旋轉錯流式膜組件濃縮微藻過程中金屬離子對膜通量的影響

車晨曦,耿安朝,錢士超（上海海事大學,上海 201306）

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旋轉錯流式膜組件濃縮微藻過程中金屬離子對膜通量的影響

車晨曦,耿安朝,錢士超
（上海海事大學,上海 201306）

摘 要：旋轉錯流是一種新型的錯流過濾方式，相比于傳統的錯流方式，具有操作簡便、體積小、能耗低的特點。微藻濃縮是生物柴油生產過程中的一個重要步驟，通過旋轉錯流式膜組件對微藻進行濃縮具有良好的工業化前景。本文通過實驗，研究了添加金屬離子對膜通量的影響。

關鍵詞：錯流過濾；微藻；濃縮；金屬離子；膜通量

傳統錯流過濾方式是通過驅動力推動原液，使原液和膜片之間形成切向力，利用原液沖刷膜片表面堆積的泥餅層，延長膜片壽命，提高過濾效率。但這種方式能耗高，設備復雜，在工業化應用中成本較高。旋轉錯流式過濾改變了驅動力的作用對象，膜組件在液下通過程控旋轉實現主動式錯流過濾，消除濃差極化，提高膜通量，并充分利用旋轉產生沖刷剪切力和濾液湍流，防止濾層產生通過電機驅動膜片轉動，從而在不影響過濾效率的同時降低了能耗，設備體積大大縮小。本實驗通過該設備，研究金屬離子濃度對膜通量的影響。

1 實驗裝置與方法

1.1 微藻的培養

本實驗選取的藻種是螺旋藻鈍頂835，所采用的培養基是Zarrouk培養基［2］，培養環境設定為30℃恒溫，微藻濃度通過北京普析通用儀器有限責任公司生產的T6新世紀型紫外可見分光光度計，在560nm波長下進行測定。

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖所示，實驗通過攪拌器模擬錯流過程，膜片孔徑為0.4 μm，壓力探頭采用Omega公司生產的PX302-015GV型壓力傳感器，測壓區間為0-15 PSIG，抽吸泵壓力為0-1 MPa。

1.3 試驗方法

實驗所用藻液是經過預先濃縮的藻液，培養的微藻原液濃度為0.392—0.433 g/L，使用前需濃縮為2.20 g/L和4.00 g/L，并添加不同濃度的金屬鹽。每次實驗前用蒸餾水測定膜的純水通量，實驗初始壓力為0.3 MPa，每隔半小時提高0.1 MPa，試驗后用蒸餾水對膜片進行沖洗，再次用蒸餾水測定其水通量，以判斷其不可逆污染程度。攪拌器轉速為110 rap/min。實驗過程中隨時向裝置中補充同批次配置的微藻培養液，以保持原液體積恒定。

2 結果與討論

本實驗分別研究了添加不同濃度的Na離子和Ca離子對膜通量的影響。

圖1是不同濃度Na離子條件下，膜通量隨壓力的變化情況。從圖中可以看到，當壓力較小時，添加Na離子會導致膜通量下降，當壓力大于0.05MPa時，20mg/L的 Na離子會使膜通量略微下降，下降幅度為3%-13%，但當添加10mg/L和30mg/L的Na離子時，膜通量與不添加Na離子的對照組相比幾乎不變。說明20mg/L的Na離子加劇了膜污染。

圖2是不同濃度Ca離子條件下，膜通量隨壓力的變化情況。從圖中可以看到高濃度的Ca離子始終使膜通量增加，增長幅度為3.5%-6.2%；在10mg/L濃度下，壓力越高，膜通量的增長越快，增幅從1%逐步增長至2.5%；20mg/L濃度下，對膜通量的促進作用則只在較高壓力下發生。

3 膜污染的阻力構成

膜污染的阻力由膜片自身阻力（Rm）、不可逆阻力（Rf）以及過濾過程中形成的泥餅層阻力（Rp）三部分組成。在純水實驗階段，只存在Rm，而在用藻液進行實驗時，隨著過濾過程進行，不可濾過的物質在膜片表面堆積形成泥餅層，并且有一部分物質進入膜片內部，造成膜孔堵塞，因此，在這一階段，三種阻力都存在；在膜片進行沖洗后，泥餅層消失，而部分進入膜片內部的物質無法通過沖洗釋放出來，形成永久的不可逆阻力。研究中通常采用以下方法計算三種阻力。

式中，Jv為膜通量（ml3/cm2·min）；δP為膜兩側壓力差（MPa）；μ為液體粘度，實驗中水的粘度取值0.8937。

造成膜污染的阻力是泥餅層阻力與不可逆阻力，其中，泥餅層的形成對連續過濾時間具有重要影響，因此可以計算出泥餅層阻力在阻力中的占比，從而確定在不同條件下過濾的可持續性。

圖4是不同濃度Na離子情況下泥餅層阻力的占比，從圖中可以看出，通過添加Na離子，泥餅層阻力所占比大幅減小，而實驗又表明Na離子對膜通量的影響有限，表明在添加Na離子后，雖然減緩了泥餅層了形成，但是同時造成了更多的不可逆阻力。這可能是Na離子與微藻分泌的物質發生了結合，造成微藻分泌物粘性下降，從而減緩了分泌物和膜之間的粘附。

圖5是不同濃度Ca離子情況下泥餅層阻力的占比，從圖中可以看出，在低壓條件下，通過添加Ca離子，泥餅層阻力大大降低，而在高壓條件下，泥餅層阻力則又大幅上升，實驗表明Ca離子對膜通量有促進作用，這表明在高壓條件下盡管形成泥餅層的速率較快，但是不可逆阻力降低了，這種阻力可以通過沖洗消除，因此有利于延長膜片壽命。這種現象可能是由于Ca離子直徑較大，因此不易進入膜孔形成不可逆阻力，但是同時由于Ca離子重量較大，因此更容易與微藻分泌物結合沉淀，形成泥餅層。

4 結論

在用超濾膜濃縮微藻過程中，在一定的壓力下，Ca離子對膜通量增加促進作用，而Na離子對膜通量增加不起作用甚至起副作用。

在Ca離子濃度一定的條件下，影響泥餅層形成了重要因素是壓力。適當的離子濃度和壓力能夠大幅延長膜片的使用壽命。

參考文獻：

［1］耿安朝,王銳,廖德祥.主動錯流式膜分離設備的研制［J］.水處理技術,2013,39（10）：122-127.

［2］徐建祥.螺旋藻的藻種選育及其生長特性的研究［J］.華南理工大學.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.214

作者簡介：車晨曦（1990-），男，河南正陽人，碩士研究生，研究方向：近海海域水資源與水環境。