2.2 操作壓差的影響

考察了料液溫度18 ℃、濃度4 g/L、旋轉速度n=100 r/min、往復周期T=2 s的條件下， TMP分別為10 kPa、40 kPa、70 kPa、100 kPa和130 kPa時的膜通量變化。由圖4可知，TMP越大，膜的初始通量越大，兩者基本呈線性關系。TMP從10 kPa增大至100 kPa時，膜的穩態通量會隨TMP增大而增大，但當TMP為130 kPa時，膜的穩態通量甚至低于70 kPa時的值。這是因為較大的操作壓力將會壓實膜表面產生的凝膠層，使得膜阻力增大，膜通量降低。而在較低的壓力條件下，濾餅層較松散，容易被旋轉剪切流掃落，使過濾阻力變小，延緩了膜污染。該結果表明，采用往復旋轉膜過濾脫脂奶水溶液時，需控制在較低的TMP下操作，一旦TMP達到一定程度，會導致膜污染的加重。

圖4 不同操作壓差對膜通量衰減的影響

2.2.3 旋轉速度的影響

在TMP為100 kPa、料液溫度18 ℃、濃度4 g/L條件下，考察旋轉速度n分別20 r/min、40 r/min、60 r/min、80 r/min和100 r/min、往復周期T分別為2 s、4 s、6 s、8 s和10 s時的膜通量變化，將穩態通量的結果示于圖 5。在往復周期一定時，隨著旋轉速度的增大，膜穩態通量呈先迅速增長、后緩慢增長的趨勢。這是因為旋轉速度增加，膜表面剪切力增大，膜組件旋轉運動會在膜表面產生旋轉切向流，這不僅可以減輕濃差極化現象，還及時帶走沉積在膜表面的濾餅層，從而更好地延緩膜通量的衰減速率。當旋轉速度達到一定值后，繼續增加旋轉速度，膜穩態通量增加較為緩慢。這是因為料液中的顆粒物在旋轉過程中受到滲透流曳力作用的同時也受到離心力的作用。當旋轉速度增加到一定程度時，旋轉產生的離心力起著削弱過濾壓力的作用，使過濾速率增加緩慢[13]。

2.2.4 往復旋轉周期的影響

圖5 旋轉速度對膜通量衰減的影響

圖6 不同往復旋轉周期對膜通量衰減的影響

張杰琳等[11]通過實驗研究了周期對減緩膜污染的影響，但不能清晰闡述周期對減緩膜污染的內在原因。為了更深入研究周期對減緩膜污染的影響，進行了一系列的實驗：在TMP為100 kPa、料液溫度18 ℃、濃度4 g/L條件下，考察以不同速度旋轉的膜在T分別為0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s、0.5 s、1 s、1.5 s、2 s、4 s、6 s、8 s和10 s時的膜穩態通量變化，結果如圖6所示。隨著旋轉周期的增加，膜穩態通量呈現先上升后下降的趨勢。這是因為膜組件旋轉可帶動料液運動，在膜穩態通量上升階段，由于旋轉周期比較小，料液速度尚未達到膜組件速度就反向旋轉膜組件，此階段，隨著旋轉周期增大，料液可獲得的速度增大，反向旋轉膜組件時，料液的速度與膜組件轉速之間的矢量疊加在膜表面產生的速度梯度增大，可產生較強烈的膜表面剪切作用，膜穩態通量也增大。當旋轉周期增加到一定值時，料液的速度可達到與膜組件相同的速度，此時瞬時反方向旋轉膜組件，膜表面剪切強化作用最強；在膜穩態通量下降階段，隨著旋轉周期增大，當料液的速度達到膜組件的速度后，料液與膜組件以相近速度一起旋轉，膜表面的剪切強化作用減弱。另外，隨著旋轉周期繼續增大，單位時間內反方向旋轉膜組件的頻率也將會減少，這也將會弱化剪切強化作用，使膜穩態通量減小。當旋轉速度小于一定值時，膜表面剪切作用較弱，旋轉周期對膜穩態通量的影響不明顯。

2.3 能耗分析

在TMP為100 kPa、料液溫度18 ℃、濃度4 g/L條件下，對轉速n=20 r/min、40 r/min、60 r/min、80 r/min和100 r/min時，往復旋轉過濾（周期T=1 s）與單向旋轉過濾進行能耗對比。以單位通量能耗率P為指標，即獲得單位體積料液所消耗的凈電量。凈電量指在相同工況下膜系統過濾所消耗的總電量減去膜系統空轉所消耗的電量[14]。該裝置運行耗電量通過電度表（浙江華星儀表有限公司）來測定，過濾時間為4 h，結果如圖7所示。轉速n =20 r/min時，往復旋轉的單位通量能耗率比單向旋轉略大。隨著轉速增大，兩種旋轉形式下的單位通量能耗率均逐漸降低，而往復旋轉時的單位通量能耗下降更快。在n=100 r/min時，往復旋轉的單位通量能耗率為10.34 kW·h/m3，約為單向旋轉時的1/2。其原因是轉速較小時，往復旋轉形成的膜表面剪切強化作用較弱，其膜穩態過濾通量較單向旋轉增加不大，且其在往復旋轉過程中需要不斷克服料液與膜組件之間的內摩擦力，增加了凈電量，導致其單位通量能耗較單向旋轉大。而當旋轉速度達到一定值后，往復旋轉在膜表面的剪切強化作用強烈，具有明顯減緩膜污染的效果，雖仍需要克服料液與膜組件之間的內摩擦力，增加凈電量，但單位時間內可得到較多的濾出液，因此，往復旋轉過濾單位通量能耗較單向旋轉過濾低。

圖7 往復旋轉過濾和單向旋轉過濾能耗對比

3 結 論

采用往復旋轉管式膜超濾脫脂奶水溶液相對于死端過濾和單向旋轉過濾有明顯的減緩膜污染的效果。隨著料液濃度的增加，膜通量呈現下降趨勢。操作壓力是膜過濾的推動力，在較低壓力下，增大壓力可提高膜通量，但當壓力增大到一定程度后，繼續增加操作壓力，膜的穩態通量反而下降。在其它條件一定的情況下，旋轉速度增加，膜表面剪切率增大，可以更好地延緩膜通量的衰減速率。往復旋轉周期對膜穩態通量的影響較為復雜，單純減小或者增大旋轉周期都不能很好地提高膜穩態通量。當料液旋轉速度與膜組件旋轉速度達到相近時，反方向旋轉膜組件，此時在膜表面切向流速度最大，剪切強化效果最好。從能耗方面分析，在同一條件下運行，往復旋轉過濾較單向旋轉過濾單位通量能耗低，是一種非常有效的強化膜分離技術。

符 號 說 明

C—— 料液質量濃度，g/L

J——膜過濾通量，L/(m2·h)

Js——膜過濾穩態通量，L/(m2·h)

n——旋轉速度，r/min

P——單位通量能耗率，kW·h/m3

S——膜有效過濾面積，m2

T——旋轉周期，s

TMP——膜過濾壓差，kPa

t——過濾時間，h或min

V——濾出液體積，L

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