陶瓷膜過濾蔗汁后膜通量恢復方法比較

胡瑞云，沈石妍，李艷芳，李雪珍

（云南省農業科學院甘蔗研究所，云南　開遠　661699）

陶瓷膜過濾蔗汁后膜通量恢復方法比較

胡瑞云，沈石妍*，李艷芳，李雪珍

（云南省農業科學院甘蔗研究所，云南開遠661699）

陶瓷膜過濾蔗汁后，膜孔易被堵塞，造成膜通量大幅降低，影響膜的使用效率，需制定合理的清洗方法，有效恢復膜通量，延長膜的使用壽命。本實驗對堿性清洗劑、含酶清洗劑、混合氧化劑和混合氧化劑浸泡一段時間后再清洗的4種清洗方法的清洗效果進行了對比，結果顯示混合氧化劑浸泡后再清洗的方法較適合過濾蔗汁后陶瓷膜管的清洗，膜通量恢復率可達 87%以上，清洗效率較高，達到有效恢復被污染陶瓷膜的水通量的目的。

陶瓷膜；膜污染；膜清洗；膜通量恢復

0　前言

膜過濾作為一種新型的分離、濃縮、提純及凈化技術，在近30年來得到了迅速的發展，這種技術已被廣泛應用到食品、醫藥、環保、石油化工等多個領域。從1994年開始美國、法國等國家的制糖研究所已經開始在制糖領域運用微濾、超濾技術分離提純蔗糖，包括原糖精加工，甜菜、甘蔗直接加工白砂糖，糖蜜中分離回收糖，廢水處理等技術［1］。但是在微孔過濾中濾膜隨著使用時間的不斷延續，極易被少量與孔徑大小相當的微粒或膠體粒子堵塞，導致膜孔徑減少和膜孔堵塞，膜清洗困難。

在膜過濾中，膜污染的種類主要分為吸附污染、沉淀污染、生物污染。吸附污染是指有機物在膜表面的吸附，主要污染物是溶解物、乳化物，是影響膜效能的主要因素；沉淀污染是無機物如鈣鹽、磷鹽、鐵鹽、鎂鹽形成的沉淀或結垢，有機物如脂肪、蛋白質腐殖酸、膠體及多羥基芳香化合物形成的膠體沉淀；生物污染主要是指膜在保存過程中投入的殺菌劑不足時，在膜管上形成如藻類、細菌類等生物膜，影響膜的性能。對于受污染膜管的清洗通常分為物理清洗、化學清洗、生物清洗等類型。物理清洗主要利用水流、氣液湍流沖洗膜管內的污染物，物理清洗僅僅能使膜的透水性能得到一定程度的恢復；化學清洗可清洗不同結垢類型的污染物；生物清洗是使用相對應的含酶制劑酶解生物污染物達到清洗的目的。膜的清洗可分為酸性清洗劑、堿性清洗劑、含酶清洗劑、氧化清洗劑等清洗方法。酸性清洗方法適用于可溶于酸性清洗劑的鈣、鎂離子的污染，因酸洗具有使膜孔收縮的特點，通常情況下適用于經長期堿性清洗劑清洗后的擴張膜管的收縮。堿性清洗方法適用于油性污染物、有機物污染物的清洗，堿性清洗劑可使膜孔放松，提高清洗效率。含酶清洗劑適用于蛋白、酶等有機污染物的清洗。氧化劑清洗適用于清除色素、膠體、脂類等混合污染物。

陶瓷膜是一種性能較為穩定的新型過濾膜，運用于蔗汁的過濾中可去除 99%以上的懸浮雜質和80%～90%以上的色素物質，除雜脫色效率較高。但是在過濾過程中膜管極易被蔗汁中的葡聚糖、蛋白質、淀粉、脂蠟等有機物堵塞膜孔，當通量下降至初始通量的2%～10%左右時，必須及時清洗，若不及時清洗，會造成膜管永久性的堵塞，導致膜管報廢。通常膜管清洗后水通量至少要恢復至初始通量的80%以上，方可視為膜管通量已恢復。本試驗旨在采用不同的化學清洗劑對陶瓷膜管進行清洗，對比膜通量恢復效果，尋找最佳清洗方式，達到有效恢復被污染陶瓷膜的水通量的目的，提高膜的使用周期和使用壽命。

1　材料與方法

1.1供試樣品

選用云南省農業科學院甘蔗研究所第一試驗基地甘蔗樣品。

1.2實驗設備

陶瓷/管式膜小試設備：CeraMen-0100、1.5 kW，每次可安裝膜管1支，廈門福美科技有限公司。陶瓷膜過濾裝置流程圖如圖1所示。

陶瓷膜孔徑：50 nm、100 nm各1只，膜管尺寸：φ30 mm×500 mm，膜有效過濾面積：0.12 m2，適用過濾溫度5～85℃，pH適用范圍0～14。

1.3實驗方法

本實驗清洗方法按表1方案進行。

1.3.1過濾蔗汁前純水通量測定

圖1　陶瓷膜過濾裝置流程圖

表1　膜管清洗方案

將待測定的陶瓷膜安裝到實驗裝置上，料桶中放入純水，啟動裝置，排除管內氣泡，控制濃縮液流量為80～100 L/h，進膜壓力0.20～0.32 MPa，出膜壓力0.18～0.25 MPa，每5 min測量膜管的純水通量1次。

1.3.2過濾蔗汁時膜通量測定

排凈料桶內純水放入蔗汁，按前述過程操作，每5 min測量膜管的蔗汁通量1次。

1.3.3 藥劑清洗

排凈料桶內剩余蔗汁放入清水，啟動裝置，保持最低進出膜壓力的狀態下，沖洗干凈被污染的膜管，按清洗方案放入清洗劑，保持最低進出膜壓力的狀態下，循環清洗15～30 min，沖洗干凈清洗劑后，每5 min測量膜管的純水通量1次，該通量即為被污染膜管恢復后的水通量。

1.4計算

1.4.1水通量

水通量用 WFR125表示，指在溫度 25℃、操作壓力為0.1 MPa下，單位面積每小時透過膜管的滲透液體積升數。

式中：TMP—操作壓力，MPa；P1—物料進口壓力，MPa；P2—物料循環壓力，MPa；P3—透徹出口壓力，MPa，通常情況下可視為0；Q—滲透側滲透液的流量，L/h；K—溫度校正系數；S—膜過濾面積，m2。

圖2　堿性清洗劑清洗前后的膜通量變化

1.4.2水通量的恢復率

水通量的恢復率計算方式如式（3）所示。

2　結果與分析

2.1堿性清洗劑清洗前后的膜通量變化

按方案一清洗膜通量變化情況如圖2所示，過濾前100、50 nm膜管的平均水通量WFR125分別為1237、565 L，過濾蔗汁時分別降低為16、13 L，清洗后分別恢復至87、56 L。

2.2含酶清洗劑清洗前后的膜通量變化

按方案二清洗膜通量變化情況如圖3所示，過濾前100、50 nm膜管的平均水通量WFR125分別為1148、866 L，過濾蔗汁時分別降低為16、18 L，清洗后分別恢復至46、61 L。

圖3　酶制劑清洗劑清洗前后的膜通量變化

2.3混合氧化劑清洗前后的膜通量變化

按方案三清洗膜通量變化情況如圖4所示，過濾前100、50 nm膜管的平均水通量WFR125分別為1195、827 L，過濾蔗汁時分別降低為16、24 L，清洗后分別恢復至686、377 L。

2.4混合氧化劑浸泡4 h后再清洗膜通量變化

按方案四清洗膜通量變化情況如圖5所示，過濾前100、50 nm膜管的平均水通量WFR125分別為1212、722 L，過濾蔗汁時分別降低為17、20 L，清洗后分別恢復至1255、631 L。

圖4　混合氧化劑清洗前后膜通量變化圖

圖5　混合氧化劑浸泡清洗前后膜通量變化圖

2.5膜管水通量恢復率的效果對比

從圖6可看出，4種清洗方法中單獨使用堿性清洗劑或含酶清洗劑的清洗效率很低，經過1次清洗后，水通量恢復率僅為4.0%～9.9%，需經多次清洗才可恢復至40%左右，清洗效果不理想。混合氧化劑的清洗效果較為理想，經過1次清洗后水通量恢復率可達45.6%～57.4%，經多次清洗即可復原，但是清洗過程繁瑣。使用混合氧化劑浸泡4 h后再清洗，讓清洗劑與污染物有充分的反應時間，堿液有助于提高脂類在水中的溶解度，氧化劑可將截留的大分子氨基酸、蛋白質等有機物分解為溶解態的有機物［2］，可使頑固的污染層脫落，再通過一定的壓力和湍流速度可充分清洗掉膜管上的污染物，僅1次清洗基本能恢復至使用前水通量的 87%以上，清洗效率較高。經混合氧化劑浸泡清洗過的陶瓷膜管，進行過濾蔗汁的效果測試，蔗汁的色值去除率和用該方法清洗前的去除率基本一致，沒有破壞陶瓷膜管的分子結構，排除了因長時間藥劑浸泡造成膜管損傷的可能性。

3　結論

膜過濾運行中當膜管水通量的恢復率低于使用前的80%，則可視為膜管效能衰退或膜管已被污染。從本實驗數據中可以明顯看出：蔗汁中含有的葡聚糖、淀粉、脂蠟、膠體以及色素等雜質是造成膜管污染、清洗困難的主要因素。在膜過濾中，膜的操作控制也是導致膜管污染的另一個重要因素，膜過濾的操作壓力需要選擇一個平衡點，進出膜壓力不宜控制太高，否則與膜孔通徑相當的顆粒易被壓入膜孔中，導致膜的清洗難度增加。

實驗對比認為：混合氧化劑浸泡陶瓷膜管后再清洗的方法清洗效率高，經過1次清洗水通量即可復原。在實驗中混合氧化劑為多次循環使用，配制15 L溶液可重復清洗膜管至少10次，首次使用清洗效率最高，基本能100%復原；重復使用過程中，當氧化清洗效率低時，可就該溶液再次補充次氯酸鈉溶液或堿液增加氧化清潔效率，同時，每次清洗過濾時可用200目的濾網或用膜過濾裝置去除清洗劑中的大顆粒雜質后重復循環使用，節約清洗劑的同時可減少化學藥劑帶來的環境污染。最終廢棄物量少的采取酸堿中和反應后排放，量多者直接蒸發濃縮燃燒生成苛化堿后貯存再循環使用。

圖6　膜通量恢復率對比圖

［1］于淑娟，閔亞光，高大維. 膜分離技術在制糖工業中的運用［J］. 中國甜菜糖業，1999（1）：11-14.

［2］王紅，宋玉棟，谷小鳳，等. 陶瓷膜過濾丙烯酸丁脂廢水的膜清洗方法的研究［J］. 中國給排水，2015（10）：

16-20. （本篇責任編校：鄧丹丹）

Methods Comparison of Ceramic Membrane Flux Recovering Ratio after Sugarcane Juice Filtration

HU Rui-yun， SHEN Shi-yan， LI Yan-fang， LI Xue-zheng
（Sugarcane Research Institute， Yunnan Academy of Agricultural Sciences， Kaiyuan， Yunnan 661699）

Fenestra of ceramic membrane built up after sugarcane juice filtration could significantly reduce the membrane flux and the efficiency of the film. Reasonable cleaning method was necessary for the flux recovering ratio and service life of film. Four cleaning methods of alkaline cleaner， cleaner containing enzyme， mixed oxidant and soaked by mixed oxidant were used in the experiment. The result showed that soaked by mixed oxidant was suitable for the cleaning of ceramic membrane， and the flux recovering ratio could reach 87%. This method had higher cleaning rate and can be used in the recovering of ceramic membrane.

Ceramic membrane；Membrane fouling；Membrane cleaning；Flux recovering

TS244+.2

B

1005-9695（2016）05-0049-05

2016-08-01；

2016-10-09

2015云南省蔗糖專項：蔗糖精深加工技術的研究及功能性糖品的開發

胡瑞云（1966-），女，工程師，主要從事制糖生產、酒精生產研究、管理工作；E-mail：huruiyun2005@163.com

沈石妍（1968-），女，高級工程師，主要從事蔗糖深加工及副產物綜合利用方面研究；E-mail：okmlshshy@sina.com

引文格式：胡瑞云，沈石妍，李艷芳，等. 陶瓷膜過濾蔗汁后膜通量恢復方法比較［J］. 甘蔗糖業，2016（5）：49-53.