超声场强化管状陶瓷膜微滤tio2悬浆液过程.pdf

隆 馥 努 f 超声场强化管状陶瓷膜微滤t i 0 2 悬浆液过程 i n v e s t i g a t i o n o hu l t r a s o u n d e n h a n c e dt u b u l a r c e r a m i cm e m b r a n em i c r o f i l t r a t i o no ff i n et i o z s u s p e n s l o n 2 0 1 1 年0 4 月 骰嚣譬蓼纵撵嘻 节撬w季 譬 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查 确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求 答辩委员会签名 工作单位 职称 主席 够锄非川司钾锹采戈考 衣攫 委员 似删拗惦 压砍 骥 巍耽稽仰别 一 锄沥 铆偿驭支 导师 合肥工业大学化工学院崔鹏教授 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 l 作及取得的研究成果 据我所 知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金月墨 些太堂或其他教育机构的学位或证二 5 而使用过的材料 与我一同 l j 作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签字 王双亲签字日期 汐f 1 年午月多口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒日墨工些太堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅或借阅 本人授权合肥 二业太 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权二1 5 靴敝糍轹矾表 槛轹伊 签字日期 2 0 t f 年午月 日签字日期 矿 年哪啁多日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 2 电话 邮编 超声场强化管状陶瓷膜微滤t i 0 2 颗粒悬浆液过程 摘要 超声场所产生的机械振动 声冲流及声空化能够有效地抑制膜分离过程中 的膜污染和浓差极化现象 一定程度上提高了膜渗透通量 而陶瓷膜具有机械 强度高 耐酸碱 耐高温 分离性能稳定等优点 且已成功应用于工业中 本 论文研究了清洗槽式超声场强化管状陶瓷膜微滤分离t i 0 2 悬浆液过程 利用由三维定位仪和超声波声强测量仪组成的声强测量装置对超声波穿透 以清水 t i 0 2 悬浆液为介质的不锈钢管及陶瓷膜管后的声强分布进行了测量 同时 以t i 0 2 颗粒为分离体系 在多通道陶瓷膜微滤系统中研究了超声场强化 微滤过程 在清水中 超声波穿透不锈钢管后声强平均衰减了4 5 o 而穿透 厚度为1 0 0m m 的陶瓷膜后衰减了9 0 o 以上 超声波在颗粒悬浮液中传播有 一定的衰减 但衰减性不明显 在超声场辅助微滤颗粒悬浆液过程中 膜总阻 力由5 5 6 1 0 1 1r n 以降到4 7 7 1 0 1 1m 膜渗透通量增加了1 7 0 膜面滤饼质 量由3 3 7g m 2 降低到2 0 4g m 一 浓差极化层内质量传递系数由3 5 1 0 m s 1 增加到5 2 1 0 一m s 在跨膜压差为8 0k p a 温度为3 5 膜面流速为1 0m s 料液浓度为5 0g l d 操作条件下 平均膜通量提高了5 l 依据滤饼过滤理论 研究了超声波对过滤常数 滤饼压缩性指数 膜面沉 积滤饼质量的影响 超声作用下 恒压过滤常数由5 5 6x 1 0 4 m 2 s q 提高到1 2 7 1 0 刁m 2 s 不同时刻的单位膜面滤饼质量仅为无声场作用时的5 0 左右 无 超声作用下滤饼的压缩性指数为0 6 5 3 而超声作用下的s 为0 6 7 0 可知t i 0 2 颗粒形成的滤饼属于中等可压缩性物料 同时 针对超声强化膜分离过程中能耗高的问题 提出了一种节能 新型 超声强化膜分离操作方式 即微滤与超声场的交变过程 该操作方式能够获得 较高膜通量恢复率和平均膜通量 在超声功率为4 5k h z 和频率为5 0 0w 条件 下 膜通量恢复到初始值的9 4 0 超声作用时间为1 0 e c 微滤时间为8m i n 时 平均膜通量提高了6 1 5 超声能量消耗却减小了9 0 关键词 超声强化 管状陶瓷膜 颗粒悬浆液 声强测量 节能 一 一 u l t r a s o u n d e n h a n c e dt u b u l a r l n v e s t i 2 a t m no nu l t r a s o u ne n l 3 a n c et ud u l a r c e r a m i cm e m b r a n em i c r o f i l t r a t i o no ff i n et i 0 2 s u s p e n s l o n a b s t r a c t u l t r a s o n i ct e c h n i q u eh a sb e e np r o v e dt ob ea ne f f e c t i v ea p p r o a c ht oe n h a n c e t h em e m b r a n ef l u xa n dt oi m p r o v et h ec l e a n i n go ff o u l e dm e m b r a n e sb e c a u s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i c so fc a v i t a t i o n s a c o u s t i cs t r e a m i n g a n ds h o c kw a v e s w h i c hm a yb e c a p a b l eo fr e m o v i n gt h ef o u l i n gl a y e rf r o mt h em e m b r a n es u r f a c e o rp r e v e n t i n gt h e d e p o s i t i o no fp a r t i c l e st h a tl e a dt om e m b r a n ef o u l i n g c e r a m i cm e m b r a n e sh a v e b e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oi n d u s t r i a lp r o c e s sd u et ot h e i rh i g hc h e m i c a l t h e r m a l a n dm e c h a n i c a ls t a b i l i t y t h u s t h i sw o r ki n i t i a t i v e l yi n v e s t i g a t e dt h ea p p l i c a t i o no f m u l t i c h a n n e l c e r a m i cm e m b r a n ef o r t i 0 2 s u s p e n s i o nr e c o v e r yb y u l t r a s o n i c e n h a n c e dc r o s s f l o wm i c r o f i l t r a t i o n t h ed i s t r i b u t i o no fa c o u s t i ci n t e n s i t yt h r o u g ht h es t a i n l e s ss t e e lt u b ea n d s i n g l ec h a n n e lc e r a m i cm e m b r a n ei nt h ew a t e r t i 0 2s u s p e n s i o nw e r em e a s u r e db y t h eu l t r a s o n i ci n t e n s i t ym e a s u r e m e n td e v i c e sc o n s i s t i n go ft h r e e d i m e n s i o n a l p o s i t i o n i n gs y s t e ma n da c o u s t i ci n t e n s i t ym e a s u r i n gi n s t r u m e n t i nw a t e rs o l u t i o n t h ea v e r a g eo fa c o u s t i ci n t e n s i t yt h r o u g hs t a i n l e s ss t e e lt u b ew a sa t t e n u a t e db y 4 5 w h i l em o r et h a n9 0 w a sa t t e n u a t e dt h r o u g ht h e10 0m mt h i c kc e r a m i c m e m b r a n et u b e a n da c o u s t i ci n t e n s i t yw a ss l i g h t l ya t t e n u a t e di nt h et i 0 2p a r t i c l e s u s p e n s i o n s i m u l t a n e o u s l y u l t r a s o n i ci r r a d i a t i o nw a sa p p l i e dt oam u l t i c h a n n e l c e r a m i cm e m b r a n es y s t e mt oe n h a n c et h em e m b r a n em i c r o f i l t r a t i o no ft i 0 2 s u s p e n s i o n b a s e do nr e s i s t a n c e i n s e r i e sm o d e l t h et o t a l r e s i s t a n c ed e c r e a s e d f r o m5 5 6x l o l lm 1t o4 7 7x l o l lm a n da v e r a g em e m b r a n ep e r m e a t ef l u xc o u l d b ei n c r e a s e db y17 0 w i t ht h ep r e s e n c eo fu l t r a s o n i ci r r a d i a t i o n t h er e v e r s i b l e r e s i s t a n c ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yf r o m2 8 8x 1 0 l lm 1 t o1 8 3 x 1 0 l lm a n dc a k e w e i g h to nm e m b r a n es u r f a c er e d u c e df r o m33 7g m 呓t o2 0 4g m t h eu s eo fg e l p o l a r i z a t i o nm o d e ls h o w e d t h a tt h eu l t r a s o n i ci r r a d i a t i o ni n c r e a s e dt h em a s s t r a n s f e rc o e f 五e i e n tf r o m3 5 10 一m s t o5 2 10 一m s 一1w i t h i nt h ec o n c e n t r a t i o n p o l a r i z a t i o nl a y e r u n d e r t h e a p p r o p r i a t eo p e r a t i n g c o n d i t i o n so fc o n s t a n t t r a n s m e m b r a n ep r e s s u r eo f8 0k p a t e m p e r a t u r eo f35 s u s p e n s i o nc o n c e n t r a t i o n o f5 0g l t h eu l t r a s o n i ce n h a n c e m e n tf a c t o ro f1 51w a so b t a i n e d 4 b a s e do nc a k ef i l t r a t i o nt h e o r y t h ef i l t r a t i o nc o n s t a n t c a k ec o m p r e s s i b i l i t y i n d e x a n dw e i g h to fc a k eo nt h em e m b r a n es u r f a c ew e r ea n a l y z e dw i t hu l t r a s o n i c i r r a d i a t i o nd u r i n gt h ec o n s t a n tp r e s s u r ef i l t r a t i o np r o c e s s t h ef i l t r a t i o nc o n s t a n t i n c r e a s e df r o m5 5 6 x1 0 4m 2 s t 0 1 2 7 x1 0 3m 2 s 一 i m p r o v i n gt h em e m b r a n e p e r m e a t i o nf l u x u l t r a s o u n dc o u l de f f e c t i v e l yp r e v e n tp a r t i c l e sd e p o s i t i n go nt h e m e m b r a n es u r f a c e s ot h ew e i g h to fc a k eo nt h em e m b r a n es u r f a c ea td i f f e r e n t t i m e sw a so n l y5 0 o ft h a tu n d e ru l t r a s o n i ci r r a d i a t i o n t h ec a k ec o m p r e s s i b i l i t y i n d e xw a s0 6 7 0a n d0 6 5 3 r e s p e c t i v e l y w i t ho rw i t h o u tu l t r a s o n i ci r r a d i a t i o n s h o w i n gt h ef i l t e rc a k ef o r m e db yt i 0 2p a r t i c l e sb e l o n g e dt om e d i u mc o m p r e s s i b l e m a t e r i a l s an e wo p e r a t i o nm o d ef o ru l t r a s o n i c e n h a n c e dm e m b r a n em i c r o f i l t r a t i o nw a s d e s i g n e di no r d e rt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n t h eo p e r a t i o nm o d ec o u l do b t a i n b e t t e rf l u xr e c o v e r yr a t ea n da v e r a g ep e r m e a t i o nf l u x w h i l et h eu l t r a s o n i ce n e r g y c o n s u m p t i o nw a sr e d u c e db yo v e r9 0 0 l o w e ru l t r a s o n i cf r e q u e n c ya n dh i g h e r p o w e rd e n s i t yw e r ec o n d u c i v et or e s t o r a t i o no ft h ei n i t i a lf l u x a n du n d e ro p t i m u m c o n d i t i o n su l t r a s o n i cf r e q u e n c yo f4 5k h za n dp o w e rd e n s i t yo f5 0 0 彤t h ef l u x r e c o v e r yr a t ec o u l dr e a c h9 4 0 w h e nu l t r a s o n i cr a d i a t i o nt i m ew a s10s e ca n d m i c r o f i l t r a t i o n8m i n t h em e m b r a n ea v e r a g ef l u xc o u l di n c r e a s e61 5 l o w e r t i 0 2 c o n c e n t r a t i o n a n d h i g h e rt e m p e r a t u r e b e n e f i t e d t h e p r o c e s s o f u l t r a s o u n d e n h a n c e dc e r a m i cm e m b r a n em i c r o f i l t r a t i o no ft i 0 2s u s p e n s i o n k e y w o r d s u l t r a s o u n d e n h a n c e d m u l t i c h a n n e l c e r a m i cm e m b r a n e t i 0 2 u l t r a s o u n di n t e n s i t ym e a s u r e m e n t e n e r g ys a v i n g 5 致谢 滴水之恩 当涌泉相报 校园求学之路 即将戛然而止 一路走来 亲情 爱情 友情时刻伴随在 我的身边 我们每个人都逃不了这六个字 这六个字 在我们的人生中越发的 体现它的价值与分量 可怜天下父母心 亲情的无私 不求回报 那种血浓于水的深情 一直 会让我感动 由衷地祝福我亲爱的父母 我的亲人 师者 传道 授业 解惑 也 人生有幸 我能找到可敬的崔鹏老师 更能在匆忙的时光追逐中留下自己 的微言感谢 一日为师 终生为父 崔鹏老师对我的帮助 其实更在于思想的 启迪 或者我说给了我思想的生命 温暖而宽厚的目光一直耐心地注视我 大 爱无言 花开有声 崔鹏老师更愿意看见我们自己在摸索中前进与总结 路途 中竭尽所能鼎立相助 王琪老师 陈亚中老师的悉心指导和热心帮助 窦师姐 姚师兄等兄长般的关怀 一路走来 一位她始终默默伴随着我 包容 关怀 牵挂 激励 成为彼此生活中的一部分 研三的 六人行 我们共同进步 共 同成长 熊伟 王静等师弟师妹们给予的许多无私的帮助和热情的鼓励 友情 给我带来自省的镜子 带来交流与思考 带来启发与智慧 互相解读自己存在 的意义 社会之路 即将启程 滚滚长江东逝水 浪花淘尽英雄 是非成败转头空 青山依旧在 我都会用一种真诚的心去对待 去好好的珍惜 心存感恩1 6 作者 王凤来 2 0 1 1 年0 4 月2 4 日 第1 章绪论 目录 1 1 1 微滤分离原理及操作过程 1 1 2 膜污染形成及其减轻方法 3 1 3 超声场强化膜分离过程的研究与应用 4 1 3 1 超声场强化膜分离作用机制 4 1 3 2 超声场强化膜分离集成装置 5 1 3 3 超声场与分离膜的作用 一8 1 3 4 超声场强化膜分离过程的应用 9 1 3 5 超声场与其它技术间的耦合 1 l 1 4 本文的研究思路与主要内容 1 2 第2 章超声场强化管状陶瓷膜分离t 1 0 2 悬浆液的研究 1 4 2 1 实验部分 1 4 2 1 1 主要仪器与药品 1 4 2 1 2 声强测量装置 15 2 1 3 微滤实验装置与工艺流程说明 1 6 2 1 4 测试方法和原理 1 6 2 2 结果与讨论 1 9 2 2 1 超声波穿过不锈钢声强的测量 1 9 2 2 2 超声波穿透陶瓷膜管声强的测量 2 2 2 2 3 超声强化微滤过程作用机制 2 4 2 2 4 操作参数对超声强化多通道陶瓷膜微滤过程的影响 2 7 2 2 5 超声场参数对超声强化多通道陶瓷膜微滤过程的影响 3 0 2 2 6 膜结构参数对超声强化多通道陶瓷膜微滤过程的影响 3 2 2 3 本章小结 一3 4 第3 章超声对恒压过滤过程及膜面滤饼质量的影响 3 1 实验部分 一3 6 3 1 1 实验装置与工艺流程说明 3 6 3 1 2 测试方法和原理 3 6 3 2 结果与讨论 3 7 3 2 1 超声场对恒压过滤过程的影响 3 7 3 2 2 颗粒浓度参数 4 0 3 2 3 跨膜压力参数 4 l 3 2 4 超声频率 4 4 3 2 5 超声功率 4 5 7 3 3 本章小结 4 7 第4 章超声与微滤交变过程微滤超细t 1 0 2 悬浮液 4 8 4 1 实验部分 4 8 4 1 1 多通道陶瓷膜微滤工艺流程 4 8 4 1 2 测试原理和方法 4 8 4 2 结果与讨论 4 9 4 2 1 微滤与超声交变过程方式对膜微滤过程的影响 4 9 4 2 2 超声频率对膜通量恢复的影响 5 0 4 2 3 超声功率对膜通量恢复的影响 5 1 4 2 4 超声作用时间对通量恢复及平均通量的影响 5 2 4 2 5 微滤时间对通量恢复及平均通量的影响 5 4 4 2 6 料液浓度对陶瓷膜微滤过程的影响 5 5 4 2 7 操作温度对陶瓷膜微滤过程的影响 5 6 4 3 交变场强化陶瓷膜微滤机理 5 7 4 4 本章小结 5 8 总结 参考文献 5 9 6 0 攻读硕士学位期问发表论文及获奖情况 6 9 8 插图清单 图1 1 微滤膜表面截留示意图 1 图1 2 微滤膜内部网格截留示意图 2 图l 3 死端微滤操作模式 2 图1 4 错流微滤操作模式示意图 3 图1 5 压力推动膜过程中各种阻力示意图 3 图1 6 清洗槽式声场强化膜分离集成装置 5 图1 7 变幅杆式声场强化膜分离集成装置 6 图1 8 振板式超声场强化膜分离集成装置 6 图1 9 混频超声场强化膜分离集成装置 7 图1 1 0 超声设备与管状陶瓷膜问的组合关系 7 图2 1 超声清洗槽换能器分布图 一1 5 图2 2 声强测量装置示意图 1 6 图2 3 超声强化陶瓷膜分离装置结构及流程示意图 1 6 图2 4 浓差极化模型示意图r 7 1 2 1 一1 9 图2 5 超声波穿过不锈钢管声强测量点 2 0 图2 6 清水条件下超声波穿透不锈钢声强变化 2 0 图2 7 颗粒悬浆液中超声波穿透不锈钢声强变化 2 l 图2 8 超声波穿透膜管声强测量点 2 2 图2 9 清水条件下超声波穿透膜管声强变化 2 3 图2 1 0 颗粒悬浆液中超声波穿透膜管声强变化 2 4 图2 1 1 连续声场对陶瓷膜渗透通量的影响 2 4 图2 1 2 渗透通量 与c 的拟合曲线 2 6 图2 1 3 超声场强化陶瓷膜微滤颗粒悬浮液机理示意图 2 7 图2 1 4 悬浮液温度对膜通量及超声强化因子的影响 2 8 图2 1 5 跨膜压力对膜通量及超声强化因子的影响 一2 8 图2 1 6 颗粒浓度对膜通量及超声强化因子的影响 一2 9 图2 1 7 超声频率对微滤过程及超声强化因子的影响 3 0 图2 1 8 超声功率对微滤过程及超声强化因子的影响 3 1 图2 1 9 膜孔径对超声强化因子的影响 3 3 图2 2 0 膜通道对超声强化因子的影响 3 4 图3 1 恒压下颗粒悬浮液过滤规律 3 8 图3 2 声场作用下颗粒在膜面沉积的滤饼质量 3 9 图3 3 声场作用下各个时刻滤饼去除因子日 3 9 图3 4 声场作用下颗粒浓度对 r q g 关系的影响 4 0 9 图3 5 声场作用下颗粒浓度对膜面滤饼质量及毋的影响 4 l 图3 6 声场作用下跨膜压力对 r q q 关系的影响 4 2 图3 7 跨膜压力对滤饼质量及日的影响 4 3 图3 8 过滤常数与跨膜压力的堙k 喇p 关系图 4 3 图3 9 超声频率下恒压过滤过程中向矽 g 图 4 4 图3 1 0 超声频率对膜面滤饼质量及目的影响 4 5 图3 1 1 超声功率下恒压过滤过程中帕 g 图 4 6 图3 1 2 超声功率对膜面滤饼质量及毋的影响 4 7 图4 1 微滤与超声交变场工艺流程示意图 4 8 图4 2 交变过程对微滤过程及平均膜通量的影响 4 9 图4 3 超声频率对交变过程中膜通量的影响 5 0 图4 4 超声频率对交变过程中膜通量恢复及平均通量的影响 一5 1 图4 5 超声功率对交变过程中膜通量影响 5 2 图4 6 超声功率对交变过程中膜通量恢复及平均通量的影响 一5 2 图4 7 超声作用时间对交变方式微滤1 og l t i 0 2 颗粒悬浮液的影响 5 3 图4 8 超声作用时间对交变方式微滤2 0g l t i 0 2 颗粒悬浮液的影响 5 3 图4 9 微滤时间对交变方式微滤1 0g l t i 0 2 悬浮液的影响 5 4 图4 1 0 微滤时间对交变方式微滤2 og l t i 0 2 悬浮液的影响 5 5 图4 1 l 料液浓度对交变方式微滤过程的影响 5 5 图4 1 2 料液温度对交变方式微滤1 og l t i 0 2 过程的影响 5 6 图4 1 3 料液温度对交变方式微滤2 0g l t i 0 2 过程的影响 5 7 图4 1 4 微滤与超声交变操作方式强化微滤机理图 一5 8 1 0 表格清单 表1 1 超声场中的膜材料及膜结构 8 表2 1 主要实验仪器 1 4 表2 2 主要实验药品 1 5 表2 3 超声场作用下各部分膜阻力大小 2 5 表2 4 超声场对膜面滤饼层质量的影响 2 5 表2 5 超声频率对滤饼层质量的影响 3 1 表2 6 超声功率对滤饼质量的影响 一3 2 表2 7 膜孔径对滤饼层质量的影响 3 3 表3 1 恒压过滤过程中的 r q g 数据 3 8 表3 2 声场作用下颗粒浓度对过滤常数k 值的影响 4 0 表3 3 跨膜压力对恒压过滤方程及常数k 值的影响 4 2 表3 4 超声频率对过滤常数k 值的影响 4 4 表3 5 超声功率对恒压过滤常数k 值的影响 4 6 表4 1 温度对交变方式微滤1 og l t i 0 2 膜通量恢复率的影响 5 6 表4 2 温度对交变方式微滤2 0g l t i 0 2 膜通量恢复率的影响 一5 7 符号说明 彳一陶瓷膜有效过滤面积 m 2 c 介质中的声速 m c r 料液初始浓度 g l c 9 旷 9 0m i n 时料液浓度 g l 留一t i 0 2 料液主体浓度 g l c r t i 0 2 颗粒在膜表面浓度 g l 1 c 一一t i 0 2 颗粒在浓差极化层内的浓 度 g l 1 簟一渗透液中t i 0 2 颗粒的浓度 g l d c 广呵时刻料液浓度 g l 1 d t i 0 2 颗粒的扩散系数 e l 超声波能量 j 驷时刻滤饼去除因子 e 广超声强化因子 厂 声频率 h z 仁超声波声强值 w e m 2 j l 膜渗透通量 l m 2 h 1 如一新膜纯水通量 l m 2 h 力一稳定时刻膜通量的平均值 l m z h 1 一总时间内膜通量曲线积分之和 l m 2 h 1 以 一无超声条件下膜渗透通量 l m 2 h 1 靠一超声辐射后膜通量恢复的平均 值 l m 2 h 1 一超声条件下膜渗透通量 l m 2 h 1 扛t i 0 2 质量传递系数 x 二恒压过滤常数 m 2 s 1 麟d 一无声场下的恒压过滤常数 m 2 s 1 虬一超声场下的恒压过滤常数 m 2 8 l 厨一声强测量仪系数 1 2 朋一单位面积滤饼质量 g m 2 时刻单位面积膜面滤饼质量 g m 2 尬佃甜一超声条件下f 时刻单位膜面积 形成滤饼质量 g m 乏 尥伽 彬一无超声条件下膜面滤饼质 量 g m 五 卜声压值 p a 么尸l 微滤操作压力 p a g 一单位过滤面积的滤液量 v a m 3 m 2 g p 一即单位过滤面积的虚拟滤液量 幽 m 3 m 2 卜滤饼的比阻 m 2 j 卜微滤过程阻力 m d 犬打 一不可逆膜阻力 m 以 胄m 一新膜阻力 m 1 灭朋 一可逆膜阻力 m r 厂微滤总阻力 m 1 卜滤饼压缩性指数 s l 面积 m 2 卜超声作用时间 s 岛一渗透液体积为 时所用时间 h 广微滤过程总时间 m i n 气厂超声辐射时间 s e c 一3 5 下料液黏度 p a s 一3 5 下t i 0 2 颗粒悬浆液的黏度 p a s z w 一3 5 下水的黏度 p a s 卜质点微粒振动速度 m s 0 1 厂 被截留在过滤介质上的滤饼体 积 m 3 滤饼 m 3 滤液 肛声强测量仪输出的电压 v 一渗透液体积 l 户介质密度 k g m 8 一介质质点振动位移的振幅 m 一振动的角频率 o o 2 巧 1 3 乒一边界层厚度 m 卜得到滤液 所需的过滤时间 s 第1 章绪论 膜分离技术是近几十年来迅速发展的新型高效分离技术 具有能耗低 单 级分离效率高 过程简单 不污染环境等优点 已广泛应用于化工 环保 食 品 医药 电子等工业领域 在节能降耗 清洁生产 绿色经济和可持续发展 等方面发挥着重要作用 1 3 但在膜分离过程中 由于浓差极化现象和膜污染的 存在 导致料液中的微粒 胶体粒子或溶质分子在膜表面及膜孔道中沉积 使 膜过滤阻力增大 膜渗透速率下降 严重阻碍了分离过程的进行 成为膜分离 技术规模应用的主要障碍 4 8 为解决这一问题 国内外进行了大量研究 而超 声技术是一种有效且具有潜力的强化方法 已成为近阶段一个研究热点 9 1 1 1 本章简单介绍了微滤分离原理及操作过程 膜污染形成及控制方法 重点 介绍了超声场强化膜分离的研究与应用 同时 分类介绍了超声场强化膜分离 集成装置 超声场中的膜组件以及超声场强化膜分离的过程应用 同时探讨了 超声波对膜结构 膜性能的影响 超声场与其它强化方法集成的研究 1 1 微滤分离原理及操作过程 在所有膜分离过程中微滤技术应用最为广泛 所产生的经济价值也最大 2 3 1 2 微滤膜具有比较整齐 均匀的多空结构 以静压差为推动力 利用膜对被 分离组分尺寸的选择性 将膜孔径能够截留的微粒或大分子溶质截留 而使膜 孔不能截留的粒子或小分子溶质透过膜 使大小不同的组分得以分离 1 1 1 微滤分离原理 一般认为微滤分离机理为筛分原理 由分离膜的物理结构起决定性作用 该理论认为 膜表面具有无数微孔 这些不同孔径的孔眼像筛子一样 截留分 子直径大于膜孔径的溶质或颗粒 从而达到分离的目的 微滤膜的分离机理因 其结构上的差异而不尽相同 大体可分为两大类 膜表面截留 图1 1 与膜 内部网络截留 图1 2 l 1 2 l 引 图1 1 微滤膜表面截留示意图 1 2 1 3 l f i g i 1t h es u r f a c er e t e n t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo ft h em i c r o m e m b r a n e 0 2 1 3 j 微滤膜表面截留包括机械截留 吸附截留及架桥截留 机械截留作用 是 指截留比其微滤膜孔径大或与其孔径相当的微粒 溶质等杂质 即筛分作用 吸附截留作用 是指微粒被膜面通过化学或物理所吸附 架桥作用 在孔的人 口处 微粒因为架桥作用被截留 膜内部网络截留作用 是指将微粒截留在膜内部而不是在膜表面 图1 2 微滤膜内部网格截留示意图 1 2 1 3 f i g 1 2t h ei n t e r n a lg r i dr e j e c t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo ft h em i c r o m e m b r a n e f l 2 1 3 j 由图1 1 图1 2 可知 对于表面截留而言 其过程接近于绝对过滤 容易 清洗 但杂质捕捉量相对于较少 而对于膜内部网格截留而言 其过程接近深 度型过滤 杂质捕捉量较多 但不易清洗 1 1 2 微滤操作过程 1 1 2 1 死端微滤理论 如图1 3 所示 在压差推动下 溶剂和小于膜孔的颗粒或溶质透过膜 而 大于膜孔的颗粒或溶质则被膜截留 该压差可以通过在料液侧加压或在渗透液 侧抽真空来实现 1 4 们 在死端微滤操作中 随着过滤的进行 被截留颗粒或溶 质在膜表面形成的污染层将不断增厚和压实 过滤阻力不断增加 膜渗透速率 随过滤时间延长而逐渐下降 p e r m e a t e 图1 3 死端微滤操作模式 1 4 1 6 l f i g 1 3t h ed e a d e n do p e r a t i o nm o d eo fm i c r o f i l t r a t i o n 1 4 1 6 1 2 1 1 2 2 错流微滤理论 如图1 4 所示 原料液以切线方向流过膜表面 在压力作用下 料液中的 颗粒被膜截留在膜表面而形成一层污染层 1 7 1 引 与死端操作不同的是 料液流 经膜表面所产生的高剪切力使沉积在膜表面的颗粒通过扩散返回主流体 从而 被带出微滤组件 当过滤导致的颗粒在膜表面的沉积速度与流体流经膜表面时 由速度梯度产生的剪切力而引起的颗粒返回主流体的速度达到平衡时 污染层 将不会无限增厚而保持在一个较薄的稳定水平 fffl1m 一一一一一一一一一一一一一一一一一f 二 图8 8 8 田船朗圈踣田田田圈图嘲8 8 f e 二 掣 善o o 一0 盼 二 棚 o o o o oo8 o o o ooo 譬o 一 o 图图明踞篦田嚼昭强疆鹞圈鳓 iiiii m 硼6 一 图1 4 错流微滤操作模式示意图1 1 7 1 8 f i g 1 4t h ec r o s s f l o wo p e r a t i o nm o d eo fm i c r o f i i t r a t i o n 1 7 1 8 1 1 2 膜污染形成及其减轻方法 在膜分离过程中 膜渗透速率随着时间的延长而衰减 导致膜分离效率降 低 造成渗透速率衰减的原因有多种 一般认为浓差极化和膜污染是导致膜通 量下降的主要原因 4 7 1 力 脚 浓差极化阻力 图1 5 压力推动膜过程中各种阻力示意图1 1 9 f i g 1 5v a r i o u sr e s i s t a n c ed i a g r a m si np r e s s u r e d r i v e nm e m b r a n ep r o c e s s 1 9 1 浓差极化 r 印 是指由膜表面局部浓度增加而引起边界层流体阻力增加 导致传质推动力下降的现象 膜污染是指料液中的微粒 胶体粒子或溶质大分 子由于与分离膜存在物理 化学的相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜 3 孔内吸附 r 口 沉积造成膜孔径变小或堵塞 r p 膜渗透速率下降的现象 凝胶层阻力 r 2 是由于浓差极化使膜表面的溶质浓度大于其饱和溶解度 从 而在膜表面吸附沉积 这些阻力如图1 5 所示i l 引 浓差极化与膜污染都能够引起膜分离性能的变化 常使分离过程产生负面 影响 1 2 j 1 膜渗透通量降低 使单位面积膜处理能力下降 2 膜通量的增 加 将使基建费用和操作费用增加 3 增加额外的膜清洗费用 4 苛刻和 频繁的酸碱等化学清洗会损伤膜材料 因此 解决膜分离过程中的浓差极化和 膜污染问题 对提高过程的经济可行性和促进膜分离技术的广泛应用具有重大 意义 抑制膜分离过程中的浓差极化和膜污染方法主要有1 2 0 别j 原料液预处理 1 2 2 2 5 膜面修饰 2 6 2 7 1 非稳定流动 2 8 3 0 1 反冲技术 3 1 3 5 1 旋转横流强化 3 6 1 振动剪切 2 9 3 7 3 引 电场 1 磁场 4 0 4 超声场 1 0 4 2 4 5 等技术 超声是一种有 效且具有潜力的强化传质方法 超声波所产生的高频机械振动 声冲流 声空 化不但能促进膜分离过程中的传质过程 而且能有效地清洗被污染的膜面 使 浓差极化和膜污染得到控制 一定程度上提高了膜渗透速率 1 3 超声场强化膜分离过程的研究与应用 1 3 1 超声场强化膜分离作用机制 超声场强化膜分离作用机制比较复杂 一般认为超声引起膜面的高频振动 超声空化 声冲流以及热效应是主要机理 4 6 4 9 e 当超声波在液体中传播时 超声波与液体的作用会产生非热效应 表现为 液体激烈而快速的机械运动与空化现象 空化是指液体中微小空化泡 真空泡 或含气体和蒸汽的气泡 在超声波作用下的振荡 生长 收缩直至崩溃的一系 列过程 空化泡崩溃时 形成一个局部过热点 在极短时间内 在泡内产生5 0 0 0 k 的高温和5 0m p a 的高压 并伴随强烈的冲击波和速度达1 1 0m s 左右的微 射流 5 0 1 超声波的这种空化作用给媒介带来巨大的机械效应 热效应及化学效 应 而在超声波辐射下的膜分离过程中 m u t h u k u m a r a n 等1 5 1 1 认为有四种强化 机制 首先 当超声通过有悬浮粒子的流体媒介时 悬浮粒子开始与媒介一起 振动 但由于大小不同的粒子具有不同的相对振动速度 粒子将会相互碰撞 粘合 导致体积和质量都变大 继而由于粒子变大不能跟随声振运动 而是作 无规则运动 继续碰撞 粘合 最后沉降下来 减弱了膜面溶质的吸附和膜孔 的堵塞 从而抑制膜污染 其次 超声波可提供足够的机械振动能 保持部分 颗粒悬浮在溶液中而远离膜面 避免了颗粒的沉积 有效地减缓浓差极化现象 及滤饼层的形成 第三 超声产生的微喷射可破碎膜面已经形成的凝胶层和滤 饼层 使之分散于料液中 最后 微射流 冲击波和声冲流等引起流体宏观湍 动 使湍流主体扩散加强 同时也造成了边界层内的局部湍动 使边界层中的 4 分子扩散转变为涡流扩散 从而加强了物质与界面间的对流传质 1 3 2 超声场强化膜分离集成装置 超声场强化膜分离集成装置中的超声场产生形式主要有清洗槽式超声场 变幅杆式超声场 振板式超声场 混频超声场及其它形式声场 1 3 2 1 清洗槽式超声场强化膜分离集成装置 超声清洗槽是将超声换能器粘接或布阵 浸没式换能器 在不锈钢清洗槽 圆形 方形或多边形 的底部 如图1 6 所示 在平底式超声波清洗槽中 粘接在槽底的换能器向槽内液体辐射声波 其方向沿槽底向液面传播 在液面 与空气的交界处形成反射声波 并沿液面向槽底传播 在清洗槽中就形成频率 相同 传播方向相反的两列声波 超声清洗槽是功率超声最主要的应用之一 5 2 5 3 选择合理的声参数 频率 声强等 就能在液体内部形成高强度的超声场 以实现强化膜分离目的 4 5 5 1 5 引 p e r m e a t e t r a n s d u c e r s 图1 6 清洗槽式声场强化膜分离集成装置1 4 5 5 1 5 1 f i g 1 6t h ei n t e g r a t e dd e v i c e so fu l t r a s o n i cc l e a n i n gt a n kw i t hm e m b r a n em o d u l e 4 5 5 1 5 4 l 1 3 2 2 变幅杆式超声场强化膜分离集成装置 超声变幅杆是超声振动系统中一个重要的组成部分 它将机械振动的质点 位移或速度放大 即将超声能量集中在较小的面积上 起到聚能作用 由于该 类设备结构简单 且能得到较高的声强而被广泛应用于声化学的研究中 应用 于膜分离过程中的变幅杆式超声场装置 如图1 7 所示 从图1 7 a 中 超声波辐射可以覆盖整个膜面 1 1 4 7 5 5 1 很好地抑制了 浓差极化现象和去除膜面污染层 通过调节变幅杆与膜面间的距离 可以减轻 超声波辐射对膜面的损坏 从图1 7 b 中 将变幅杆置于圆柱形膜管内 5 6 5 8 从而导致超声能量无法集中在膜表面上 造成部分能量的浪费 从图1 7 c 中 超声变幅杆置于膜组件外部 5 9 1 过程中超声波要穿透膜组件外壁 才能辐 射到膜面 在传输过程中将造成声强的衰减 以上分析可知图1 7 a 是一种 较为合理的变幅杆超声场强化膜分离装置 5 abc 图1 7 变幅杆式声场强化膜分离集成装置 5 5 5 9 j f i g 1 7t h ei n t e g r a t e dd e v i c e so f u l t r a s o n i cp r o b es y s t e mw i t hm e m b r a n em o d u l e 5 5 5 9 1 3 2 3 振板式超声场强化膜分离集成装置 振板式超声场是由密闭式振动板和超声波发生器两部分组成 振板腔内装 有若干个超声波换能器 超声波换能器外接超声波发生器 见图1 8 振板式 超声场主要特点是布置灵活 通过改变振动板与膜组件间的相对位置 来获得 不同方向 不同强度的超声场 泓6 3 1 图1 8 振板式超声场强化膜分离集成装置 6 0 6 3 1 f i g 1 8t h ei n t e g r a t e dd e v i c e so fu l t r a s o n i cp l a t es y s t e mw i t hm e m b r a n em o d u l e 6 0 6 3 1 1 3 2 4 混频超声场强化膜分离集成装置 清洗槽式超声波经液面反射后在清洗槽中易形成驻波 使处于波谷处的膜 组件得不到超声场的作用 而处于波腹处的组件有可能被空化作用腐蚀 使超 声能量得不到充分合理利用 6 4 1 如何最大程度减少或消除驻波 以形成均匀 稳定的声场是提高超声场利用率的关键 根据文献 5 2 6 5 1 设想了两种解决方法 如图