影響PVDF平板膜組件運行性能的因素研究

虞鯤鵬，唐玉蘭

(沈陽建筑大學 市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

1 引言

相比于傳統水處理工藝而言，膜處理工藝憑借其憑借著處理效果好，無需添加化學藥劑，操作簡單等優點脫穎而出，被稱作“21世紀水處理技術”，目前正廣泛地應用在各種場合之中。作為膜分離技術中應用最為廣泛的超濾技術，更是大量應用于食品、化學、生活污水處理、印染紡織業等工業廢水當中。

膜污染問題是各類膜技術使用時最大的阻礙。在膜的運行過程中，小分子的污染物質會逐漸吸附沉積在膜孔內側，造成膜的不可逆膜污染，使膜通量輕微下降；大分子的污染物質則會在膜表面吸附沉積下來，以濾餅層的形式存在，使膜通量急劇下降，污染嚴重時甚至會縮短膜壽命。膜污染的成因復雜，受許多因素單獨或共同影響，通常從3種途徑進行處理：①預處理或在線處理污染物；②改變試驗條件以增大紊流度或減小流體動力學邊界層的厚度；③降低膜通量。本試驗從第二種方法入手，探究各類操作條件的變化對組件膜污染的影響情況[1,2]。

本實驗使用的是自制的PVDF平板膜組件，選取了溫度、曝氣強度、pH值以及離子強度作為控制變量，膜通量作為考核指標，在兩兩組合實驗后進行了溫度、曝氣強度和離子強度三因素三水平的正交試驗，并最終優化出膜通量最高的操作條件。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

本實驗所選用的裝置為自制的PVDF超濾平板膜組件，整個裝置如圖1所示。

由蠕動泵以150 mL/L的流速將進水水箱中的廢水抽吸到處理水箱中，廢水通過平板膜后由抽吸泵以100 mL/L的速率提升進入到出水水箱。在處理水箱中安裝有加熱棒、溫度計以控制水箱中溫度的變化；安裝有連接了穿孔曝氣頭的空氣泵以提供曝氣所需氣體，并通過氣體流量計加以控制供氣量；平板膜右側安裝有隔板，通過進水流速大于出水流速而出現的溢流來控制處理水箱中水位平衡。

圖1 試驗裝置流程

裝置總長280 mm，寬220 mm，高450 mm，擋板高400 mm。處理水箱有效容積為230 mm×220 mm×400 mm=20.24 L。裝置選用的膜為自制的PVDF超濾膜，用環氧樹脂將膜與支撐板粘合成膜片，總長220 mm，高320 mm，膜有效面積為150 mm×280 mm=0.42 m2。

2.2 試驗方法

為了確認平板膜組件在不同操作條件的主要變化以及后續的條件優化，將操作條件控制在一定范圍內并分步研究。通過加熱棒對廢水加熱，用溫度計控制溫度；通過連接有穿孔曝氣頭的空氣泵進行曝氣，用氣體流量計控制曝氣強度大小；通過滴加0.1 mol/L的HCl溶液與0.1 mol/L的NaOH溶液來控制pH值范圍(海藻酸鈉在5～11的pH條件下較穩定)，通過滴加0.1 mol/L的NaCl溶液來控制離子強度范圍。

每組試驗膜組件以150 mL/min的進水速率以及100 mL/L的出水速率共運行3 h。平板膜使用前需在去離子水中浸泡2 h。處理效果用膜通量J(即單位時間內通過單位膜面積的流體量)來表示，具體可按公式(1)來計算：

(1)

式(1)中，V為出水體積(L)，A為膜有效過濾面積(m2)，T為過濾時間。

2.3 試驗用水

本實驗選用海藻酸鈉(SA)作為廢水中的典型污染物來確定裝置運行時不同操作運行條件的改變會對膜組件處理效果產生何種影響。

準確稱量3.5 g海藻酸鈉溶于3.5 L水中，放置在磁力攪拌器上充分攪拌，配置成1000 mg/L的海藻酸鈉溶液，在使用時將其溶于35 L水中，配置成100 mg/L的海藻酸鈉廢水待用。

3 試驗結果及討論

實驗正常運行3 h時，按正常步驟操作并記錄的數據如表1和表2所示，其中表1是在pH=7，離子強度=0的條件下控制不同的溫度及曝氣量所測得的膜通量數據；表2是在溫度=10 ℃，曝氣量=0 L/min的條件下控制不同的pH值及離子強度所得的膜通量數據。

表1 膜通量與溫度、曝氣量的關系

表2 膜通量與離子強度、pH值的關系

3.1 曝氣量對膜通量的影響

在曝氣強度為0.5 L/min、1.0 L/min、1.5 L/min、2.0 L/min的情況下，記錄的膜通量變化情況如圖2所示。

根據圖2可見，膜通量會隨著曝氣強度的逐漸增大而增大，且其增大趨勢會隨著曝氣強度的升高而升高，并且在10 ℃的較低溫度情況下，曝氣引起的提升幅度變化并不明顯，隨著溫度的升高，曝氣強度的正面影響顯著上升。

分析其原因，是因為在膜過濾過程中，部分小于膜孔徑的小分子污染物質會吸附在膜孔當中，形成不可逆的膜污染；大于膜孔徑的污染物質會被阻擋在膜表面外，不斷吸附累積，逐漸形成濾餅層堵塞住膜孔，形成膜污染。濾餅層在膜表面越積越厚，污染物濃度越來越高，在濃度梯度的作用下，污染物質又會從膜面向主體溶液擴散，形成邊界層，使滲透壓和阻力進一步增加，最終導致了膜通量的降低[3]。

圖2 膜通量隨曝氣強度變化情況

而曝氣的引入及曝氣強度的提高可以有效地提高主體料液中的紊流程度，從而提高了膜表面附近的剪切力，可以有效地削弱濃差極化的影響以及剝離或削弱濾餅層，降低膜污染的影響從而提高膜通量[4]。

3.2 溫度對膜通量的影響

在溫度為10 ℃、14 ℃、18 ℃、22 ℃、26 ℃、30 ℃、34 ℃的情況下，記錄的膜通量變化情況如圖3所示。

圖3 膜通量隨溫度的變化情況

根據圖3可見，膜通量會隨著溫度的增加而呈上升趨勢，且在16～30 ℃范圍內斜率較大，膜通量提升幅度更大，而當溫度繼續增加時，提升幅度逐漸平緩。隨著曝氣強度的提升，溫度帶來的膜通量增加的幅度也有明顯增加。

分析膜通量上升的原因，這可能是由于液體與膜以及液體之間均存在著粘性，影響著料液的流速。當料液的溫度較低時，其粘性較大，導致液體之間、料液與膜面間的摩擦阻力以及層流狀態的阻力增大，降低了液體的流速，因液體流動產生的膜面剪切力變小，削弱濃差極化及膜污染的能力減弱。而隨著溫度的逐漸上升，料液粘性的減弱，提高了流速，使濃差極化及膜污染的發展速度減緩，使得膜通量有了明顯的提高。但是當溫度超過一定范圍后，粘性降低帶來的作用不再明顯，不僅提高了能耗，也有可能影響平板膜的質量，導致膜組件的損壞[5]。

3.3 pH值對膜通量的影響

由于作為廢水中典型污染物的海藻酸鈉在pH值5～11的范圍內比較穩定，本實驗控制的pH值條件為5、6、7、8，記錄的膜通量變化如圖4所示。

圖4 膜通量隨pH值的變化情況

實驗記錄說明，膜通量會隨著pH值的上升成正比例變化。

作為污染物的海藻酸鈉攜帶的羧基官能團是一種典型的弱酸性官能團，當溶液的pH值升高時，羧基的H離子解離度也會隨之增大，導致污染物攜帶的負電荷也越來越大。本實驗自制的PVDF超濾平板膜是一種膜表面攜帶負電荷的疏水膜，因此由靜電理論可知，當污染物的負電荷增加時，膜與污染物之間的靜電斥力會不斷增大，使污染物難以粘附在膜表面上，從而減緩膜污染的發生與發展，提高膜通量[6]。

3.4 離子強度對膜通量的影響

選取離子強度為0 mMol、1 mMol、10 mMol、50 mMol、100 mMol、200 mMol、300 mMol的情況下，記錄的膜通量變化情況如圖5所示。

圖5 膜通量隨離子強度的變化情況

從圖5可以看出，隨著離子強度的不斷增加。膜通量首先會逐漸降低，當離子強度增加到一定范圍后，膜通量會呈現正比例增長的趨勢。

究其原因，可以通過xDLVO理論進行解釋。當離子強度增加時，膜與污染物之間會產生電荷屏蔽現象，使兩者所攜帶的電荷減少，削弱了3.3節中提到的靜電排斥力，相應地使膜污染進展迅速，降低了膜通量。

但是隨著離子強度進一步增加后，膜通量開始回升。這是因為當液體中的離子強度較高時，水中的陽離子會不斷在攜帶負電荷的表面聚集，使正電荷不斷增加，這樣雖然靜電排斥力隨著離子強度的上升而江都，水合排斥力的作用卻不斷增強并掩蓋住了靜電排斥力的影響，最終使膜通量回升[7]。

3.5 正交試驗

根據正交試驗設計，選擇了溫度、離子強度和曝氣強度作為正交試驗的三個影響因素，每個因素設置三個水平，以膜通量作為考量結果，得到了共9組實驗數據如表3所示。

表3 正交試驗結果

通過對實驗結果的方差分析可以看出，溫度對本平板膜組件膜通量的影響最大，曝氣強度的影響次之，離子強度的影響最小。其中當實驗條件的溫度為34 ℃，離子強度為1 mMol，曝氣強度為2.0 L/min，即7號方案時的膜通量最大。

但是通過圖6可以看出，當水平選擇為A3B3C3，即溫度為34 ℃，離子強度為100 mMol，曝氣強度為2.0 L/min時，膜組件會取得理論最大的膜通量。為了驗證結果，取該運行條件作一次驗證性試驗，取得膜通量值為123.1 L/(m2·h)，說明該平板膜組件在溫度為34 ℃，離子強度為100 mMol，曝氣強度為2.0 L/min時運行效果最佳。

之所以有溫度大于曝氣強度大于離子強度的影響主次關系，這可能是由于本實驗在100 mL/min的出水流速情況下，運行壓力始終低于0.01 MPa。發現運行壓力的變化對膜污染的發展有著明顯的作用，在運行壓力較小的情況下，膜通量始終低于臨界通量，膜污染進展緩慢，濃差極化現象產生的膜孔堵塞情況不會對膜通量產生較大影響，此時由于溫度改變所引起的粘度的變化就對膜通量的變化起主導作用，溫度較低時料液流動緩慢導致膜通量較低，溫度升高時料液之間摩擦阻力減小使膜通量有較顯著的提升。

圖6 水平與膜通量關系

4 結論

(1)膜通量隨著溫度的升高而升高，當達到一定范圍后增長趨緩；隨著曝氣強度與pH值的升高而升高；隨著離子強度的升高呈現先降低后升高的趨勢。

(2)根據正交試驗結果表明，在運行壓力較小的情況下，溫度對膜通量的影響最大，其次是曝氣強度的影響，離子強度影響最小。

(3)在本實驗選取的運行條件中，當溫度取34 ℃，離子強度取100 mMol，曝氣強度取2.0 L/min時，測得的膜通量值最大。