陶瓷膜过滤食醋的膜污染模型与膜阻力分析

高璟，刘有智，刘引娣

（中北大学 化学工程技术研究中心，超重力化工科学与技术山西省高等学校重点实验室，山西 太原 030051）

膜分离技术可在不影响食醋风味的基础上截留食醋中的菌体和沉淀物，以提高食醋品质［1-4］.但这些污染物以及膜本身会对膜过滤食醋的过程形成不同的膜阻力.应根据不同膜阻力的大小选择适宜的控制技术以减小膜阻力，从而获得较大的膜通量［5-9］.因此，研究膜过滤食醋过程中所形成的不同的膜阻力可在提高食醋品质的同时提高过滤效率.目前，采用膜技术过滤食醋主要集中在过滤工艺的研究［10-13］，而对于过滤过程中膜阻力的分析还未见报道.本研究中心在前期陶瓷膜过滤食醋的工艺研究的基础上［14］，对过滤过程中形成的不同的膜阻力进行了研究，为控制技术的研究提供依据.

1 实 验

1.1 实验材料

食醋，山西益源庆醋厂；

陶瓷膜（管），中北大学化学工程技术研究中心研制［15］.以α-Al2O3为原料，采用粒子烧结法制得.膜管有效长度1 000mm，内径4mm，19通道，膜有效面积0.2m2.

1.2 实验方法

将预处理后的食醋加入贮醋罐中，经离心泵加压后送至膜组件进行错流过滤，渗透液流出收集，截留液返回贮醋罐进行循环过滤.一定的反冲间隔进行反冲膜管操作，以控制和减轻膜污染.当陶瓷膜过滤食醋至膜通量衰减到限定的最小值时（80%），需在低压、高流速下使用化学方法进行污染膜清洗，直至测得管道中纯水的pH 值为7 时清洗完毕.工艺流程图如图1 所示.

图1 陶瓷膜澄清食醋及清洗污染膜的工艺流程图Fig.1 Flowsheet of vinegar clarification by ceramic membrane and membrane cleaning

2 膜污染模型

膜污染的过程较复杂，影响因素也很多.食醋属于热敏性料液，过滤过程中的操作温度一般为室温，过程中热传递作用较小.食醋中含有菌体、颗粒状杂质及微小颗粒粘连物.因此，陶瓷膜过滤食醋过程中的膜污染既有颗粒状杂质的沉淀污染，也有菌体的生物污染和微小颗粒的粘连物的吸附污染.这些污染物会将膜孔完全堵塞形成孔完全堵塞阻力（Rp），或会吸附于膜孔中形成孔半堵塞阻力（Ra），此两种阻力构成膜孔堵塞阻力（Ri）.污染物沉积于膜面上会形成凝胶层，并形成凝胶层阻力（Rg）.过滤过程中不可避免地会发生浓差极化，从而形成浓差极化层阻力（Rc）；而膜本身在过滤食醋的过程中也具有一定的阻力，即新膜阻力（Rm）.从物化角度分析，以上的膜污染过程包括浓差极化、凝胶层形成和膜孔堵塞.因此，本文使用堵塞模型来分析陶瓷膜过滤食醋过程中的阻力分布，如图2 所示.

图2 膜堵塞模型及阻力图示Fig.2 Membrane blocking model and membrane resistances

3 膜阻力分析

根据膜堵塞模型，使用Darcy过滤定律来测定陶瓷膜过滤食醋过程中的各种阻力的大小，以分析膜阻力的分布情况.由Darcy过滤定律可知，膜过滤过程中膜通量的表达式为

式中：J为膜通量；Δp为跨膜压差；μ为料液粘度；Rt为过滤总阻力.所以

在一定操作条件下，用纯水测定初始新膜通量J0，则Ri，Rc，Rg均为0.J0的表达式为

式中：μw为纯水粘度.

所以，新膜本身的阻力Rm为

在相同操作条件下，测定过滤食醋过程中达到稳定的膜通量J1，则J1的表达式为式（2）.所以，总阻力

清洗过滤食醋后的膜装置.同样操作条件下，利用渗透液进行膜过滤，该过程的目的是消除浓差极化，则Rc＝0.测定初始膜通量J2，则J2的表达式为

清洗过滤食醋后的膜管，以去除膜表面所形成的凝胶层.在同样操作条件下，利用渗透液进行膜过滤，则Rc，Rg均为0.测定初始膜通量J3，则J3的表达式为

将式（12）-式（4）得，膜孔内污染所产生的阻力Ri的计算式

将式（9）-式（12）得，凝胶层阻力Rg的计算式为

为保证实验的可靠性，进行了平行实验，膜通量测定结果如表1 所示.取平均膜通量值计算各种膜阻力的大小及其分布，如表2和图3所示.

表1 平行实验膜通量的测定值Tab.1 Membrane fluxes measured under different conditions

表2 各种膜阻力大小及其比例Tab.2 Membrane resistances and the percentages

由表2 和图3 可知，凝胶层阻力Rg占总阻力的比例最大，达51.8%.这表明凝胶层阻力Rg对陶瓷膜过滤食醋过程中的膜通量影响最大，研究控制凝胶层的形成及其消除的技术尤为重要，否则会引起膜通量较快的降低.凝胶层阻力Rg主要来源于食醋中的大分子物质在膜面上达到饱和或过饱和时析出进而沉积在膜面上.因此，过滤过程中应借助防止凝胶层形成的控制技术，如反冲技术，膜管内增设流体阻力件或化学清洗技术，以控制和消除凝胶层.新膜本身的阻力Rm占总阻力的比例最小，达14%.此部分阻力影响到膜污染的快慢及其程度，主要由膜的材料性质及其孔径决定.新膜阻力Rm所占的比例较小，说明所研制的过滤食醋的陶瓷膜适用于过滤食醋.膜孔堵塞阻力Ri占总阻力的17.7%.此部分阻力主要是由于食醋中的细菌或小分子等的粘连物吸附于膜孔内或生物降解并沉积在膜孔内从而堵塞膜孔，或是由于食醋流经膜孔时大分子物质由于空间位阻效应堵塞膜孔.膜孔的堵塞导致过滤膜孔变小或有效过滤孔减少，盲孔增多，从而使得膜通量下降.由此产生的污染可采用反冲和化学清洗的方法消除.浓差极化层阻力Rc占总阻力的16.4%，此部分阻力是可逆的.当食醋浓度较低，或膜面上溶质未达到饱和时，主要形成浓差极化层，可采取改变流动条件的方法来消除.

图3 各部分膜阻力大小分布Fig.3 Membrane resistances and their ratios in total resistance

4 结论

使用膜堵塞模型对陶瓷膜过滤食醋过程中所形成的不同的膜阻力进行了计算和分析.结果表明：凝胶层阻力最大，实际过滤过程中应借助防止凝胶层形成的控制技术.新膜阻力较小，说明所研制的过滤食醋的陶瓷膜适用于过滤食醋.

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