（安全技术及工程专业论文）旋转管式膜器处理含油废水的研究.pdf

壅! ! 查整堡主兰丝望塞 兰里翌里垒! 卫 s t u d y o nt r e a t m e n to f o i l yw a s t e w a t e ru s i n g t h e r o t a r y t u b u l a rm e m b r a n e s e p a r a t o r a b s t r a c t i ti sd i f 矗c u l tt ot r e a to i le m u l s i o nw a s t e w a t e rb yc o n v e n t i o n a lm e t h o d s ， a n dd i f f e r e n t p r o b l e m s s t i l lr e m a i n m e m b r a n e s e p a r a t i o nt e c h n i q u e h a s a d v a n t a g e so fh i g hs e p a r a t i o np r e c i s i o n ，n os e c o n d a r yp o l l u t i o na n d n op h a s e t r a n s f o ri nt h et r e a t m e n to fo i le m u l s i o nw a s t e w a t e r ，h o w e v e r ，m e m b r a n e b l o c ka n dc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o ni nt h ep r o c e s s e sh a v el i m i t e di t sw i d e a p p l i c a t i o n i ti sav a l u a b l ea n dc h a l l e n g i n g t a s kt oe l i m i n a t em e m b r a n eb l o c k a n dc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n m e m b r a n eb l o c ka n dc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o na r ce f f e c t i v e l yr e s t r i c t e d i nt h er o t a r yt u b u l a rm e m b r a n es e p a r a t o rb e c a u s et h e r ee x i s t st h es y n t h e t i c a l e f f e c to fr o t a r ys h e a r i n gf l o w , s e c o n d a r yv o r t e xa n dc e n t r i f u g a lf o r c ef i e l d ， w h i c hs o l v e dt h ed i f f i c u l tp r o b l e mt h a th a sb l o c k e du pt h ed e v e l o p m e n to f m e m b r a n et e c h n i q u ef o ral o n gt i m e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nt h et r e a t m e n to fo i l yw a s t e w a t e rb yr o t a r yt u b u l a rm e m b r a n e s e p a r a t o r ，t h e r e s t r i c t i o no ft h em e m b r a n eb l o c ka n dc o n c e n t r a t i o n p o l a r i z a t i o na n di t sm e c h a n i s mb y t h er o t a r ys h e a r i n gf l o w ，s e c o n d a r yv o r t e x a n dc e n t r i f u g a lf i e l dw e r es t u d i e d t h es i n g l ef a c t o rc o n d i t i o ne x p e r i m e n t so fr o t a r yt u b u l a rm e m b r a n e s e p a r a t o rw e r ec a r r i e do u tu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tn o 0d i e s e lo i le m u l s i o n w a s t e w a t e rm a d ei nt h e l a b o r a t o r y w a sc h o s e na sw a t e r s a m p l e i t i s d e t e r m i n e dt h es u i t a b l em e m b r a n eb o r e d i a m e t e r ，s t e a d yf i l t r a t i o nt i m ea n do i l c o n c e n t r a t i o ni nt h e i n f l u e n t ，a n di t i s i n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to fi n f i u e n t t e m p e r a t u r e ，i n n e rt u b er o t a r yv e l o c i t y ，a x i a lf l o wa n df i l t r a t i o np r e s s u r ed r o p 0 1 1t h ef i l t r a t i o nv e l o c i t ya n do i lc o n c e n t r a t i o ni n t h ee f f l u e n t t h ef l i t r a t i o n m e c h a n i s mi nt h er o t a r yt u b u l a rm e m b r a n e s e p a r a t o ri sd i s c u s s e d t h e c o m p a r i n ge x p e r i m e n t so f i n n e rt u b ea n do u t e rt u b ew e r ec o n d u c t e d u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n dt h ee m p h a s i sw a sl a i do nt h ee n h a n c e de f k c t o f r o t a r yc e n t r i f u g a lf o r c ef i e l do nt h es e p a r a t i o no fo i lp h a s ea n dw a t e r p h a s e n 查! ! 盔塑主兰堡堡苎 塑! ! 曼苎蔓! f i n a l l y ，b a s e d o nt h er e s u l t so f s i n g l e f a c t o rc o n d i t i o n e x p e r i m e n t s ，t h e a l t e r n a t i n ge x p e r i m e n t o f m a n u f a c t u r i n g o i le m u l s i o nw a s t e w a t e r a f t e r p r e t r e a t m e n tw a sc o n d u c t e du s i n gr o t a r yt u b u l a rm e m b r a n e s e p a r a t o r b yd a t a a n a l y s i si t i sd e t e r m i n e dt h ei m p o r t a n c el e v e lo f a x i a lf l o w , r o t a r yv e l o c i t y ， p r e s s u r ed r o pa n dt h e i ri n t e r a c t i o n ，a n dt h eo p t i m a le x p e r i m e n tc o n d i t i o 丑sa r e a l s o0 b t a i n e d k e y w o r d s ：m e m b r a n ef i l t r a t i o n ，r o t a r yf l o wf i e l d ，c e n t r i f u g a lf o r c e o i l e m u l s i o n 1 1 1 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的， 论文取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其 他人已经发表或者撰写过的研究成果，也不包括本文为获得 其它学位而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所 做的贡献均已在论文做了明确的说明并表示感谢。 本人签名： 日期： 荔、互扛 ：o 3 1 6 查! ! 查兰堡圭堂竺丝苎一j 篓= j ! ! ! 丝 第一章绪论 i i 含油废水的形成、来源以及性质 1 i i 油水乳液的形成 含油废水的含油量通常是1 1 0 ，其中所含油的种类、性质以及废水 的性质、酸碱度、表面活性剂含量等各异，废水中其他杂质的种类和含量 也不尽相同，所以油在水中存在的状态是多种多样的。一般而畜油滴在水 中呈四种状态：浮油、分散油、乳化油和溶解油【1 2 j j 。 浮油是以连续相的形式漂浮于水面，形成油膜或油层，通常含油废水 中的油约有8 0 9 0 以上呈大颗粒的悬浮状态，油的粒径一般大于 l o o p m ；分散油以微小油滴形式悬浮于水中，不稳定，经一定时间静置后 可能形成浮油，油滴粒径通常为1 0 1 0 0 p m ；溶解油是以化学方式溶解于水 中的，粒径小于乳化油，一般小于几微米，但由于油在水中的溶解度很小 ( 5 - 1 5 m g l l ) ，所以在水中的比例很小；乳化油是由于水中有表面活性剂的作 用使油滴乳化成稳定的乳化液，油滴粒径微小，一般小于l o m ，表面形 成一层界膜，一般都荷电，难以相互粘结，或由于外界因素造成的剧烈搅 拌使油滴受到强大的剪切作用，油滴被剪碎、细化而均匀分散于水中，形 成所谓“强制乳化”体系，约占总含油量的1 0 1 5 口，4 l 。 油和水都是很特殊的物质，水有很强的极性。油从分子式上看是单纯 的碳氢化合物，是非极性疏水的物质，油和水的主要性质比较如下： 表1 1 油，水主要性质对比1 5 l t a b l e l 1c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec h a r a c t e r so f o i la n dw a t e r 项目由水油 袭面张力。( x 1 0 2 n m 1 ) 7 3 l2 3 3 - 3 7 9 密度( g c m 。3 ) 1 0 0 00 6 5 0 0 9 2 0 粘度( 1 0 3 p a s ) 1 0 0 5 1 7 2 0 0 注：( 2 0 c ) ：与空气接触；润滑油。 在化学性质与物理性质上两者均无牢固结合的可能，但是由于种种原 因，油水混合液常和表面活性剂等化学物质混合，从而改变了两相之间的 物化性质，成为难以处理的、被乳化了甚至溶解的油。典型的乳化油不仅 油滴小，而且表面性质复杂、荷电。根据所加表面活性剂的性质，又分为 水包油( o w ) 型和油包水( w o ) 型乳化液体，它们有不同的表面化学 性质。乳化液是由矿物油、水和乳化剂混合形成的。油包水( w o ) 型乳 化液体系的形态是水以小液滴的形式分散于油中，水相是内相或分散相， 油是外相或分散介质；而水包油( o w ) 型乳化液体与之相反。表面活性 剂分子都是由极性的亲水基和非极性的憎水基两部分组成，亲水基使分子 引入水；而僧水基使分子离开水，即引入油，所以表面活性剂的亲水和亲 油性的强弱，对于是生成水包油乳化液还是生成油包水乳化液有着直接的 影响。但是影响因素很多，实践还表明，甚至乳化过程中的器壁也影响它 们形成不同类型的乳化液。加入多种表面活性剂形成复合界面的乳化液体 系最稳定【6 1 。机械加工，冷轧生产常以乳化液做润滑剂和冷却剂，而生成 的乳化液废水是含油废水的一种，乳化程度、稳定程度较高。 1 1 2 乳化油废水的来源以及性质 1 1 2 1 乳化油废水的来源 在机械加工工业的金属切削、拉丝、压延等过程中，需要使用大量 含油乳化液( 又称为乳化油) ，用于润滑、防锈、冷却和清洗，也有用于 液压传动作为传递介质。由于乳化油中含有大量的不饱和油脂、皂类、乳 化剂和添加剂等有机物，在长期使用中被大气中的氧氧化。另外，由于金 属切削过程中产生的热量使乳化油温度升高，加上金属的催化作用，使乳 化油中部分物质发生氧化或者分解；大量的切屑、磨屑以及机油的侵入， 剑一定程度也会使含乳化油变质。但主要原因还是在使用过程中，缺少光 照，温度在2 5 4 0 c ，需氧菌大量繁殖形成缺氧，在厌氧作用下，使乳化 油发霉、发臭而腐败变质。特别是夏季腐败变质最为严重，一般以动、植 物油脂为原料的乳化只能使用1 2 个星期，用矿物油为原料的乳化油也只 能使用1 2 个月( ”。 当乳化油使用一段时间后，出现分层现象，即为败坏的特征，乳化油 败坏严重时颜色由乳白色变成奶油色，再变成蓝灰色或者兰褐色，并有硫 化氢臭气产生，同时，其p h 值不断下降，这时乳化油已完全败坏。 2 查! ! 查兰塑主兰垡堡苎j 邑兰巳! 丝 乳化油经一段时间使用后，变质而成为含油废水，或管理不善，使乳 化油滴漏以及冲洗设备和地坪而形成乳化油废水。含油废水和乳化油废水 不经处理而排放，会严重污染环境。 根据生产的使用情况，机械加工含油废水大致可以分为两种8 ，9 ，1 0 1 ： ( 1 ) 乳化油废水：从金属切削、拉丝、压延等加工过程中排出的废 乳化液，一般含乳化油浓度在2 1 0 2 _ f 司，各种添加剂和金属切削等残渣 较多：另一种为液压传递介质和内燃机润滑系统排出的废乳化油，一般含 乳化油在o 5 1 0 之间，添加剂较少，基本无渣质a ( 2 ) 含油废水：在零件清洗和防锈淋洗过程中，清洗下来的油污在表 面活性剂的作用下形成乳化油废水，含油浓度一般在o 5 以下，但碱度较 高，并含有较多的泥沙等杂质。 另外，乳化油在使用过程中，由于管理不著引起滴漏也形成乳化油废 水。 1 1 2 2 乳化油废水的性质 乳化油废水是指含有乳化油( 液) 及类似有表面活性剂与油品所形成 的呈乳化状、大部分油珠成分散相的废水。乳化油废水产生于钢铁、机械 加工等生产过程中，排放水量不大，但c o d 。，浓度很高，可达 1 1 0 0 0 3 7 0 0 0 r a g l 。废水中含有大量表面活性剂、防腐剂和消泡剂等有机物， 水溶性切削油、压延油等成份使油以微米量级大小的粒子存在于水中，难 以分离。乳化油粒度直径分布在0 2 1 0 “m 范围内，大部分是2 - 5 “m 。水 质呈碱性，p h 在9 - 1 l 的范围内，外观呈乳白色限见j 。沈阳市黎明发动机 机械制造厂产生的乳化油废水性状列于下表： 表1 2 乳化油废水性质 t a b l e l 2t h ec h a r a c t e r so fe m u l s i f i e do i l - w a s t e w a t e r 名称外观 p h 值c o d c r ( m g 1 )油分( m g 1 ) 切削冷却废水乳白色9 0 1 0 5 1 10 0 0 2 0 0 0 0 3 2 0 0 - 6 0 0 0 清洗废水乳白色9 0 1 0 5 12 0 0 0 - 3 7 0 0 0 4 4 0 0 7 5 5 0 1 2 含油废水的处理方法 不同行业乃至同行业的不同的操作单元对水质的要求都不尽相同，根 据含油废水的来源不同以及油水体系的性质差异，通常将油水分离技术分 3 壅! ! 奎茎堡主兰垡丝苎 一一墨二皇! 丝 为：化学法、物化法、生化法以及物理法1 2 ，3 ，9 ，1 l 】。 化学法 化学法一般是利用向油水体系中投加某些化学药品，然后辅以其他的 分离方式将油水两相分离开的分离方法。加入的化学药剂可使废水中的乳 化油滴脱稳、破乳，自行聚集成较大的油滴，从而改善油水分离的后续处 理效果。通常还分为凝聚法、酸化法、盐析法和混合法。 凝聚法是利用凝聚剂( 如硫酸铝) 和絮凝剂( 如聚丙烯酰胺) 絮凝作用， 吸附油珠，将水中分散的细小油滴聚集成大油滴或者所谓的“油团”，再 利用浮选法或沉降法将油份分离除去。为了加强凝聚效果，往往两种凝聚 剂同时使用。酸化法是将含油废水的p h 值调节至3 - 4 ，使乳化液中的表面 活化剂与酸作用生成不溶于水的脂肪酸或者脂肪醇，达到破乳目的，破乳 后调节p h 值至7 - 9 。盐析法则需向乳化液中投加无机盐类电解质，去除乳 化油滴外围的水化离子，压缩扩散层，减小电位，破坏双电层，油滴之间靠 疏水作用聚集生长为大油滴，得以破乳。以上方法的联合使用就是混合法。 化学处理法一般除油率较高，达9 0 左右，但是处理出水很难达到国 家排放标准( 1 0 m g l 以下) ，尤其是油品不易回收，用药量较大，沉渣较 多，易腐蚀设备产生二次污染。对于一些含多种乳化机油及稳定乳化液， 用化学法较难处理，且该方法产生的油渣脱水较困难。沈阳某汽车发动机 厂的乳化液废水处理，以前就是采用化学法。这种方法处理加药量难于控 制，刮渣机经常受腐蚀，设备较易损坏。泥饼需用人工铲刮，气浮出水经 常带渣。 物化法 物化法主要包括浮选法和吸附法。浮选法是指根据油水表面亲水、疏 水性质的差异，去除废水中的分散油、乳化油及细小的固相悬浮物的方法。 为了提高浮选效果，一般需向废水中投加高分子絮凝剂，使油滴在上浮的 过程中形成大的絮团。浮选法往往需要引入化学药剂，造成二次污染：而 且由于气泡直径较大，分布不均匀等原因，对乳化油废水的处理往往出水 水质不稳定，去除不彻底。 生化法 乳化油废水中的油和有机物均可作为微生物的营养物质，在微生物生 长繁殖过程中被吸附合成或者被微生物氧化分解成简单的有机物和无机 物，最终以c 0 2 、h 2 0 、n 2 、c h 4 等形式释放，使污水得以净化。但此方 法的局限性较大，尤其是乳化油废水，它的b o d 值很低，而c o d 。值相对 4 壅! ! 查兰堡主堂堡堡壅一一曼= 苎! 咝 来说又极高，相差十倍甚至几十倍，属于难生物降解的废水，并且生化法处 理周期长、占地面积大。 物理法 其主要包括沉淀、加热油水分离、过滤等，一般情况下都难以达到排 放标准，通常需要采用高分子膜滤法进行进一步油水分离。该工艺的优点 是运行费用较省，设备管理方便，处理效果稳定，含杂质少可回收利用。 但在膜过滤过程中“浓差极化”、膜污染成为膜处理方法广泛应用的阻碍。 1 3 利用离心力场作用强化膜滤 膜分离技术作为一种新型高效的分离技术，近3 0 余年来取得了令人瞩 目的飞速发展，并已广泛应用于国民经济各个部门。然而，膜滤过程中的浓 差极化和膜污染现象导致过滤速率的下降，使该技术在化工、生化过程和食 品加工等极有应用价值的领域不能充分发挥作用。浓差极化是指由于膜的 选择透过性造成的膜面浓度高于被处理物料主体浓度的现象；膜污染是指 所处理物料中粒子在膜表面和膜孔内的吸附或沉积。二者密切相关，对以压 力为推动力的膜过滤的分离效果和可靠性有极大影响【7 】。 从膜过程的四大要素即膜、处理液、操作条件和装置分别入手，采取一 定的措施可以达到强化过滤效果的目的。为解决膜滤过程中两大主要问 题：浓差极化和膜污染，各国学者积极探讨，从不同角度提出了许多改进 措施和控制方法 j 2 j 。利用离心力场作用强化膜滤属于其中的一种流体力学 方法。下面将具体阐述目前实现这一思路的几种方法。 1 3 1 旋转盘式膜器 旋转盘式膜器结构如图1 1 所示。旋转件为膜面或紧邻膜面处加旋转 件，离心力作用使流体在膜面形成强烈错流，由于膜表面流体的高剪切作用， 能有效“擦洗”膜面，肖i j 弱浓差极化，减少膜污染。 从流体力学的边界层理论可知，由于流体的粘性作用，任何流动状态下， 流动边界面上都有边界层的存在，颗粒一旦被渗透流曳到边界层内，则极有 可能滞留下来。根据l i n g w o o d 的理论分析和试验观察，旋转盘的边界层是 完全非稳定的，当雷诺数达到一定值时，流体从层流发展为湍流，颗粒在这样 的流场中不易沉积。总的来说，对旋转盘式膜器的详细研究报道不是很多， 东北大学碗士学位论文 第一章绪论 最早对它的分离性能作全面研究的是t o d a ，以后a u b e r t 较详细地研究了旋 转盘式膜器旋转剪切流减轻膜污染的特性；1 9 9 5 年，s a t o 第一次对旋转盘式 膜器内的压力分布进行实测，为研究雷诺数、压力及能量损失等之间的关系 打下了萋础。在我国，天津大学化工系的宗润宽、王晓静等学者也对旋转盘 式膜器的强化机理进行了多年有益的探索【1 3 , 1 4 , 1 5 。 冒 昌詈富宣 雷雷 i 区 a 一渗透流 一浓缩流 图1 i 旋转盘式膜器 f i 9 1 1t h es e p a r a t o ru s i n gr o t a r yd i s c a lm e m b r a n e l e e 利用该结构进行酵母细胞回收试验，在优化结构和操作参数下，将 酵母细胞回收过滤的速率提高8 倍；m a t s u s h i t a 等人采用多管膜组件和旋转 盘式分离膜过滤组件从酵母中回收核酸等物质，发现旋转盘式膜组件在浓 缩能力和渗透能力上分别是多管膜组件的1 4 3 倍和1 1 6 倍。在国外，旋转 盘式膜器已从实验室的单层小装置发展为工业应用的多层结构的大型装 置，在工业水处理、核燃料回收、选矿和污水处理等领域得到实际应用。天 津大学的研究者已对多层旋转盘式陶瓷膜微滤进行了试验，建立了数学模 型，目前已转入实用性研究。由于盘式膜器自身结构特点，物料可以在膜器 内停留较长时间，王骁静等将膜分离与酶的固定化结合起来，形成高效动态 膜分离式固定化酶解反应器旋转盘式膜器和反应器的结合代表了近年来 新型生物反应器的发展趋势【t 3 , t 4 | 。 不过最近s e r r a 运用流体力学的方法发现，由于旋转流作用，造成所谓 的“反玉, ( b a c k p r e s s u r e ) ”。另外，发现强化通量的效果在膜面不是均匀分布 的。因此需要选择最佳操作条件和结构参数使“反压”减至最低，并使旋转 盘式膜器的有效分离面最大1 1 5 】。 6 查! ! 查堂堡主堂垡丝塞茎二! ! 丝垒 1 3 2 旋转流膜器 旋转流强化膜滤，是利用特殊构件，在膜器环隙内形成高速剪切流。 主体流在弯曲流道中变向而产生的离心力与过滤渗透流对颗粒的曳力相 抗衡。阻止颗粒向膜面沉积。又根据d e a n 的理论，流体在流经弯曲流道 时，流体会产生与主体流流向垂直的二次流，当流速达到一定值时( 即 d e a n 数超过某一临界值时d e c 时) ，二次流得到强化，弯曲流道中会出现 有规则分布的成对反向旋涡，增加了流动的不稳定性以破坏边界层，故可 达到降低膜污染的目的【1 6 1 。 理 逊二 图i 2 外旋沉管式膜结构 f i 9 2 1t h et u b u l a rm e m b r a n e w i t hr o t a r yw a t e rf l o w i n go u t s i d e 如图1 2 所示为外旋流管式膜器结构，是四川大学陈文梅、褚良银等学 者在1 9 9 5 年左右提出的f j6 】，它看上去与旋转管式膜器很相似，但二者有实 质区别。这种膜器在工作时，内管和外管都是固定不动的，料液通过类似水 力旋流器的切向进口进入膜器，悬浮液切向进入膜器后绕膜管轴线旋转，在 中央膜器与外观的环隙间形成旋转剪切流。此时颗粒受附加离心力作用会 克服渗透流曳力，向远离膜面方向运动，从而达到利用旋转流降低膜污染 的目的对这种膜器过滤机理的研究，四川大学在这方面作了大量工作，目 前正在系统地研究该装鬻的过滤机理。根据目前流场可视化的发展趋势， 辅以先进的激光示踪仪( p t v ) 和激光成像仪( p i v ) 等手段，旋流流场特征将 逐步呈现出来。王成端【1 6 j 等人在获得环隙剖面大量不同工况的流线图和涡 量图后，定量分析了相应面上的速度分布规律，并建立了旋转流管式膜器的 奎韭查堂塑圭兰焦丝苎鱼二! ：堕鱼 数学模型。旋转流式膜过滤是在十字流膜过滤基础上的强化技术，目前许多 学者的试验结果证实，在相同条件下，前者的过滤速率明显高于后者。这种 旋流式膜器结构简单，不需要使膜器运动的传动装置，但是由于主流体流速 较高，膜器单位容积的流量较大，相对对膜污染和浓差极化的减轻程度较 一、。 1 3 3 旋转管式膜器 图1 3 旋转管式膜器 f i 9 1 3t h er o t a r yt u b u l a r m e m b r a n es e p a r a t o r 无论何种流动状态，在流动边界层上，边界层的存在是影响传质和传 热的关键，一旦颗粒被渗透流曳到边界层内时，其滞留下来的可能性大为 提高。 旋转管式膜器基本结构如图1 3 所示【1 2 1 。该膜器由可以旋转的内管及 其外面所套同心圆筒组成。在分离过程中内管旋转而外部静止，料液在环隙 空间沿圆柱轴对称方向流动。这种膜器较之传统装置能更好地防止膜污染， 其原因是得益于特殊的流场一超临界t a y l o r - c o u e t t e 流【l 7 1 。当膜管转速增 大，t a y l o r 数超过某一l 临界值时，环隙间出现t a y l o r 涡，破坏边界层，同时颗粒 受到旋转切向流作用而远离膜面，从而可达到强化过滤的目的。1 9 2 3 年 t a y l o r 就已发现同轴旋转的两圆筒间会出现t a y l o r 涡，但是直到2 0 世纪9 0 年代，人们才开始将同轴圆筒环隙流场的研究方法运用到有渗透流的旋转 管式膜器流场中。国外具有代表性的如美国西北大学应用流体力学实验室， 他们在单相流研究的基础上转入多相流情况，证明t a y l o r 涡会沿主体流轴 向流向平移，并且膜器下端料液浓缩，粘度增加，t a y l o r 数减小，t a y l o r 涡有可 能消失，深刻地揭示了流场的不稳定性f 1 6 l 。我国四川大学对旋转聚乙烯管 式膜器的微滤特性作了比较系统的研究：赵飞虎在对旋转管式膜器环隙间 s 查! ! 杰茎堡主兰垡堡苎 一墨二兰i ! 堕 粒子的流动特性分析中，认识到旋转剪切流是颗粒反向扩散的主要诱因，并 确定出颗粒不在膜面沉积的最小膜管旋转速度表达式1 6 1 a 杨柳在此基础上 作了改进，强调了t a l y o r 涡的重要性，他认为环隙间生成t a l y o r 涡时，其曳力 对颗粒运动作用最大，强大的t a l y o r 涡曳力使大部分颗粒在涡内循环，少部 分粒子扩散到涡外到达膜管表层，膜管表面的浓差极化得到抑$ f ；t a l y o r 涡 的冲刷作用和轴向迁移可有效防止了粒子在膜面滞留沉积；在他建立的过 滤速率模型中也出现了t a l y o r 数 1 2 , 1 7 , 1 8 1 。 k r o n e r 是较早研究旋转管式膜的学者之一，他用膜孔径为0 1 t 0 2 um 的管式膜回收生物培养液中的酶，与普通十字流和中空纤维比较，在生成泰 勒涡的转速下，过滤速率较普通十字流提高了4 倍，较中空纤维提高了近8 倍。l e v y 等人分别采用旋转管式胰和十字流过滤分离血浆，也发现旋转管 式膜器的过滤速率明显高于传统十字流过滤。1 9 7 8 年，m a r g a r i t i s 和w i l k e 设计的“旋转器”初具雏形，随后瑞士e s c h e r w y s s 压力过滤器制造公司设 计出旋转圆管膜过滤器，正式被定义为旋转管式膜器。这种膜器确实起到强 化过滤通量的作用【1 2 ，1 ，j 。 消除膜滤中的膜污染和浓差极化，是一项极有价值和挑战性的研究， 利用离心力场作用为解决这一难题提供了一种新的思路，以上三种方法： 旋转盘式膜器、旋转流膜器和旋转管式膜器都是充分利用了旋转产生的离 心力场对颗粒的作用，后两种还包括旋转带来的剪切流和二次涡流的影 响。 1 4 旋转管式膜理论及研究进展 十字流过滤技术成为膜分离领域最受重视的一项技术。但困扰膜分离 技术应用和发展的一个关键问题是浓差极化和膜污染而造成的膜过滤通 量下降。为了使过滤能持续高效的运行，必须使浓差极化和颗粒沉积而引 起的膜污染得到有效的抑制。人们采用了一些不同方法来解决这一问题： 比如采用反向冲洗技术，外加电场技术，增加流动不稳定，脉冲进料等方 法睇。1 9 7 8 年a m a g a r i t i s 和c r w i l k e 提出旋转管式膜过滤( d y n a m i c f i l t r a t i o n ) ，由于内管的旋转运动，滤饼层较难形成，所以成为一种很有研 究和应用前景的分离技术，也成为强化过滤方法研究最多的结构【20 1 。旋转 管式膜结构一般分为两种形式：一种是圆筒式( 管式) 结构，内筒为膜管 ( 附膜结构) 或者内外均为膜管，内管旋转；另一种是圆盘式结构，旋转 9 查! ! 盔堂堡主堂焦堡奎羔! ! 咝 件为膜面或紧临膜面处外加旋转件【1 6 ，1 9 ，3 2 1 。相对而言，旋转管式膜比旋转 盘式膜研究更多一些，这是由于旋转管式膜的内管旋转在管环隙间形成泰 勒涡二次流，强化过滤效果明显。 1 9 2 3 年，t a y l o r 在他的一篇论文中首次提出了两同心圆筒间二次流的 稳定性问题【1 6 1 。在无轴向流，内筒旋转的情况下，他忽略了n s 方程中的 非线性项，通过贝塞尔一傅立叶变换求解旋转库特流中的扰动方程，从而 推导出了导致流体不稳定的临界转数，并把霄利的旋转流稳定性分析推广 到粘性不可压缩性流体；并在随后的试验中证明了理论与试验的吻合性 在临界转速上，在主流( 库特流) 上还存在着沿轴向排列的一串相邻方向 相反的涡圈1 4 所示【3 2 1 ，并且涡的长度等于环隙宽度，后人把这种涡称为 泰勒涡。通过计算，泰勒确定出这种旋转流作用下生成泰勒涡的条件和泰 勒数( t a ) 的计算公式。泰勒的泰勒数计算公式为： t i t a ：o a r i d _ d：r e l 薛) j 它反应了旋转切向流的影响。可见，泰勒涡的生 ， ，直， 成与旋转内筒的旋转速度u 和环隙d 与半径r i 比有密切关系。生成泰勒 涡的最小泰勒数值称为极限泰勒数( t a 。) ，它随d ，r l 的增加而增加。如果 t a t a 。，则泰勒涡生成f 1 7 2 。 蓁 b 藿 8 8 8 8 亡 图1 4 泰勒涡 f i 9 1 4t a y l o rv o r t i c e s 在有轴向流的情况下，旋转环隙间的流场发生7 变化。c h a n d r a s e k h a r 根据线形理论，论证了轴向流对流场的稳定性作用。并提出了在较小轴向流 情况下，极限泰勒数的确定公式。在假设轴向流的速度分布为抛物线分布条 件下，该作者还用线形理论推导了漂移速度( d r i f t v e l o c i t y ) 接近于1 2 。 s y n d e r 通过试验验证了在雷诺数低于l o o 半径比为o 9 5 条件 壅! ! 查竺堡主堂垡造壅笙= 兰! 堕 下c h a n d r a s e k h a r 理论的正确性，并发现在轴向雷诺数小于2 0 时，流动为轴 对称的。s a m s o n 和a y a z i 也发现在r o r l = 1 1 8 ，t a - 1 2 ，4 0 0 ，r e 。1 2 5 条件f ， 涡心速度也大致是轴向流速的1 2 倍。表明轴向流存在时，泰勒涡具有漂 移特性，当轴向雷诺数过大时，环隙间泰勒涡漂移过快，不利于料液在环 隙内充分停留，并且泰勒涡也因涡心速度过高导致向外传质能力加强，不 利于控制膜污染和浓差极化的发生。k c ，e h u n g 研究后认为，过高的轴向 流速将增大临界t a 。数，为获得t a y l o r 涡就必须提高转速，但是转速过高 在实际操作中也是不利的，因次在实际操作中一般采用极小的轴向流速， 这也是旋转管式膜过滤过程的主要特征之一口。 自从1 9 2 3 年泰勒提出两同心圆柱间流体流动的稳定性问题之后，泰勒 涡因为其会消耗一部分能量而作为一种不利因素在应用上尽量避免。而 后，泰勒涡也只是作为一种流动特例被一些学者研究，直到1 9 7 8 年， a m a g a r i t i sc r w i l k e 首先设计出一种“旋转器”，用于发酵液的分离，方 法是将一个用膜覆盖的旋转圆筒放入发酵液槽中旋转，让过滤液不断通过 膜孔进入旋转圆筒，试验表明，这种方法可以实现物料的连续过滤。随后， 瑞士e s t h e rw y s s 压力过滤器公司设计出这种旋转圆筒膜过滤器，w t o b l e 对这种过滤器下定义为管式膜过滤器1 2 , 1 7 从此，管式膜过滤受到越来 越多的重视，它对各种物料的分离性能研究也得到了很大的发展。 在一般的膜过滤中，由于滤饼在过滤过程中不断增加或保持在一个较 厚的水平，因此过滤速率随时间逐渐减少。而旋转管式膜过滤因为能不断 地通过泰勒涡库特流和强的旋转剪切流把滤饼扫除，因此能把滤饼控制在 很薄的水平，从而获得较高的过滤速率。为了将旋转管式膜分离应用到实 际中去，很多学者对各种物料进行研究，设计出适用于各种不同物料的管 式膜分离装置，并研究了在特定物料下的过滤特性。为了探明旋转管式膜 过滤的分离特性，一些学者研究了操作参数和动态过滤参数之间的关系。 日本的t m u r a s e 等人在研究管式膜过滤的特性时发现，管式膜过滤服从膜 分离理论，与过滤速率有关的过滤参数有轴向流速，旋转转速，环隙宽与 半径的比，操作压力，物料特性，膜的性质等【3 甜。试验还表明旋转管式膜 过滤在最初一段时间内，过滤速率时逐渐减少的，而后趋于稳定并保持在 一个较高的水平。而且旋转速度越高稳定的速度越高。p e t r m i k u 】a s e k 等研 究发现旋转转速使壁面的剪切力与轴向流量关系不大，因次可以在较低的 轴向流量下可以获得相对较大的过滤速率【1 7 。杨柳和赵飞虎等从不同的角 度研究了旋转管式膜的过滤性能，并对旋转转速对过滤性能的影响情况作 查! ! 盔兰堡圭兰堡堡苎笙二兰! 堕 了进一步的解释【18 1 。国内的阿不都瓦依提玉素浦等于1 9 9 9 年对旋转管式 膜精密平衡分离油水乳液进行了试验研究与理论探讨2 2 1 。 综上所述旋转管式膜由于旋转剪切流和泰勒涡的作用对强化过滤过程 明显，可以在一定程度上抑制膜污染和浓差极化的作用。 1 5 课题意义和主要内容 舍油污水在工业废水中占有相当的比重，由于其来源广泛，污染面大， 因此长期以来成为困扰污水处理技术的主要难题之一，尤其是对于油滴粒 度超细( 一般小于1 0 “m ) 、与水混合充分的乳化油污水，传统的去除净化 技术在不同程度上存在一定的闻题，处理效果难以达到国标( t a ct a t a c7 r a t a ct a t a ct a t a 。，可见旋转 管式膜器环隙闯将生成寨勒涡，有利于膜分离 当轴向流景为2 5 m l s 时，由上式可算出极限泰勒数砌。= 7 1 4 8 ，对于) = 1 6 4 9 r p m ，因此泰勒数t a = 4 0 0 5 7 t a ，此时环隙问将生成泰勒涡，利于膜滤过程的进 行。上述操作条件，算出的相应参数以及在旋转管式膜器的不同转速、不同 轴向流量下的试验结果列于表3 7 。 由表中可以看出： 1 ) 在= 0 时，轴向流量分别为1 5 m l s ，2 5m l s 时，其过滤速率分别为 8 7 9i m 2 h 和9 5 5 1 m 2 h 。 2 ) 在= 1 6 5 0 r p m ，轴向流量分别为1 5 m l s 、1 8 m l s 、2 0m l s 时，过 滤速率分别为1 2 9 8i m 2 h 、1 4 8 2i m 2 h 和1 5 2 31 m 2 h 。 3 ) 在轴向流量为2 5m l s ，= 1 6 4 9 r p m 时，过滤速率为1 4 9 4l m 2 h ； = 2 2 5 4 r p m 时，对应的过滤速率为1 6 3 7l m 2 h 。 试验中还发现= 0 时，初始过滤速率均较高，但是稳定的过滤速率 相对较低，下降较多而在2 ) 中初始速率相对来讲低于u = 0 时但是其 稳定的过滤速率相对初始速率下降较少，同时在2 ) 中的条件下均生成了 泰勒涡二次流在生成了泰勒涡二次流的情况下，在一定轴向流量范围内， 过滤速率随着轴向流量的升高而增加。3 ) 在轴向流量为2 5 m i l s 时，对比 了生成泰勒窝和未生成泰勒窝二次流而形成不稳定湍流两种情况对过滤 速率的影响情况，发现是否形成泰勒涡二次流对过滤速率的影响较大。 3 1 5 进水温度对过滤性能的影响 般对于十字流膜滤来讲，不论那种过滤机理起主要作用以及不论在 压力控制区还是传质控制区，提高过滤温度都对过滤通量有定的影响。 因为温度的升高，料液粘度减小，溶质的扩散系数增大，导致渗透速率增 大。但温度的升高，可能使料液中某些组分的物理化学性质改变，而影响 渗透速率。还有研究者发现，当处理含油废水时，温度的改变会同时影响 料液的粘度和油滴的粒径分布，而两者的改变对过滤速率的影响恰恰相 反。为此有必要考察一下过滤温度的改变对旋转管式膜滤的过滤性能的影 东北大学硕士学位论文 第三章试验结果茂分析 晌情况 过滤压差o 3 m p a ，轴向流量2 0 m l s ，旋转转速1 6 5 0 r p m ，进水含油浓度 0 5 9 l 条件下，对膜2 进行过滤操作，考察进水温度对过滤性能的影响情况。 取样时间是6 0 s ，稳定过滤速率时间是4 0 m i n ，采用内管旋转外管膜的过 滤方式。温度由恒温水箱控制。 表3 8 进水温度对过滤性艟的影响 t a b l e 3 8t h ee f f e c to f o i l yw a s t e w a t e rt e m p e r a t u r e o nf i l t r a t i o n 进水温度( k )2 9 83 0 33 0 83 1 33 1 83 2 3 过滤速率( i m 2 h )1 5 0 11 5 7 61 6 8 81 7 9 41 8 3 81 9 7 9 从表3 8 可以看出，随温度的升高，过滤速率逐渐增加：温度在2 9 8 k 时过滤速率为1 5 0 1l m 2 h ，当温度升高到3 2 3 k 时过滤速率达到1 9 7 9 l m 2 h 从图3 9 可以看出，温度在2 9 8 。3 2 3 k 变化时，过滤速率和温度近 似呈线性关系可以这样解释这种现象进水温度的升高，使料液粘度降低， 其他条件不变的情况下，传质系数的增大，而使过滤速率升高。试验中 般是在室温2 9 8 k 下 进承戳应i k ) 图3 9 进水温度对过滤性能的影响 f i g 3 9t h e e f f e c to f o i l yw a s t e w a t e rt e m p e r a t u r eo f lf i l t r a t i o n 3 1 6 旋转转速对过滤性能的影响 在旋转管式膜滤中，正是由于内管的高速旋转产生的切向流、泰勒涡二 次流以及离心力的共同作用，才使旋转管式膜滤有效的控制了浓差极化与 查苎盔兰堡圭兰垡堡苎羔童望l 堡墼堕墨垦! 堕 膜污染，从而膜稳态过滤速率增加可见，膜器的转速是一个十分重要的参 数。 无论在何种流动状态，在流动边界面上，边界层的存在是影响传质和 传热的关键，一旦颗粒被过滤流曳到边界层内时，其滞留下来的可能性大 为提高。1 9 2 3 年，t a l y l o r 发现，当两同心圆管有相对运动时，当转速超 过一定值后环隙之间将产生t a y l o r 旋涡。随着t a y l o r 涡的出现，膜传质系 数k 上升。根据公式【1 0 】： r - -