强化十字流微滤研究进展及评述.docx

强化十字流微滤研究进展及评述方为茂陈文梅摘要膜污染是阻碍十字流微滤广泛应用的关键难题,在认识理解过滤速率下降和颗粒迁移沉积的基础上,本文介绍了近年来国内外在强化十字流微滤方面的研究状况和成果。关键词膜污染、十字流微滤、强化过滤、进展1引言在十字流动态过滤中,无论何种膜器结构核心都是通过膜面上的剪切流产生的剪切力,减少固相颗粒在膜面上沉积形成滤饼或去除已滞留在膜面上的沉积颗粒。膜污染的程度与剪切流速度和过滤压力之间的关系表明,仅靠提高剪切流速度和过滤压力实现高速稳定过滤均有一定的范围,许多研究都已证明了这一点。而且,复杂的颗粒选择沉积机理,有时会出现相反的结果。因此,有些研究转向不是通过依靠单纯增大过滤压力和剪切流速率,而是采用其它方法来提高过滤通量、延长稳定过滤周期。例如Rouben等人【1】对聚砜和聚乙烯膜,用甲基丙烯酸磷脂作覆盖层制成了生物工程中抗蛋白污染的微滤膜,通过膜材改性来减轻或防止胶体或微粒在膜面上的吸附,在提高血清发酵培养液、啤酒和果汁的过滤中,减轻膜污染的效果显著。本文重点是在流体流动和固相颗粒的迁移机理的基础上,来讨论与流体流动和颗粒迁移运动有关的强化微滤的方法和特点。2外加电场力强化微滤在十字流微滤中,所处理的悬浮液中的胶体或固相颗粒一般大都具有高表面电性,高稳定性和高比表面性。由于动电或吸附等表面效应而使胶体或颗粒在膜面或膜孔内吸附或沉积,造成了膜面和膜孔污染。若通过外加电场使带电荷的微粒受到与过滤曳力方向相反的电场力作用,引起带电粒子向远离膜面方向迁移,而阻止其向膜面上迁移沉积,这种利用外加电场力的分离方法也称为“十字流电场过滤”(Crossflowelectro-filtration)【2】目前电场作用下的十字流膜滤的研究主要在矩形流道的平板膜和管式膜中进行。赵宗艾和钟富优【3】对电场作用下的十字流膜滤研究作了综述,重点评述了电场力作用下的各种理论模型,其中Heng理论模型是在传统过滤的Ruth关系中引入电场力的作用项。在电场力作用下使粒子电泳迁移与过滤压力作用下粒子向膜面迁移相抗衡,以所需的临界电场强度Ec,作为施加电场强度的理论依据。强化过滤的特点主要是流体中的带电粒子受到电场力作用远大于重力的作用。图1为Visuanathan【2】应用电场力作用减轻十字流微滤膜污染提高过滤速率的实验结果,在不同的过滤压力和剪切流速度下,无电场力作用时,提高过滤压力对提高过滤速率的影响较小;而施加电场力后,压力增加过滤速率反而有所下降,说明有电场力作用时,在同样剪切流条件下,膜面的过滤压力不需过高,否则反而不利于发挥电场力使颗粒反向电泳的作用。与高剪切十字流过滤相比较,可以提高过作者:方为茂,副教授,现为四川联合大学化工系博士后,地址:成都市一环路南一段24号,邮编:610065。收稿日期:1998—03—20。《过滤与分离》1998年第2期·31·3增加流体流动不稳定性强化过滤Belfort等人【5】认为因为微滤除形成膜面附近的浓差极化层外,极易在膜面上形成颗粒滤饼层,膜材与固相颗粒之间的相互作用的电性力和分子力对过滤的影响不及流体流动中的水动力学作用力对过滤的影响,因此强化微滤的重点应放在流体力学方面。这方面的研究工作近年来十分活跃,采用增加流动不稳定性强化过滤的方式大体上有以下四种:(1)在膜面上设置凸起物。形成粗糙的表面(图2a);(2)利用流道截面变化,促进流体流动扰动或反混(图2b);(3)在流道内放置激湍物,增加流动的湍动(图2c);(4)利用进料形成脉动流动等。滤速率一二个数量级。当然,这是以消耗电能为代价的。因此需要对电场作用下的十字流膜滤的经济性作综合权衡。Wakeman【4】实验指出设计合理的膜组件和附加电场方式,达到相同的过滤效果,其能耗可为一般十字流膜滤的1?6。图1电场力作用对过滤速率的影响(a)膜面上设置凸起物(b)流道截面变化图2利用流动不稳定强化微滤的方法(c)流道内放置激湍物VanderWaal和Raze等人【7】用上述第一种方法在平板膜流道的膜面上和流道另一侧分别设置激湍凸出物,比较了不同条件下的强化效果,图3为实验结果,在流道内设置了激湍凸出物要比光滑流道有较高的过滤速率,并且设置在膜面一侧要比设置在光滑壁两侧的效果更好。从实验结果看,凸出物不同高度改善过滤速率的区别不是很明显。但是从该结构看出,由于剪切流在膜面及附近的流动和传质边界层内的速度非常低,颗粒一旦进入该区域沉积下来后,不易再被剪切图3膜面设置凸出物强化过滤的效果流迁移带走;其次是沿流道的阻力明显增加,并·32·《过滤与分离》1998年第2期4改进反向冲洗方法强化过滤与传统过滤方式比较,十字流动态过滤虽然不会达到过滤速率会下降到零的状态。但是过滤速率随过滤时间的增加往往是一准稳定过程,达一定过滤时间时过滤速率可能