電場(chǎng)強化錯流膜過(guò)濾技術(shù)

電場(chǎng)強化錯流膜過(guò)濾技術(shù)可有效改善膜污染和置、機理、外加電場(chǎng)及影響滲透通量的因素這4個(gè)方面進(jìn)濃差極化對錯流過(guò)濾帶來(lái)的不利影響。就電場(chǎng)膜過(guò)濾裝行綜述。目前研制的新型附加電場(chǎng)中空纖維膜組件克服了傳統膜過(guò)濾組件的缺點(diǎn).顯示出很大的工程應用前景。

錯流膜過(guò)濾技術(shù)被廣泛應用于分離和去除原水中的懸浮微小物質(zhì)。但是，由于膜污染及濃差極化導致膜通量下降，成為該技術(shù)廣泛應用的制約因素。膜污染是一個(gè)物理、化學(xué)、生物過(guò)程相互作用的復雜現象，Yamamura通過(guò)用微濾膜過(guò)濾地表水的試驗后得出膜污染的機理：含鐵化合物、碳水化合物或蛋白質(zhì)等相對較大的顆粒會(huì )覆蓋膜表面或縮小膜孔;而小分子顆粒(如含錳化合物或腐殖酸)會(huì )進(jìn)一步堵塞這些變小后的膜孔，最終導致膜表面形成不可逆的膜污染。而一般進(jìn)水懸浮物質(zhì)和膜都是帶有電荷的，這些電荷之間相互作用使顆粒沉積下來(lái)，也會(huì )產(chǎn)生膜污染。

在處理含有親水基團的大分子物質(zhì)時(shí)，膜表面會(huì )產(chǎn)生凝膠層，不僅造成膜濾速率迅速衰減，而且還會(huì )縮短膜的使用壽命，是導致分離效率降低、限制膜過(guò)濾優(yōu)勢發(fā)揮的內在因素。為了更好地強化錯流過(guò)濾，國內外研究者從各種角度出發(fā)來(lái)克服膜污染和濃差極化給過(guò)濾帶來(lái)的不利影響。主要方法有：邊界層控制、亂流發(fā)生、膜材料改進(jìn)、結合外場(chǎng)(如磁場(chǎng)、電場(chǎng)等。

結合電場(chǎng)的錯流膜過(guò)濾技術(shù)，即電場(chǎng)膜技術(shù).被廣泛應用于反沖洗水脫鹽，皮革廢水、紡織廢水的脫色，水果汁、發(fā)酵(蛋白)液的凈化等領(lǐng)域。1977年Henry用電場(chǎng)錯流微濾高嶺土懸浮液和油污廢水，并建立了一套關(guān)于膜理論的數學(xué)模型：1994年J.Jurado利用激湍旋渦流動(dòng)附加直流電場(chǎng)的方法進(jìn)行血液蛋白回收：1996年Jagannadh和Muralidhare關(guān)于電動(dòng)方法控制膜污染進(jìn)行了綜述;2005年JOKim等發(fā)現將電場(chǎng)用于微濾預處理，可使滲透通量增加、原水中活性細菌減少，并且節省絮凝劑用量：2007年B.Sarkar等進(jìn)行附加電場(chǎng)錯流超濾合成水果汁的試驗，提出一種量化通量和凝膠層厚度的模型。本文將從電場(chǎng)膜過(guò)濾裝置、過(guò)濾機理、外加電場(chǎng)以及滲透通量的影響因素這4個(gè)方面對電場(chǎng)膜技術(shù)展開(kāi)論述。

1電場(chǎng)膜過(guò)濾裝置

1．1板框式過(guò)濾

板框式膜組件如圖1。電極分別加在膜兩側，兩電極之間分為過(guò)濾循環(huán)與漂洗循環(huán)，其中過(guò)濾循環(huán)在膜兩側的進(jìn)料通道和滲流通道中進(jìn)行。由于電極上會(huì )發(fā)生一些電化學(xué)反應。因此可以在兩電極內側分別形成隔室來(lái)防止由此而導致的流態(tài)變化l6]，這些隔室由離子交換膜隔開(kāi)。由于原水中的雜質(zhì)粒子通常帶負電荷，故將陽(yáng)極置于進(jìn)水端，陰極置于出水端。為了避免過(guò)濾時(shí)進(jìn)料通道內離子濃度逐漸增加．將陰離子交換膜置于陽(yáng)極端而陽(yáng)離子交換膜置于陰極端。

 
1．2管式過(guò)濾裝置

管式膜組件如圖2。電場(chǎng)加在外圍電極和中心電極之間，外圍電極通常由不銹鋼制成，作為陰極；中心陽(yáng)極為棒狀電極，根據Bowen等[7]的研究，最好的陽(yáng)極材料為鈦涂層，如鉑涂鈦材料。當膜由導電材料制成時(shí)，可用膜直接作陰極，此時(shí)，膜間阻力會(huì )減小，這樣的系統在維持相同場(chǎng)強的條件下能耗較少。Wakeman等。通過(guò)分析流動(dòng)速率和電場(chǎng)剖面計算出顆粒在板框式膜組件中的運動(dòng)軌跡，比較了平板電場(chǎng)和管式膜中的輻射電場(chǎng)的效率，結果表明輻射電場(chǎng)的效率較高。

 
l-3中空纖維管式膜過(guò)濾

由于上述板框式和管式膜組件一般只能裝填一張膜，過(guò)濾面積難以提高，商冉等設計出一種新型附加電場(chǎng)的中空纖維膜組件(ElectricHollowFiberMembraneModule，E—HFM)，如圖3。在該裝置中，中心陽(yáng)極為惰性鈦合金材料，外圍陰極采用不銹鋼材料制成。中空纖維膜絲用環(huán)氧樹(shù)脂AB膠固定。均勻分布于陽(yáng)極和陰極之間。該裝置具有裝填密度高、有效膜表面積比率高、耐高壓且不需要支撐材料等優(yōu)勢，與上述兩種膜組件相比具有更廣泛的工程應用前景。

2電場(chǎng)膜過(guò)濾機理

電場(chǎng)膜過(guò)濾在理論上可認為是錯流過(guò)濾與附加電場(chǎng)共同作用的結果。外加電場(chǎng)會(huì )引起一些電動(dòng)力學(xué)效應、電化學(xué)效應，其中電動(dòng)力學(xué)效應包括電泳和電滲：電化學(xué)效應表現為氧化與還原反應，并伴隨有焦耳熱和氣泡等。

2．1電動(dòng)力學(xué)效應

2．1．1電泳現象

水中雜質(zhì)顆粒一般是帶負電荷的，施加電場(chǎng)后這些微粒朝背離膜表面的方向發(fā)生電泳遷移，從而避免了在膜上沉積。圖4表示在板框式膜組件中置人電極后，原水中帶電顆粒朝向陽(yáng)極的電泳遷移現象。在該過(guò)程中，溶液主體流產(chǎn)生的流體壓力差使微粒向膜面沉積，形成沉積層；由于沉積層微粒濃度要高于主體流，形成的濃差極化層使得這些微粒又背離膜面進(jìn)行反向擴散。當電場(chǎng)達到一定強度．電泳遷移和反向擴散將與微粒向膜面的沉積運動(dòng)達到平衡，這時(shí)膜表面的沉積層可能消失。因此，電泳遷移現象能防止膜污染。

帶電顆粒在單位電場(chǎng)強度下的電泳速度(cm／s)稱(chēng)為電泳遷移率up(cm2／(V•S))，二者可由MarianSmoluchowskiI公式進(jìn)行計算：
up=P／E=108／叼(1)
式中：——帶電顆粒的Zeta電位，mV；
——溶液介電常數，F／m：
——溶液黏度，Pa•S；
——過(guò)濾裝置中所施加的電場(chǎng)強度．V／emo

從公式(1)可看出，對于某種特定的原水，水中帶電顆粒的Zeta電位和所施加電場(chǎng)是影響顆粒電泳遷移率的關(guān)鍵因素。Zeta電位是表征水中膠體懸浮物質(zhì)帶電性能的重要參數．主要受溶液pH值、離子強度等的影響。對于蛋白酵母懸浮液，其Zeta電位的變化是通過(guò)羧基和氨基的離子化電離給出CO0一或NH+來(lái)實(shí)現的，使得低pH值下的蛋白質(zhì)分子帶正電荷，而高pH值下帶負電荷。離子強度對Zeta電位的影響主要是通過(guò)壓縮顆粒雙電層結構【l2]，天然水體中存在的Ca、M，能在一定程度上改變水中雜質(zhì)顆粒的電負性，使得顆粒Zeta電位升高。當溶液電導率較低時(shí)，隨著(zhù)離子強度的增大．雜質(zhì)顆粒Zeta電位呈下降趨勢。根據一些學(xué)者的研究，溶液中Zeta電位較高的組分(<一30mV)是形成膜污染的主要物質(zhì)，而由公式(1)可知這些物質(zhì)較其他組分具有較高的電泳速度．因此是容易通過(guò)電泳遷移去除的，進(jìn)一步說(shuō)明電泳能起到減緩膜污染的作用。

2．1．2電滲現象

附加電場(chǎng)后膜過(guò)濾通量將會(huì )得到增強，這是由于滲透于濾膜孔隙中的溶液定向透過(guò)膜孑Ll，產(chǎn)生了與原主體滲流同向的電滲流[4-15一l。由于電滲流的作用，膜孑L內的過(guò)濾阻力降低，新的膜過(guò)濾阻力R(ca)減少為：
R=R／[(五：。+)／：
式中：——無(wú)附加電場(chǎng)時(shí)的膜過(guò)濾阻力，cm一；
——無(wú)附加電場(chǎng)時(shí)的膜過(guò)濾通量，mL／(em•s)；
——電滲流所引起的膜通量增加量，mL／(em•s)。
過(guò)濾某時(shí)刻．通量值J(mL／(cm•S))通過(guò)串聯(lián)阻力公式計算：
J=1000△n(R+Rr+)(3)
式中：△P——膜濾過(guò)程中跨膜壓力，kPa；
——沉積層過(guò)濾阻力，cm-1；
——濃差極化層過(guò)濾阻力，cm-1。

由公式(2)，附加電場(chǎng)引起的電滲流使得膜孔內的過(guò)濾阻力減��；當電場(chǎng)達一定強度后，大部分帶負電的雜質(zhì)顆粒通過(guò)電泳遷移脫離膜表面．使得整個(gè)過(guò)濾過(guò)程沉積層阻力和濃差極化層阻力，降低，由公式(3)，在相同跨膜壓力下，由于過(guò)濾總阻力(尺+尺，+)的減小，膜過(guò)濾通量將大幅增加。Chaung等…]認為，當膜表面尚有沉積層和濃差極化層時(shí)，過(guò)濾通量主要通過(guò)電泳得到增強，電滲并不如電泳作用明顯：而當電場(chǎng)強度增大到臨界值(見(jiàn)3．1節)，沉積層和濃差極化層消失時(shí)，過(guò)濾通量則僅由電滲作用得到提高。但根據進(jìn)水水質(zhì)的不同，一些帶正電荷和電中性的顆粒物質(zhì)會(huì )有堵塞膜孔的趨勢，而削弱電滲流的作用。反而使膜過(guò)濾阻力增大，過(guò)濾通量降低。經(jīng)一些學(xué)者的研究，與電泳速度。的影響因素一致，電滲流引起的膜通量增加量主要受顆粒Zeta電位和電場(chǎng)強度的影響。

2．2電化學(xué)效應

電化學(xué)反應是在電極上發(fā)生電子轉移的化學(xué)過(guò)程，反應類(lèi)型取決于進(jìn)水物質(zhì)和進(jìn)水條件�；瘜W(xué)反應方程式為：
陰極還原反應：
2H20+2e一H2+20H
Mc+ne一Mc
陽(yáng)極氧化反應：
2H2O_02+4H++4e
Ma一+Ma+ne

Mc、Ma分別表示陰極和陽(yáng)極材料。根據一些學(xué)者的研究『l4]，溶液密度大、導電率高時(shí)電極上氧化與還原反應程度高，而為了保證電場(chǎng)膜過(guò)濾的有效運行，原水的電導率范圍僅限于0．10～10mS／cm。由于高電導率下電泳作用將受到抑制，因此電化學(xué)和電泳是不可兼得的兩個(gè)作用。電化學(xué)反應一般伴隨著(zhù)焦耳熱的產(chǎn)生，認為焦耳熱使得待濾液的溫度升高，粘度將會(huì )隨之降低。電極上水的電解產(chǎn)生O和H，在一定程度上能加快膜過(guò)濾速度并微略提高沉積層上濾餅的殘留水分，也可能擾亂膠體懸浮液的流態(tài)，導致顆粒在短時(shí)間內凝結。在氣體產(chǎn)生的同時(shí)，由于水電解產(chǎn)生H或OH一，使得溶液pH值發(fā)生一定改變，可能對雜質(zhì)顆粒的Zeta電位進(jìn)行微略改性，從而影響其電泳速度。

3外加電場(chǎng)

3．1臨界場(chǎng)強

臨界場(chǎng)強是指所有顆粒移向膜一側的凈速率為零時(shí)的電場(chǎng)強度[6_。當電場(chǎng)強度小于臨界值時(shí)，顆粒電泳遷移與反向擴散速度之和小于流體壓力差引起的遷移速度．膜面不斷有顆粒沉積；當電場(chǎng)強度大到一定值，電泳遷移與反向擴散速度之和等于流體壓力差引起的遷移速度，顆粒懸浮于主體液中，膜面沒(méi)有顆粒沉積，此時(shí)的電場(chǎng)強度為臨界場(chǎng)強。臨界場(chǎng)強是一種非常理想的狀態(tài)，它可以減緩膜污染程度。延長(cháng)膜的使用壽命。
臨界場(chǎng)強由下式計算]：=L6cal／(4)

式中：——在給定跨膜壓力下，濃差極化層和沉積層消失時(shí)的通量值，mL／(cmz•S)。在電場(chǎng)膜過(guò)濾中，所施加電場(chǎng)強度大于臨界場(chǎng)強時(shí)，膜污染程度能得到減輕．但膜過(guò)濾通量能否得到提高，還取決于原水水質(zhì)特性。通過(guò)試驗發(fā)現：在過(guò)濾初始階段，所施加電場(chǎng)強度小于臨界值時(shí)，滲透通量隨著(zhù)場(chǎng)強增大而呈曲線(xiàn)上升。這可能是原水中顆粒開(kāi)始凝結或顆粒與膜面之間的靜電力所致。而GCCYang等l21]發(fā)現．當場(chǎng)強超過(guò)臨界值時(shí)，由于膜面沒(méi)有濾餅作為保護層．中性小分子微粒在膜孔內聚集．導致膜孑L堵塞，膜阻力增大，滲透通量逐漸下降。

3．2間斷脈沖電場(chǎng)

由于外加連續電場(chǎng)需要較高能耗，電極反應程度高，對處理具有較高電導率和較高熱敏度的原水有很大局限性。有研究者提出使用間斷脈沖電場(chǎng)，它是在濾室內加電場(chǎng)一定時(shí)間后，停止加電一段時(shí)間，而后再加電場(chǎng)n由于形成沉積層需要一定時(shí)間，因此可以改變不同加電、停電的時(shí)間間隔，來(lái)改變膜濾速率，控制膜污染現象的發(fā)生。

用0．18m的聚偏氟乙烯膜，在流體壓差為0．12MPa，主體流量為36L／h，電場(chǎng)強度為60V／cm的條件下，對質(zhì)量分數為0．015％的SiO懸浮液，分別采用10s／10s(即加電10S，停電10S)、3min／3min、6min／6min、10min／10min的間斷加電方式進(jìn)行膜濾試驗，得出各試驗在第50min的過(guò)濾速率值(此時(shí)速率已達初始穩定)及各工況下的平均電功率值。研究發(fā)現：在臨界場(chǎng)強以上施加間斷電場(chǎng)時(shí)，其過(guò)濾濾速介于該恒定場(chǎng)強的穩定過(guò)濾速率及不加電場(chǎng)的穩定過(guò)濾速率之間，且加電頻率越高，穩定膜濾速率越高，獲得單位體積濾液電功率的比耗越低。B．Sarkar等[18]通過(guò)試驗研究質(zhì)量濃度為3kg／m，果膠和糖度為120Brix蔗糖的混合物，當跨膜壓力為360kPa，錯流速率為0．12m／s，連續場(chǎng)強為1000V／m時(shí)，滲透通量由6．5L／(m•h)升高到25．2L／(m•h)，系統所需電耗為0．83kW•h／m；而達到同樣通量，脈沖電場(chǎng)(電場(chǎng)啟閉時(shí)間比為3：

1)所需能耗為0．65kW•h／m，。連續電場(chǎng)下的電極反應使陰極生成過(guò)量OH一和H，OH一隨滲流帶出，導致出水pH值升高，而膜附近釋放出氣體會(huì )降低滲透通量。試驗中，當連續恒定場(chǎng)強為500V／m，滲流出水pH值由3．97升高到4．6，而相同場(chǎng)強啟閉時(shí)間比為3：l的脈沖電場(chǎng)，出水pH值僅升高到4．4，故相比連續場(chǎng)強模式能削弱pH值升高對溶液產(chǎn)生的不利影響。

4滲透通量的影響因素

影響電場(chǎng)下膜過(guò)濾通量的4個(gè)主要方面為：進(jìn)水懸浮物的性質(zhì)(如粒徑、Zeta電位、濃度等)；電壓(電場(chǎng)強度)；跨膜壓力；錯流速率。

4．1進(jìn)水懸浮物的性質(zhì)

HMHuotari等[zU認為當顆粒粒徑很小(<30nm)時(shí)．由于布朗運動(dòng)．這些顆粒將會(huì )以較小的速率向膜表面遷移，膜污染程度較輕．通量衰減幅度減慢；當顆粒粒徑在0．1一lNLm時(shí)．隨著(zhù)錯流速率增加，顆粒以紊流擴散的形式向膜表面遷移．此時(shí)通量反而會(huì )降低。

顆粒Zeta電位要受到溶液pH值、離子濃度等影響。Cornelissen等_l6在過(guò)濾油狀乳液的過(guò)程中進(jìn)行對比試驗，第一組油滴Zeta電位小于一5mV，在15kV／m的電場(chǎng)下．通量只能從35L／(m•h)增至70L／(m•h)，另一組油滴Zeta電位較高：一67mV，僅在2．4kV／m的場(chǎng)強下通量即由75L／(m2•h)升高到350L／(m•h)在恒定場(chǎng)強下，滲透通量與進(jìn)料濃度呈反比。這是由于較高的濃度使得濃差極化現象明顯導致滲透壓力增大，因此降低了滲透通量。

4．2電壓(電場(chǎng)強度)

WengYH等用氯化鈉作為電解質(zhì)來(lái)研究電場(chǎng)對于過(guò)濾通量的影響，氯化鈉溶液的電導率為100I．zS／cm，以無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)溶液的過(guò)濾通量為標準，試驗結果顯示：過(guò)濾通量增加量(即滲透通量)隨電壓的增大而增大。在25、50、75和100V的電壓下，通量增加率分別為4％、7％、l1％、18％，基本與所施加電壓大小呈線(xiàn)性增長(cháng)的趨勢當施加場(chǎng)強接近臨界值時(shí)，膜過(guò)濾氯化鈉溶液的通量接近于無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)過(guò)濾去離子水時(shí)的通量。

4．3跨膜壓力

當電場(chǎng)膜過(guò)濾的跨膜壓力低于使通量達到極限值的壓力時(shí)，過(guò)濾通量隨著(zhù)跨膜壓力的增大而增加。但在較高跨膜壓下過(guò)濾，膜面的沉積層生成較快，這樣，通量會(huì )很快達到極限值(極限通量)。GCCYang等[21通過(guò)試驗，作出電場(chǎng)強度為ll0V／CB(臨界場(chǎng)強)，錯流速率為l7．36cm／s時(shí)，跨膜壓力分別為68．9、137．8、275．6kPa時(shí)所對應的通量變化曲線(xiàn)，發(fā)現：壓力為275．6kPa時(shí)有最大的初始通量1．9mL／(cm•min)，但10min之后很快衰減至0．9mL／(cm•min)，20min后其對應的通量為三者中最小。故得出結論：即使在臨界場(chǎng)強下進(jìn)行過(guò)濾，高跨膜壓也不能提高過(guò)濾速率，由于膜面并沒(méi)有濾餅形成，此時(shí)濾速降低可能是因為一些小分子微粒堵塞了膜孔。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

4．4錯流速率

滲透通量與錯流速率呈正比，這是由于較高的錯流速率產(chǎn)生強制對流。顆粒反向擴散運動(dòng)加劇，導致膜面顆粒濃度較低．膜污染得到減緩，從而通量得到提高。工程中錯流速率一般取為0．1m／s，以此降低能耗。

5結語(yǔ)

(1)電場(chǎng)膜過(guò)濾裝置一般分板框式和管式，新型的附加電場(chǎng)中空纖維膜組件(E—HFM)克服了傳統膜過(guò)濾組件過(guò)濾面積小、效率低下等缺點(diǎn)，顯示出很大的工程應用前景。

(2)電場(chǎng)膜過(guò)濾在理論上可認為是錯流過(guò)濾與附加電場(chǎng)共同作用的結果。外加電場(chǎng)會(huì )引起電泳和電滲等電動(dòng)力學(xué)效應以及電化學(xué)效應。其中電泳是防止顆粒在膜面沉積．進(jìn)而減緩膜污染和提高膜通量的一個(gè)主要因素。

(3)外加直流電場(chǎng)分連續電場(chǎng)和脈沖電場(chǎng)。過(guò)濾過(guò)程中．持續的直流電場(chǎng)會(huì )有更高的滲流穩定速率，但采用加電、停電的脈沖模式，停電時(shí)沉積層還沒(méi)來(lái)得及在膜面形成．使得脈沖電場(chǎng)下濾速衰減得慢，且能節省單位體積濾液的電功率比耗。因此，脈沖電場(chǎng)作為一種節省電耗的模式正日益得到推廣。

(4)電場(chǎng)膜過(guò)濾中通量的變化主要取決于4個(gè)方面：進(jìn)水懸浮物的性質(zhì)、電場(chǎng)強度、跨膜壓力和錯流速率。當顆粒具有較高Zeta電位、外加場(chǎng)強及跨膜壓力接近l臨界值、錯流速率較高時(shí)，過(guò)濾達到穩定時(shí)的通量會(huì )得到提高。

(5)電場(chǎng)膜技術(shù)不僅能有效防止膜污染，延長(cháng)膜的使用壽命；還能極大地降低膜阻力。增加膜通量，顯示出誘人的應用前景。在今后的應用過(guò)程中以下幾個(gè)問(wèn)題尚需進(jìn)一步地深入研究：①裝置設計問(wèn)題。裝置設計影響到電流在整個(gè)裝置中的分布，進(jìn)而影響過(guò)濾過(guò)程中的能耗，合理的設計同時(shí)還能防止電極腐蝕，使電極上生成氣泡和一些干擾物質(zhì)的現象得到消除，是具有開(kāi)發(fā)潛力的一項研究；②電極反應問(wèn)題。陽(yáng)極氧化是否可以用來(lái)進(jìn)一步去除原水中的有機污染物，以及電極反應對于膜過(guò)濾中流態(tài)的影響亟待全面和深入的研究。