探究滤膜的振动过滤方法

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【摘要】借鉴大量国内外关于膜过滤分离先进技术研究成果并结合膜过滤生产实际，发现随过滤时间增加，膜污染加重导致过滤通量减小的问题。为此提出了一种新型的将膜过滤与机械振动相结合的膜振动过滤分离方式，即膜振动过滤，使之达到在保证膜过滤通量的基础上，又能有效防止膜阻塞的目的。从理论上分析证明膜振动过滤可行性，并应用自行设计、制造的具有控制振动振幅和频率的膜振动过滤装置进行过滤实验。通过实验测定膜过滤通量随过滤时间变化情况和过滤液体的透光值，证明了在合理操作条件下膜振动过滤的有效性和可行性。

【关键词】膜 振动过滤 过滤通量

早在2000年前利用天然生物膜分离现象就己出现，但受当时人类认识的局限性，膜技术并没有得到应有的发展。直到近代膜过滤技术有了迅速发展：二十世纪30年代微孔过滤（Micro filtration）；40年代透析（Dialysis）；50年代电渗析（Electro dialysis）；60年代反渗透（Reverse osmosis）；70年代超滤（Ultra filtration）；80年代气体分离（Gas separation）；90年代渗透汽化或称渗透蒸发（peryaporation）。膜分离技术具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和节能等优点，已作为一种单元操作日益受到人们的重视。影响膜过滤技术在工业生产中的大量应用的主要原因是膜的污染。膜的污染使膜的过滤通量下降、使膜发生劣化，导致膜的使用寿命缩短。针对这种情况，可通过膜振动过滤，解决膜通量下降问题。

理论上分析并证明膜振动过滤可行性。对膜振动过滤物理模型可以描述为：用泵将悬浮液注入过滤器中，并通过振动器给整个过滤装置提供可控制频率和振幅的振动。振动过滤是一个连续过滤的过程，输入的悬浮液流与膜面垂直，液体垂直透过膜，可以导致膜污染的颗粒在振动力的作用下在膜面上悬浮，有效地进行膜振动过滤。在压力和振动场的共同作用下，实现悬浮液的过滤及净化。

图1？膜振动过滤物理模型简图

首先提出如下假设：颗粒周围流体的流动分析可局限于层流层内；并且由于悬浮液浓度较小（0.5%以下），过滤原液看做牛顿流体处理。对悬浮液中颗粒的进行受力分析：液体粘性产生的粘性阻力FD、表观质量加速力Fa、渗透流动产生的曳力Fy、过滤流动产生的拽力FY和重力Fg、振动产生的横向剪切力，由横向剪切力产生垂直于膜面向上的升力；若假设颗粒与膜面接触，颗粒的受力还包括水平的摩擦力。对处于膜振动过滤中处于膜表面上的某一临界颗粒（不可被过滤的最小颗粒的粒径）进行受力分析，得此时颗粒纵向力的平衡方程，最终可得表达式（式1）

其中：ρs为固相颗粒密度（kg/m3），uf过滤速率（m/s），μ为溶液的粘度（kg/ m・s），x为（临界）颗粒粒径（m），τw为横向剪切力（N），ρf为溶液的密度（kg/ m3），g为重力加速度（m/s2），Fp为操作压力（N）。

具体实验流程为：用泵将悬浮液注入过滤器中并同时给过滤器中加压；开启振动系统，使装置获得横向振动；让悬浮液在给定条件下进行膜振动过滤，同时对实验数据（滤液质量和过滤时间）进行瞬时自动采集。通过实验测定膜过滤通量随过滤时间变化情况，定量地说明膜振动过滤在过滤通量上的优势；通过测定过滤实验中的滤液透光值，定性地说明膜振动过滤在过滤截留率上的优势。透光值是一个无单位数值；其数值越大，表明液体透光性越好，液体含杂质越少（表1）。

结合理论对实验结果进行分析可知：在膜过滤过程中，在其它操作条件相同的情况下：在过滤起始阶段，无振动膜过滤的膜过滤通量比膜振动过滤的膜过滤通量大且膜过滤通量随时间增加而迅速衰减；随过滤时间增加，膜振动过滤的膜过滤通量会比无振动膜过滤的膜过滤通量大且膜振动过滤的膜过滤通量衰减速度变慢后逐渐平稳，而无振动过滤的膜过滤通量仍旧迅速衰减。对于总的滤液量，膜振动过滤大于无振动膜过滤。

参考文献

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