膜过滤系统的震动膜过滤微滤性能研究

汪冬梅，李 平

（吉林省环境科学研究院，吉林 长春130012）

1 引言

近年来，膜分离技术已经广泛的应用在高分离、浓缩、提纯及净化等方面，但是膜在使用过程中产生的浓差极化和膜污染现象却制约了其在工业上的应用。传统的方法是通过提高经过膜表面流体错流的速度，来减轻浓差极化和膜污染，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。振动膜过滤系统（Vibratory Shear Enhanced Proeessing，简称 VSEP）作为一种动态过滤系统，可以通过装置的扭转振动而在膜表面上产生高剪切力，使聚集在膜表面的固体颗粒和污染物从膜的表面升起，或使颗粒和污染物从附着的膜孔道中分离而与主流混合，并且使料液中的大分子物质难以在膜表面形成凝胶层，减少膜表面的浓差极化和吸附物的累积，从而降低膜堵塞和污染的可能性，提高过滤效果与传统的错流过滤相比，VSEP能够取得更好的过滤分离效果，并且具有抗堵塞能力强、能量利用率高、占地面积少、应用范围广和运行费用低等优点，所以深入研究VSEP具有十分重要的意义。

1992年由Arinando等人首次提出了通过扭转振动，提高剪切力从而减轻浓差极化和膜污染的方法，此即VSEP的过滤原理，此后，美国NewLogic公司和Pall公司根据此原理分别制造出振动膜过滤系统的专利产品，并已经将其应用于多种废水处理工艺，取得了较好的过滤效果。

目前国内外学者对VSEP的研究，仅限于通过购买专利产品来进行膜过滤分离方面的实验研究，缺少对装置的理论计算和分析，并且所用的膜都是和产品配套的平板膜，鲜有人对其他形式的膜进行研究。

1.1 装置的过滤分离部分

将原来的过滤膜盘改为过滤膜管，以考察管式膜与VSEP装置振动部分结合后的分离性能，并且通过Ca-CO3悬浮液的微滤实验来研究操作参数对过滤通量、污垢阻力和跨膜压力的影响，同时利用软件计算得到了膜管环隙间的速度和剪切速率的分布情况，运用因次分析和正交实验的方法，得到了CaCO3悬浮液微滤时的稳态过滤通量数学模型。

1.2 装置的振动传递部分

将装置传动板加厚并增加平衡质量块，以使装置能在更高的振动频率下稳定运行，并且通过酵母悬浮液的微滤实验，考察了装置改进前后的微滤性能，以及稳态过滤通量和剪切速率的关系，同时得到了酵母悬浮液微滤时的稳态过滤通量数学模型。

2 实验装置及实验方法

2.1 实验装置及改进

VSEP系统是通过装置的扭转振动在膜上产生高的剪切速率来强化过滤效果，现有的VSEP装置示意图，如图1所示。

装置扭转振动的产生是通过电机带动传动轴下端的偏心块来实现的，可以通过改变电机的转速和偏心块的大小来调节装置的振动频率和振幅、传动板是装置的振动传递部分，它将偏心块产生的扭转振动直接传递给与其相连的支撑轴，进而传递给装置的过滤分离部分，实验室现有装置的传动板厚仅为5mm，当振动频率升高到大于11Hz后，由于传动板刚度不够，导致整个装置尤其是支撑轴和过滤膜盘产生明显的晃动，装置无法正常工作，从而限制了对有关参数的研究范围，本文提出将传动板加厚为30mm，并且在传动板上固定了一块平衡质量块，装置改进后，振动频率可以提高到22Hz，且稳定性良好。

2.2 实验流程

在同一振动装置上，只需将支撑轴上的膜管和膜盘互换，即可进行不同膜组件的振动过滤性能研究。

进料液通过磁力循环泵，以一定的进料流量从循环进料储液罐中，经由转子流量计和压力表打入过滤膜盘或膜管中，对于过滤膜盘，渗透液经过滤膜由上膜盘的渗透液出口流出，渗余液由下膜盘的渗余液出口流出。对于过滤膜管，渗透液由管式滤膜的上部的渗透液出口流出。渗余液由膜管侧面的渗余液出口流出”实验过程中渗透液和渗余液都返回进料储液罐中，以保证循环进料且进料液浓度不变，为了确保有足够体积的料液进行实验，进料储液罐中配制的进料液为50L，同时要在实验过程中对储液罐中的料液不停的进行人工搅拌，以防止悬浮液中的颗粒沉降，保证进料液浓度均匀。

实验过程中膜盘和膜管都采用下端进料的方式，这种进料方式可以在很大程度上消除悬浮液中颗粒本身重力的影响，实验过程中，由于料液的主体流动方向为由下至上，这就使得已经有向下沉降趋势的颗粒又被重新带回到主流中，进而由渗余液出口排出膜盘或膜管，可见，这种进料方式可以防止颗粒在膜面上的沉积，从而降低浓差极化和膜污染现象，提高过滤效果。

3 实验过程

启动变频器，使电机运转，装置开始扭转振动，当振动频率和振幅达到稳定后开泵，调节料液进口管路上的阀门，使流量达到设定值，当过滤膜盘或膜管，以及管路中的气体全部排净后开始记录数据，且记录数据的时间间隔为3min，用量筒测量渗透液的体积，同时用秒表记录时间，记录进出口压力表的示数，测量收集的渗透液的浊度，每组实验当过滤通量稳定后停止，停泵，关闭变频器，停机后PE管式膜要立即用清水进行反冲洗，PP膜要立即取出，每组实验完成后都要用清水冲洗膜管和膜盘，以及进出口的管路，以避免残留的杂质颗粒影响实验的准确度。

4 试验条件的优化结果

试验采用管式膜材料为多孔聚乙烯 （PE），这种多孔聚乙烯管是一种刚性较好的多孔体，适合作为过滤介质，当它的使用温度不太高时，拉、压力的作用都不会使其形状发生改变，并且当管的外表面有滤饼形成后，只需进行适当的反冲洗即可使滤饼脱落，使管式膜的使用效果恢复如初。经过处理后，聚合物截留效率在85.5%左右。

5 综合分析

企业污染治理不但要考虑污水处理效果，并考虑处理成本及行业的健康发展，达到“环境效益、社会效益及经济效益”三统一。膜分离技术处理腈纶废水聚合物截留实际生产中具有截留效率高、生产成本较低，并可操作强，具有实际使用价值。

［1］经 光 .振动膜过滤系统的微滤性能研究［D］.大连：大连理工大学，2010.

［2］王陆珠 .某染料废水处理改造初探［J］.安徽化工，2006（6）.