膜過濾系統的震動膜過濾微濾性能研究

汪冬梅，李 平

（吉林省環境科學研究院，吉林 長春130012）

1 引言

近年來，膜分離技術已經廣泛的應用在高分離、濃縮、提純及凈化等方面，但是膜在使用過程中產生的濃差極化和膜污染現象卻制約了其在工業上的應用。傳統的方法是通過提高經過膜表面流體錯流的速度，來減輕濃差極化和膜污染，但是由于粘性力的存在，使得膜面附近的切向流速不大，并且耗能高。振動膜過濾系統（Vibratory Shear Enhanced Proeessing，簡稱 VSEP）作為一種動態過濾系統，可以通過裝置的扭轉振動而在膜表面上產生高剪切力，使聚集在膜表面的固體顆粒和污染物從膜的表面升起，或使顆粒和污染物從附著的膜孔道中分離而與主流混合，并且使料液中的大分子物質難以在膜表面形成凝膠層，減少膜表面的濃差極化和吸附物的累積，從而降低膜堵塞和污染的可能性，提高過濾效果與傳統的錯流過濾相比，VSEP能夠取得更好的過濾分離效果，并且具有抗堵塞能力強、能量利用率高、占地面積少、應用范圍廣和運行費用低等優點，所以深入研究VSEP具有十分重要的意義。

1992年由Arinando等人首次提出了通過扭轉振動，提高剪切力從而減輕濃差極化和膜污染的方法，此即VSEP的過濾原理，此后，美國NewLogic公司和Pall公司根據此原理分別制造出振動膜過濾系統的專利產品，并已經將其應用于多種廢水處理工藝，取得了較好的過濾效果。

目前國內外學者對VSEP的研究，僅限于通過購買專利產品來進行膜過濾分離方面的實驗研究，缺少對裝置的理論計算和分析，并且所用的膜都是和產品配套的平板膜，鮮有人對其他形式的膜進行研究。

1.1 裝置的過濾分離部分

將原來的過濾膜盤改為過濾膜管，以考察管式膜與VSEP裝置振動部分結合后的分離性能，并且通過Ca-CO3懸浮液的微濾實驗來研究操作參數對過濾通量、污垢阻力和跨膜壓力的影響，同時利用軟件計算得到了膜管環隙間的速度和剪切速率的分布情況，運用因次分析和正交實驗的方法，得到了CaCO3懸浮液微濾時的穩態過濾通量數學模型。

1.2 裝置的振動傳遞部分

將裝置傳動板加厚并增加平衡質量塊，以使裝置能在更高的振動頻率下穩定運行，并且通過酵母懸浮液的微濾實驗，考察了裝置改進前后的微濾性能，以及穩態過濾通量和剪切速率的關系，同時得到了酵母懸浮液微濾時的穩態過濾通量數學模型。

2 實驗裝置及實驗方法

2.1 實驗裝置及改進

VSEP系統是通過裝置的扭轉振動在膜上產生高的剪切速率來強化過濾效果，現有的VSEP裝置示意圖，如圖1所示。

裝置扭轉振動的產生是通過電機帶動傳動軸下端的偏心塊來實現的，可以通過改變電機的轉速和偏心塊的大小來調節裝置的振動頻率和振幅、傳動板是裝置的振動傳遞部分，它將偏心塊產生的扭轉振動直接傳遞給與其相連的支撐軸，進而傳遞給裝置的過濾分離部分，實驗室現有裝置的傳動板厚僅為5mm，當振動頻率升高到大于11Hz后，由于傳動板剛度不夠，導致整個裝置尤其是支撐軸和過濾膜盤產生明顯的晃動，裝置無法正常工作，從而限制了對有關參數的研究范圍，本文提出將傳動板加厚為30mm，并且在傳動板上固定了一塊平衡質量塊，裝置改進后，振動頻率可以提高到22Hz，且穩定性良好。

2.2 實驗流程

在同一振動裝置上，只需將支撐軸上的膜管和膜盤互換，即可進行不同膜組件的振動過濾性能研究。

進料液通過磁力循環泵，以一定的進料流量從循環進料儲液罐中，經由轉子流量計和壓力表打入過濾膜盤或膜管中，對于過濾膜盤，滲透液經過濾膜由上膜盤的滲透液出口流出，滲余液由下膜盤的滲余液出口流出。對于過濾膜管，滲透液由管式濾膜的上部的滲透液出口流出。滲余液由膜管側面的滲余液出口流出”實驗過程中滲透液和滲余液都返回進料儲液罐中，以保證循環進料且進料液濃度不變，為了確保有足夠體積的料液進行實驗，進料儲液罐中配制的進料液為50L，同時要在實驗過程中對儲液罐中的料液不停的進行人工攪拌，以防止懸浮液中的顆粒沉降，保證進料液濃度均勻。

實驗過程中膜盤和膜管都采用下端進料的方式，這種進料方式可以在很大程度上消除懸浮液中顆粒本身重力的影響，實驗過程中，由于料液的主體流動方向為由下至上，這就使得已經有向下沉降趨勢的顆粒又被重新帶回到主流中，進而由滲余液出口排出膜盤或膜管，可見，這種進料方式可以防止顆粒在膜面上的沉積，從而降低濃差極化和膜污染現象，提高過濾效果。

3 實驗過程

啟動變頻器，使電機運轉，裝置開始扭轉振動，當振動頻率和振幅達到穩定后開泵，調節料液進口管路上的閥門，使流量達到設定值，當過濾膜盤或膜管，以及管路中的氣體全部排凈后開始記錄數據，且記錄數據的時間間隔為3min，用量筒測量滲透液的體積，同時用秒表記錄時間，記錄進出口壓力表的示數，測量收集的滲透液的濁度，每組實驗當過濾通量穩定后停止，停泵，關閉變頻器，停機后PE管式膜要立即用清水進行反沖洗，PP膜要立即取出，每組實驗完成后都要用清水沖洗膜管和膜盤，以及進出口的管路，以避免殘留的雜質顆粒影響實驗的準確度。

4 試驗條件的優化結果

試驗采用管式膜材料為多孔聚乙烯 （PE），這種多孔聚乙烯管是一種剛性較好的多孔體，適合作為過濾介質，當它的使用溫度不太高時，拉、壓力的作用都不會使其形狀發生改變，并且當管的外表面有濾餅形成后，只需進行適當的反沖洗即可使濾餅脫落，使管式膜的使用效果恢復如初。經過處理后，聚合物截留效率在85.5%左右。

5 綜合分析

企業污染治理不但要考慮污水處理效果，并考慮處理成本及行業的健康發展，達到“環境效益、社會效益及經濟效益”三統一。膜分離技術處理腈綸廢水聚合物截留實際生產中具有截留效率高、生產成本較低，并可操作強，具有實際使用價值。

［1］經 光 .振動膜過濾系統的微濾性能研究［D］.大連：大連理工大學，2010.

［2］王陸珠 .某染料廢水處理改造初探［J］.安徽化工，2006（6）.