（化工过程机械专业论文）旋转横流膜微滤压力场及流动数值模拟研究.pdf

丫5 3 0 1 .1 4 四川大学博士学位论文 旋转横流膜微滤压力场及流动数值模拟研究， 化工过程机械专业 研究生黄维菊指导教师陈文梅 摘要 为减小和消除膜微滤过程中的浓差极化和膜污染，在国家自 然科学基金 资助项目( 2 9 9 7 6 0 2 5 )“ 离心力场对微滤膜过滤强化的机理研究”的支持下， 本文利用计算机控制的在线膜器环隙压力测试系统，实测了管式旋转横流和 轴向 横流微滤膜器环隙压力场，对旋转横流强化膜微滤机理进行了研究，并 对旋转横流管式微滤膜器环隙三维湍流场进行了数值模拟计算。 3 . 首次较为深入与系统地对旋转横流管式微滤膜器环隙的压力场 ( 包括 时均力场和瞬时力场) 进行了实测研究，弄清了旋转横流膜器环隙内的时均 压力和脉动压力的分布和变化规律， 及其对膜微滤过程的影响，弄清了膜器 入口 操作压力、膜器环隙大小以及过滤悬浮液浓度对膜微滤过程的影响。 旋转横流微滤膜器环隙压力径向 分布，无论是时均压力还是脉动压力， 总趋势是在膜器环隙壁面处最大，呈不对称的马鞍形，中间压力有起伏， 其 波动大小随操作工况不同而异。从上向下，随着距悬浮液入口 距离的增加， 径向压力梯度逐渐减小。脉动压力在膜面和其附近最大，膜器壁面和其附近 次之，其值处于同一数量级别，当入口压力为 5 0 k p a时，平均幅度在 0 . 3 . 0 . 4 k p a 范围内， 环隙中间 脉动值 最小。 压力 脉动沿径向 变化的 趋势与 膜 器环隙中时均压力沿径向分布变化趋势相同。引 起环隙压力径向 上梯度变化 的原因主要是悬浮液切向进口产生的离心惯性力和环隙内的湍流流动。它们 国 家自 然 科学基金资 助项目( 2 9 9 7 6 0 2 5 ) 摘要 的共同作用，使在膜面上和膜面附近压力脉动剧烈，压力减小的径向梯度和 速度变化的径向梯度均很大， 压力能与动能强烈交换。 旋转横流强化膜微滤， 正是通过离心力与湍流扩散的共同作用，使悬浮液中的颗粒克服渗透流对它 们的曳力，导致膜面和膜面附近剧烈的脉动和扰动，而使欲沉积到膜面的固 相颗粒由于该反向曳力和湍流脉动，而不沉积到膜面，又反向回到主流体， 重新掺合和混掺，浓差极化和膜污染被阻碍， 从而强化膜过程。 环隙压力轴向分布，从上向 下，压力随距悬浮液入口 距离增加而增大， 主要受重力的影响。沿轴向在膜面、膜面附近和膜器壁面附近的压力起伏较 大，主要是因为离心力使膜面上和膜面附近存在旋涡流动，速度的变化带来 了压力的起伏。膜器壁面附近的轴向压力起伏，则主要是因为旋转液流与器 壁 碰撞 及 摩 擦的 结 果。 z . 探明了旋转横流较轴向横流过滤时能耗低，有效能量利用率高，渗透 通量大的原因，为其推广和应用的合理性提供了依据。 创新性地从膜器能量损失系数和膜器有效能量利用等方面，分析研究了 旋转横流与轴向 横流两种形式膜微滤的能耗。旋转横流膜微滤因为环隙内 有 离心力存在，使其在同样的操作条件下环隙内的压力较轴向横流过滤时大而 且径向存在压力差和速度差，结果其渗透通量总是比轴向横流过滤时大，因 而其能耗系数较轴向横流过滤时低，有效能量利用率较轴向横流过滤时高。 3 . 首次通过旋转横流与轴向 横流微滤膜器环隙粒子受力与压力场特性的 对比研究，探明了旋转横流强化膜微滤机理，弄清了两种过滤方式下，膜器 环隙内的时均压力和脉动压力的分布和变化规律的不同，以及对膜微滤过程 的影响。受力主要不同点在于旋转横流时悬浮液切向进入而产生了离心力， 导致在时均力场中，虽然操作条件相同， 但旋转横流时在环隙径向将形成较 大的压力差和速度差， 使其过滤渗透通量总比轴向 横流过滤时大， 一般大1 . 5 倍以上。 环隙内脉动压力较轴向 横流过滤时约大4 0 %6 0 % 。 旋转横流的脉动压 力基本与其时均压力分布规律相似，呈不对称的马鞍形;而轴向横流过滤， 其脉动压力的分布是随机而无序的。旋转横流与轴向横流过滤时脉动压力的 差值，主要分布在膜面和膜面附近区域以及壁面，大小占旋转横流总脉动压 力值的5 0 % 左右。这部分脉动压力的差值，也主要是受离心力的影响而产生， 因而，它们将转化为形成类泰勒涡的能力，使固体颗粒不能沉积于膜面，从 四) 3 i 大学博士学位论文 而防止了浓差极化和膜污染，强化了膜微滤。 4首次探明， 对一定结构的旋转横流微滤膜器， ( 1 ) 存在最佳入口压力， 在最佳入口压力值时，渗透通量值最大，超过此值后，尽管环隙内压力继续 增加，但其对应的渗透通量却增加很少或者甚至减小。( 2 )存在最佳旋转强 度。离心力强化膜微滤有一定的范围。过强的离心力强度不但会将固体颗粒 抛离膜面，也会使液体透过滤膜受阻，使其渗透通量增加很少，甚至有所降 低。根据最佳入口 压力值， 得出了表征最佳旋转强度极限值的旋转强度特征 数 人的大小，同时也得到了 表征最佳旋转强度范围的旋流强化因子 。的大 小。由 此得到膜器设计的重要依据。 ( 3 ) 在低浓度范围内，悬浮液浓度有最 佳值。当 悬浮液浓度超过最佳值后，随着浓度增大， 环隙内压力增大，渗透 通 量减小， 较大的 浓 度改 变了 混合 液的 粘性 系数， 大量 粒 子的 存 在， 流 体 介 质的运动也受到影响， 这时颗粒的运动反过来促使二相流的湍动减弱。 5 ， 创新性地提出了 旋转横流强化型微滤膜器的工程设计原则。给出了膜 管直径d 和膜器壁内径d . 膜器长度z 及入日 压力的选取确定方法， 对旋转横 流强化膜微滤方法的工程应用，具有指导借鉴作用。 6对旋转横流管式微滤膜器环隙三维湍流场进行了 数值模拟计算，模拟 计算结果与实测结果吻合较好，得到了 环隙压力、速度、湍动能等流场主要 参数，从而首次探明了 旋转横流管式微滤膜器环隙的流场全貌。通过对计算 成果的分析和讨论， 从另一个角度对旋转横流强化机理进行了 较为全面的研 究，证实旋转横流膜微滤，确实是一种有潜力的强化膜微滤方法，对膜微滤 强化机理研究具有重要意义。 关键词:膜微 滤， 膜 污 染， 旋 转 横流， 强 化， 环隙 压 力， 渗 透 通 量， 数值模拟， r n g k 一 模型， 摘要 r e s e a r c h o n p r e s s u r e f i e l d a n d t u r b u l e n c e nu me r i c a l s i mr r i 0i n n o f t u b u l a r mi c ro - f i lt r a t i o n me m b r a n e s e p a r a t o r s w i t h r o t a r y ab s t r a c t t h e a i m o f t h e r e s e a r c h is t o r e d u c e t h e p o la r iz a ti o n a n d m e m b r a n e f o u lin g d u r in g th e m ic r o - fi l t ra t i o n p r o c e s s , a n d th is r e s e a rc h w a s f u n d e d 勿a n s f c p r o j e c t n a m e d r e s e a r c h o n m i c r o- fi h r a t io n f n h a n c a m e rt m e c h a n is m o f c e n tr if u g a l f o r c e f ie l d ( 2 9 9 7 6 0 2 5 ) . p r e s s u r e fi e ld o , r o t a ry c ro s s - fl o w a n d a x ia l f l o w i n a n n u la r g a p o f t u b u l a r m e m b r a ne s e p a r a t o r s w a s te s te d勿a o n li n e p re s s u r e t e s t in g s y s te m c o n tro ll e d 勿 c o m p u t e r. t h e 而c m -f i lt r a tio n e n h a n c e m e n t m e c h a n i s m o f ro ta ry c ro s s - fl o w w as d is c u s 喊 a n d t h e t h r e e -d im e n s io n a l tu r b u le n c e fi e ld i n a n n u l a r g a p o f t h e ro t a r y c r o s s - fl o w t u b u la r m e m b r a n e s e p a ra t o rs w a s n u m e ri c a l s im u la t e d a ls o . t h e m a in c o n tr i b u t io n o f t h i s p a p e r i s a s f o l lo w s . 1 . t h e p r e s s u r e fi e ld in a n n u la r g a p o f t h e s e p a r a t o r w a s s y s te m a t ic a lly s tu d ie d a t t h e f ir s t t i m e w ith a n o n l i n e p r e s s u re te s t in g s y s te m . t h e d i s tr i b u t io n c h a r a c t e r is t ic s o f t im e -a v e r a g e a n d p u ls e p re s s u re i n t h e a n n u la r g a p ; a n d th e ir e ff e c t s t o m i c ro - f il t ra t io n , a lt o g e t h e r w ith f a c t o r s s u c h a s i n le t o p e r a t i n g p r e s s u r e , s iz e o f th e a n n u la r g a p , a n d c o n c e n t r a tio n w e e u n c o v e re d in t h i s p a p e r . t h e r a d ia l p re s s u r e ( re g a r d le s s o f t r n v e r a g e o r p u l s e p r e s s u r e ) r e a c h e s 治n iam m o n t h e s u r f a c e o f t h e a n n u la r g a p , it s d is tr i b u ti o n c u r v e lo o k s l ik e a n a s y m m e t ri c s ad d le , w ith fl u c t u a t io n i n i t s m id d l e pa ct . t h e r a d ia l p re s s u r e g r a d ie n t d e c r e a s e s w it h d is ta n c e b e tw e e n t e s ti n g p o i n t a n d t h e i n l e t p o s it io n ( th e o r d e r is f ro m t a p t o b o t to m ) . t h e p u ls e p r e s s u re r e a c h e s i ts m a x in u r n o n o r n e a r t h e m e m b ra n e s u r fa c e , a n d it s v a lu e o n o r n e a r th e s u r f a c e o f t h e s e p a r a t o r is a li t t le lo w e r t h a n it s m a x im u m . t h e p u ls e p r e s s u re o b ta i n s it s m i nim u m in 阮 m id d l e o f t h e a n n u l a r g a p if t h e i n l e t p r e s s ur e i s w a w it h a p e r tu r b a t i o n o f 0 .3 -0 .4 k p a . t h e d is tr ib u t io n c h a r a c te r i sti c s o f p u ls e p r e s s u r e a nd t im e -a v e r a g e p r e s s u r e a re阮 s a m e . c e n tri f u g a l m e ni a l f o r c e ( p ro d u c e d 衍t h e s u s p e n s io n s t a n g e n ti a l i n le t ) a n d t u r b u le n c e fl o w a r e r e s p o n s i b le fo r t h e r a d ia l p r e s s u r e g r a di e n t v a ri a t io n in a n n u la r g a p . t h e y a l s o c a u se t h e v io l e n t p re s s u re p e ri u r b a fi o n , t h u s b o t h th e r a d ia l d e c re a s in g p re s s u r e g r a d ie n t a n d 奴v e l o c it y t v 魏川大学博士学位论文 v a r i a t io n h a v e re la t iv e l y l a r g e v a lu e s , a n d th e p r e s s u re e n e rg y e x c h a n g e w ith k iwt hc e n e r g y s e v e r e l y . t h e c e n t r if u g a l f o rc e a n d t u r b u le n c e d i ff u s i o n m a k e t h e p a r t ic l e s o v e r c o m e t h e tra c tio n o f t h e p e r m e a t in g fl o w , a n d s e v e re ly p e r tu r b a t io n fl o w a p p e a r s i n a r e a n e a r 此 s u r f a c e o f t h e m e m b r a n e . t h e re f o r e , p a r ti c le s s in k in g to m e m b r a n e s u r f a c e w i ll r e tu r n t o th e m a in fl o w d u e t o 触c e rn i 助 刹f o r c e a n d 碑 m 曲 a t i m fl o w . s in c e 奴s us p e ns io n b le n d s u f f i c ie n t 执 p o l a r iz a t io n a n d m e m b r a n e f o u l i n g a re re d u c e d a n d t h e m ic r o- fi lt r a t i o n i s e n h a n c e d 御 奴 in $ u e n e o f g r a v i ty , 翻 a x i a l p r e s s u r e in 奴 a n n u l a r g a p i n c re a s e s w it h d is ta n c e b e t w e e n t h e t e s tin g p o in t a n d t h e in l e t . t h e a x ia l p r e s s u r e fl u c tu a te s g re a t ly o n o r n e a r th e m e m b r a n e s u r f a c e a n d 加mss w a ll, th i s is d 攫 1d 奴勿 山 n le n c e fl o w a n d 触v a ri a t io n o f v e l o c it y . t h e m a i n r e a s o n o f th e p r e s s u r e fl u c t u a t io n is t h e in te ra c ti o n b e t w e e n ro t a ry fl o w 即d s e p a r at o r s w a ll 2 . c o m p a r in g w ith t h e a x i a l c r o s s - fl o w , 触 ro t a r y c r o s s - fl o w h a s a l o w e r e n e r g y c o n s u m i n g , h ig h e r v a l id e n e r g y u ti l i z a ti o n , a n d m o re p e rm e a ti n g fl u x . a n a ly s i s a n d d is c u s s i o n b a s e d o n t h e s e f a c t s p r o v id e t h e th e o r e t ic b a s i s t o 治e n g in e e r i n g a p p li c a t io n . s t a r 吨 i r a n th e e n e r g y lo s s c o e ff rc ie r d a n d v a l id e n e r g y u t i l iz a ti o n , th e a u t h o r i n v e s t ig a t e d t h e p r o b l e m o f e n e g y c o n s u m i n g i n ro t a r y c ro s s - fl o w a n d a x ia l c r o s s - fl o w s e p a r a t in g . d u e t o th e c e n t r i助列f o r c e , 加p r e s s ur e in t h e a n n u l a r g a p o f ro t a ry c ro s s - fl o w is h i 沙 ie r t h a n t h a t o f a x ia l c re s s - fl o w运s a m e o p e r a t in g c o n d it i o n , a n d 街 e re e x is ts r a d ia l p re s s u r e 透 氏 r e n c e a n d v e lo c it y d iff e re n c e . t h e r e f o r e , ro t a r y c ro s s - fl o w s e p a n rlo r 腼 a h i g h e r p e r m e a t i n g fl a x , l o w e r e n e rg y c o n s u m in g , a n d h ig h e r e n e r g y u ti l i z a tio n t h a n a x ia l c r o s s f lo w 3 . t h e m ic r o -fi l tr a tio n e n h a n c e m e n t m e c h a n i s ts w a s u n c o v e r e d b y t h e c o m p a r in g in v e s f g 如 o n 优p ro b lem s u c h a s f a c e s e x e r t e d a rm p a r t ic le s a n d h fi e ld c h a r a c t e ri s t ic s o f ro t a ry c r o s s - fl o w a n d a x ia l c r o m - fl o w t h e d i s tri b u ti o n c h a r a c t e r i s ti c s o f t h e ti m e a v e r a g e p re s s u re a r i l p u ls e p r e s s u r e , a n d t h e ir e ff e c t s t o m i c ro - f il tr a t i on w e r e d is c u s s e d . t h e c e n t ri 细 到f o r c e in ro t a r y m o s s - fl o w re s u lts in h i g h e r p r e s s ur e d iff e r e n c e a n d p e r m e a t in g fl u x ( a t l e a s t 1 .5 t i m e s h i咖r t h a n a x i a l c r os s - fl o w ) . t h e p u l s e p re s s u r e i s a b o u t 4 4 - wl o h ig h e r t h a n th a t in a x ia l c ro s s - fl o w t h e d is t ri b u ti o n c u rv e o f p u ls e p re s s u re is s im i la r a s th a t o f t im e - a v e r a g e p r e s s u r e , a n d i t lo o k s li k e a s y m m e tri c s a d d le . h o w e v e r , t h e p u ls e p r e s s u re o f a x i a l c r o s s - fl o w d i s tr ib u te s i n d wr d e r t h e p re s s u re d iff e re n c e o f r o t a r y c r o s s - f l o w a n d a x ia l c r o s s - fl o w li e s o n o r n e a r th e m e m b r a n e s u r f a c e a n d s e p a r a t o r s w a ll , w it h a a m p li t u d e a b o u t 5 r / o a s 阮t o ta l p u ls e p r e s s u m t h e p r e s s u r e d iff e re n c e p r o d u c e d 勿c e n t r if u g a l f o r c e m a y r e s u lt in v o r t ic e s r e s e m b li n g i n t a y l o r v o r ti c e s . t h e v o r tic e s p re v e n t t h e p o l a ri z a ti o n a n d 摘要 m e m b r a n e f o u li n g , t h u s t h e s e p a r a t in g p e r f o r m a n c e is i m p ro v e d . 4 . t h r e e o p ti m a l v a lu e s c a n b e d e d u ce d fo r a c e r ta in s e p a r a to r. ( 1 ) t h e o p t im a l w e t p re s s u re . t h e p e r me a t in g fl u x r e a c h e s 治m a x im u m a t t h i s v a lu e . l l i g h e r p r e s s u re re s u lt s in l itt l e fl u x i n c re m e n t o r l e s s fl u x . ( 2 ) t h e o p t im a l ro t a ry i n t e n s it y . s t r o n g e r c e n tr i f u g a l f o r c e m a k e s t h e p a r ti c l e s k e e p f a r a w a y fr o m t h e m e m b r a n e s u r f a c e , w it h lit tl e fl u x in c re m e n t o r le s s fl u x . a c c o r d i n g t o t h e o p ti m a l p r e s s u r e v a l u e , t h e ro t a r y c h a r a c t e r ist ic s n u m b e r ( n o t e d 勿 入 w h i c h e x p r e s s e s 此 o p t in 过ro t a ry i n t e n si t y 1 蒯o a n d 此ro t a r y w h a n c e m e n t f a c t o r ( n o t e d b y 几w h ic h d e s c r ib e t h e o p t im a l ro ta r y i n te n s it y r a n g e ) w e r e d e d u c e d . t h e t a ro f a c t o r s a re i m p o r ta n t i n s e p a r a t o r d e s i g n in g . ( 3 ) t h e r e e x is ts a n o p t im a l c o n c e n t r a t io n o f th e s u s p e n s io n . i f t h e c o n c e n tr a t io n s u rp a s s e s d ue o p t im a l v a lu e , t h e p r e s s ur e in c r e a s e s w it h l o w p e r m e a ti n g fl u x . t h e c o h e re n t c o e ff i c ie n t is c h a n g e d 妙h ig h c o n c e n tr a ti o n t o o m a n y p a r t ic le s in s u s p e n s io n i n fl u e n ce t h e fl o w o f 触 fl u id m e d iu m , a n d t h e t u r b u l e n ce fl o w i s w e a k e n e d b y t h e m o t io n o f t h e p a r t ic l e s . 5 . a c r e a ti v e e n g in e e r i n g d e s i g n p r in t 润 e a b o u t th e ro ta ry c ro s s - fl o w s e p a r a t o r s w a s p ro p o s e d . 助 e th o d s o f d e te r m in in g t h e - p a r a m e te rs s u c h a s d ( d ia m e t e r o f t h e t u b u la r m e m b r a n e ) , d ( d i a m e t e r o f t h e s e p a r a t o r s o u t e r c y l in d e r ) , z ( le n g th o f t h e s e p a r a t o r ) , a n d in l e t p re s s u re w a s g i v e n o u t . t h i s i s h e lp f u l to th e e n g in e e r in g a p p li c a ti o n o f ro t a ry c ro s s - fl o w 辉服山9 6 . a n l l m- i c a l s i mi ll a f - 址 ”过 t h e t h re e - d i me n s i o n a l t u r b u l e n c e fl o w fi e l d o f t h e s e p a r a t o r w a s c a r r i曰。 试a n d 肠 司c 川 面 昭m 刘 招 w e re c o 加 d d en t 俪 th阮e x p 俪e n t a l t e s ti n g d a t a . s o m e 吻 p a r a m e t e rs s u c h a s p re s s u r e in t h e a n n u l a r g a p , v e l o c it y o f th e fl o w , t ur b u le nc e k in e t ic e n e r g y wer e s u c c e s s f u l 妙 o b ta in e d , th e re f o re th e w h o le c h a r a c te r i s ti c s o f t h e s e p a r a to r s fl o w fi e ld w a s u n c o v e re d a t t h e fi r s t ti m e . t h e a n a ly s is a n d d is c u s s io n a b o u t t h e c a lc u la ti n g r e s u lt s a c c o m p l i s h e d a目 o b a l re s e a r c h o n t h e m ic r o -fi ltr a t io n e n h a n c e m ei rt m e c h a n i s m o f ro t a ry c ro s s - fl o w s e p a ra to r s . i t i s a s e p a r a t i n g t e c h n iq u e w it h h ig h p e r f o rm a n c e a n d e 伍 c i e n c y . k e y w o r d s : m e m b r a n e m ic r o - fi ltr a t io n , m e m b r a n e f o u li n g , ro t a ry c ro s s - fl o w , e n h a n c e m e n t , a n n u l a r g a p p re s s u r e , p e r m e a t in g fl u x , n u m e r i c a l s im u la t i o n , r n g k e t u r b u le n t m o d e l 四川大学工学博士学位论文 1绪言 1 . 1概述 1 . 1 . 1膜分离技术的发展应用 膜分离是一项新兴的高效分离技术， 在解决人类面临的能源、资源、环境 等重大问题中承担重要角色。因多数膜分离过程其物质不发生相变化， 分离系 数较大，且在室温条件下操作，所以其研究与应用倍受人们重视。在国际膜会 议上曾把 “ 在 2 1 世纪的多数工业中膜过程所扮演的战略角色”列为专题， 进 行研讨，认为膜分离是2 0 世纪末到2 1 世纪中期最有发展前途的高技术之一， 将对社会的经济发展产生巨大的影响。 膜分离现象早在2 0 0 年前就已 经发现。 二十世纪上半叶出现了制造滤膜的 企业， 但膜分离技术的大发展和工业应用是在二十世纪 6 0年代以 后。其发展 大 致为 : 二 + 世 纪3 0 年 代 微 孔过 滤( m i c r o fi l tr a t i o n ) ; 4 0 年代 透 析( d io l y s i s ) ; 5 0 年 代电 渗 析 ( e le c t r o d i a ly s is ) ; 6 0 年 代反 渗 透 ( r e v e r s e o s m o s is ) ; 7 0 年 代 超滤 ( u l t r a f s l t r a t i o n ) ; 8 0 年代气体分离 ( g a s s e p a r a t i o n ) ; 9 0 年代渗透汽化或 称 渗 透蒸 发 ( p e r v a p o r a t io n ) o 膜分离技术发展很快， 并得以快速推广应用， 在分离产品市场中占有份额 逐年增大。 膜分离己 获得产业应用的主要是微滤( m f ) ， 超滤( u p， 纳滤( n f ) , 反渗透 ( r o ) , 离子交换膜电渗析 ( e d ) ， 透析 ( d ) ， 气体分离 ( g f ) 及渗透 汽化膜 ( p v ) 。目 前， 世界膜制品年销售额己 超过 1 0 0亿美元，年增长率为 1 4 - 3 0 %川 。 据有关文献估计， 1 9 9 7 年世界分离 膜制品市场已达到4 0 亿美元以 上， 其中，美国约为1 1 亿美元，欧洲9 .7 亿美元，日 本超过 1 0 亿美元。据推 测在2 1 世纪，世界膜市场将以年增长率大于1 5 %的速度发展。 我国膜工业的发展相对较弱， 但发展迅速。 我国 1 9 9 5年膜企业的总产值 ( 含膜、膜组件、处理装置和膜工程) 仅3 亿元人民币。1 9 9 7 年我国膜企业的 总产值估计达到人民币6 .7 亿元。 近年来，随着国民经济的发展， 特别是国家 在环境治理方面投入的增大， 我国膜分离产业获得了 较大发展， 但同 西方国家 相比， 市场仍偏小， 远不能适应国民 经济整体发展的需要，同时膜分离市场结 构的调 整也已 成为当 务之急 (2 ) 1 . 1 . 2膜微滤技术的应用及关键问题 膜微滤是膜分离技术的重要组成部分，占整个膜过程工业应用的近 4 0 l 绪言 3 1 。在化工、轻工、医药、食品、 环境治理和中成药与中草药制备中， 存在大 量的高难度、需高效分离的问题， 膜微滤是解决这些难题的有效方法之一。以 美国为例，1 9 9 7年 mf , u f , d , r o分别占市场总额的3 4 %, 1 7 %, 1 7 % 及 6 .3 %;欧洲相应膜制品的市场占 有率则为3 1 . 8 %, 9 . 8 %, 4 0 .6 % 及7 . 3 % ;日 本 则分别为3 2 %, 5 . 7 %, 3 9 .6 % 和6 . 6 %。 可见， 膜微滤 ( mf )占据着主导地位. 据预测，随着各种行业， 特别是制药工业中的各项标准更为严格后， 微滤将会 有一 个 更 大的 发 展 4 1 膜微滤是一种高精密度过滤技术， 它的 孔径范围一般为0 . 0 51 0 u m ， 介于 常规过 程和超滤之间 5 0 1 9 2 5 年， 德国s a r to r i u s g m b h公司， 首先生 产经营 c n微孔滤膜，用于微生物污染检测。二次大战后，美国对 mf技术进行了广 泛的 研究， 并于1 9 5 4 年成立了目 前 著名的m i l l i p o r e 公 司。 随后， 英国 、 日 本、 苏 联 等 国 家 都 形 成 了 自 己 的 微 滤 工 业 。 从 而 使 微 滤 技 术 得 到 了 迅 速 的 发 展 ， 应 用范围从实验室的微生物检测急剧发展到制药、医疗、 航空航天、生物工程、 微电子、环境检测、 饮料和饮用水深度处理等广阔的领域， 全世界m f 膜的销 量，一直居于领先地位。 我国微滤膜的研究始于2 0 世纪7 0 年代初， 从混纤维片发展到聚矾、 尼龙、 聚偏氟乙烯等膜片。 增强型m f 膜的连续生产，为折叠式标准滤芯的制造创造 了条件.而标准折叠式滤芯的问世，使我国mf 技术在大制水量工程中的应用 成为现实。折叠式微孔滤芯可根据制水量的大小， 任意并联，装于不锈钢过滤 器中，以满足不同制水量的要求。在工业纯水、超滤水的终端过滤、矿泉水、 纯净水的除菌过滤、大输液用水的过滤和家用净水器等领域得到了广泛的应 用，己初步形成我国自己的微滤产业。已形成约 7 0 0 0万元的年产值，占我国 膜 工业 年产 值的1 / 5 ， 经济、 社 会效 益 也 非 常 显 著 6 1 . 与国 外 水平 相比 ， 常 规 微 滤膜的性能和国外同类产品的性能基本一致， 折叠式滤芯在许多场合替代了进 口 产品， 但在横流微滤膜和组器技术及其在工程中的应用等方面， 仍落后于国 外， 这就抑制了 微滤 技术 在较高 浊 度水质 深度处 理中 的 应 用 7 1 。目 前， 微孔膜 己在饮料、食品、电子、石油化工、医药、分析检测和环保等领域获得广泛应 用，取得了很好的经济、社会和环境效益。 膜微滤过程中最主要的问题之一是膜污染和浓差极化。 膜污染是指所处理 物料中的粒子在膜表面和膜孔内吸附或沉积， 膜孔收缩， 颗粒侵入等: 而浓差 -一- 一一卫 4 1 st 大 学 干 学 博 士 学 位 论 文 极化则是由于膜的选择透过性造成的 膜面浓度高于处理液主体浓度的现象。 膜 污染和浓差极化虽然概念不同， 但二者密切相关， 常常同时发生。 在许多场合， 正是浓差极化导致了膜污染。 膜的污染不仅使膜的渗透通量下降， 而且使膜发 生劣化，导致膜的使用寿命缩短。 膜微滤技术是膜分离技术中 研究较早， 应用也较早。 但由 于膜污染和浓差 极化等问题的存在，导致渗透通量随运行时间的延长而下降。 操作过程中大量 的能耗被用于原 料液的再循环以 控制膜污染和浓差极化， 严重阻 碍了 微滤技术 的更大规模的工业应用，因而膜滤过程的强化技术需要更深入的研究。 1 . 2横流膜微滤强化技术研究现状 针 对 膜 微 滤 中 存 在 的 问 题 ， 为 减 少 乃 至 消 除 浓 差 极 化 和 膜 污 染 ， 国 内 外 许 多 专家学者潜心研究， 千方百 计寻求解决的措施和方法，已实 验和创新了 多种 形式的微滤强化措施。 提出了 在膜面与流道设置激湍物、 脉动进料、 膜旋转、 反 冲洗、 超声波振动、 外 加电 场和旋转横流强化等微滤强化的方法措施。国内 外有关膜微滤强化研究的近况如下。 1 . 2 . 1原料液预处理 预处理是指在原料液过滤前向 其中加入一种或几种物质， 使原料液的 性质 或溶质的特性发生变化， 进行预絮凝、预过滤、或改 变溶液的p h值等方法， . 以脱除一些与 膜相互作用的物质， 从而提高过滤通量。 恰当的预处理有助于降 低膜污染，提高 渗透通量和膜的截留 性能。 在日常废水处理中， 往往先在料液中 加入 氢氧化钙、 明矾或高分子电 解质 以改变悬浮颗粒的特性来影响渗透通量， 其原理是产生蓬松的无粘聚性的絮状 物来显著降低膜的污染; 在油水分离中， 原料液中加入絮凝剂进行预处理不仅 可以提高膜通量，而且可以 提高膜的截留 效果， 可以 用微滤代替常规的超滤 8 _ 1 0 1 : 在高 粘度溶液过滤过程中， 可加入 适当 的 试剂使溶液的 粘度下降， 提高 剪 切 速 度， 从 而 提高 膜 过 滤 性能 1 1 1 c h a n g d o n g - f a n g 等 ” 2 1 在 微 滤 去 除 液 体 溶 液中 的 金 属 离 子 时， 采 用 在 过 滤 前 增添 絮凝 预处 理 再 进 行 微滤。 k w o n d .y .等 13 1在 微 滤中 ， 使 用 絮 凝 . 微 滤组 合 系统去除有机和无机物， 用绵状沉淀物预处理过滤，可增加3 - 4 0 %的无机物 去除 量。 a l- m a l a c k m u h a m m a d h .等 1 4 1 在