旋转错流式膜组件浓缩微藻过程中金属离子对膜通量的影响

2016-06-13车晨曦耿安朝钱士超上海海事大学上海201306

山东工业技术 2016年12期

关键词：微藻

车晨曦,耿安朝,钱士超（上海海事大学,上海 201306）

车晨曦,耿安朝,钱士超
（上海海事大学,上海 201306）

摘要：旋转错流是一种新型的错流过滤方式，相比于传统的错流方式，具有操作简便、体积小、能耗低的特点。微藻浓缩是生物柴油生产过程中的一个重要步骤，通过旋转错流式膜组件对微藻进行浓缩具有良好的工业化前景。本文通过实验，研究了添加金属离子对膜通量的影响。

关键词：错流过滤；微藻；浓缩；金属离子；膜通量

传统错流过滤方式是通过驱动力推动原液，使原液和膜片之间形成切向力，利用原液冲刷膜片表面堆积的泥饼层，延长膜片寿命，提高过滤效率。但这种方式能耗高，设备复杂，在工业化应用中成本较高。旋转错流式过滤改变了驱动力的作用对象，膜组件在液下通过程控旋转实现主动式错流过滤，消除浓差极化，提高膜通量，并充分利用旋转产生冲刷剪切力和滤液湍流，防止滤层产生通过电机驱动膜片转动，从而在不影响过滤效率的同时降低了能耗，设备体积大大缩小。本实验通过该设备，研究金属离子浓度对膜通量的影响。

1 实验装置与方法

1.1 微藻的培养

本实验选取的藻种是螺旋藻钝顶835，所采用的培养基是Zarrouk培养基［2］，培养环境设定为30℃恒温，微藻浓度通过北京普析通用仪器有限责任公司生产的T6新世纪型紫外可见分光光度计，在560nm波长下进行测定。

1.2 实验装置

实验装置如图所示，实验通过搅拌器模拟错流过程，膜片孔径为0.4 μm，压力探头采用Omega公司生产的PX302-015GV型压力传感器，测压区间为0-15 PSIG，抽吸泵压力为0-1 MPa。

1.3 试验方法

实验所用藻液是经过预先浓缩的藻液，培养的微藻原液浓度为0.392—0.433 g/L，使用前需浓缩为2.20 g/L和4.00 g/L，并添加不同浓度的金属盐。每次实验前用蒸馏水测定膜的纯水通量，实验初始压力为0.3 MPa，每隔半小时提高0.1 MPa，试验后用蒸馏水对膜片进行冲洗，再次用蒸馏水测定其水通量，以判断其不可逆污染程度。搅拌器转速为110 rap/min。实验过程中随时向装置中补充同批次配置的微藻培养液，以保持原液体积恒定。

2 结果与讨论

本实验分别研究了添加不同浓度的Na离子和Ca离子对膜通量的影响。

图1是不同浓度Na离子条件下，膜通量随压力的变化情况。从图中可以看到，当压力较小时，添加Na离子会导致膜通量下降，当压力大于0.05MPa时，20mg/L的 Na离子会使膜通量略微下降，下降幅度为3%-13%，但当添加10mg/L和30mg/L的Na离子时，膜通量与不添加Na离子的对照组相比几乎不变。说明20mg/L的Na离子加剧了膜污染。

图2是不同浓度Ca离子条件下，膜通量随压力的变化情况。从图中可以看到高浓度的Ca离子始终使膜通量增加，增长幅度为3.5%-6.2%；在10mg/L浓度下，压力越高，膜通量的增长越快，增幅从1%逐步增长至2.5%；20mg/L浓度下，对膜通量的促进作用则只在较高压力下发生。

3 膜污染的阻力构成

膜污染的阻力由膜片自身阻力（Rm）、不可逆阻力（Rf）以及过滤过程中形成的泥饼层阻力（Rp）三部分组成。在纯水实验阶段，只存在Rm，而在用藻液进行实验时，随着过滤过程进行，不可滤过的物质在膜片表面堆积形成泥饼层，并且有一部分物质进入膜片内部，造成膜孔堵塞，因此，在这一阶段，三种阻力都存在；在膜片进行冲洗后，泥饼层消失，而部分进入膜片内部的物质无法通过冲洗释放出来，形成永久的不可逆阻力。研究中通常采用以下方法计算三种阻力。

式中，Jv为膜通量（ml3/cm2·min）；δP为膜两侧压力差（MPa）；μ为液体粘度，实验中水的粘度取值0.8937。

造成膜污染的阻力是泥饼层阻力与不可逆阻力，其中，泥饼层的形成对连续过滤时间具有重要影响，因此可以计算出泥饼层阻力在阻力中的占比，从而确定在不同条件下过滤的可持续性。

图4是不同浓度Na离子情况下泥饼层阻力的占比，从图中可以看出，通过添加Na离子，泥饼层阻力所占比大幅减小，而实验又表明Na离子对膜通量的影响有限，表明在添加Na离子后，虽然减缓了泥饼层了形成，但是同时造成了更多的不可逆阻力。这可能是Na离子与微藻分泌的物质发生了结合，造成微藻分泌物粘性下降，从而减缓了分泌物和膜之间的粘附。

图5是不同浓度Ca离子情况下泥饼层阻力的占比，从图中可以看出，在低压条件下，通过添加Ca离子，泥饼层阻力大大降低，而在高压条件下，泥饼层阻力则又大幅上升，实验表明Ca离子对膜通量有促进作用，这表明在高压条件下尽管形成泥饼层的速率较快，但是不可逆阻力降低了，这种阻力可以通过冲洗消除，因此有利于延长膜片寿命。这种现象可能是由于Ca离子直径较大，因此不易进入膜孔形成不可逆阻力，但是同时由于Ca离子重量较大，因此更容易与微藻分泌物结合沉淀，形成泥饼层。