弹状流对陶瓷膜超滤葡聚糖水溶液的影响

书书书　第６０卷　第１１期　　化　工　学　报　　　　　　　Ｖｏｌ．６０　Ｎｏ．１１　２００９年１１月　　ＣＩＥＳＣ　Ｊｏｕｒｎａｌ　　　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　２００９檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文弹状流对陶瓷膜超滤葡聚糖水溶液的影响张　峰，景文珩，邢卫红（南京工业大学膜科学技术研究所，材料化学工程国家重点实验室，江苏南京２１０００９）摘要：为降低膜污染和浓差极化需维持较高膜面流速，能耗较高。将气升式外循环引入膜过程，可有效降低浓差极化和能耗。实验考察了曝气量对渗透通量的影响，当曝气量为４００Ｌ·ｈ－１时，与相同液速条件下单相流错流过滤相比较，膜通量提升８７％；进一步增大曝气量，膜通量增加趋势变缓。对气升式膜过滤过程的水力学特性进行了研究，在弹状流条件下，气液两相流可有效提高膜面剪切力，增强膜面传质。在较低流速下，曝气可有效降低膜污染阻力，提高膜通量。结合气液两相流理论和膜过滤阻力模型，分析了弹状流提升膜通量的机理。关键词：气升；超滤；陶瓷膜；浓差极化；葡聚糖中图分类号：ＴＱ０５２　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００９）１１－２７９２－０６犈犳犳犲犮狋狅犳狊犾狌犵犳犾狅狑狅狀犱犲狓狋狉犪狀狌犾狋狉犪犳犻犾狋狉犪狋犻狅狀犻狀犮犲狉犪犿犻犮犿犲犿犫狉犪狀犲狆狉狅犮犲狊狊犣犎犃犖犌犉犲狀犵，犑犐犖犌犠犲狀犺犲狀犵，犡犐犖犌犠犲犻犺狅狀犵（犕犲犿犫狉犪狀犲犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犚犲狊犲犪狉犮犺犆犲狀狋犲狉，犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犕犪狋犲狉犻犪犾狊犗狉犻犲狀狋犲犱犆犺犲犿犻犮犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犖犪狀犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犖犪狀犼犻狀犵２１０００９，犑犻犪狀犵狊狌，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｃｅｒａｍｉｃｍｅｍｂｒａｎｅｐｒｏｃｅｓｓｈａｓｂｅｅｎｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄｗｉｔｈａｐｒｏｂｌｅｍｏｆｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｉｎｇｏｗｉｎｇｔｏｔｈａｔｈｉｇｈｃｒｏｓｓｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓａｒｅｎｅｃｅｓｓａｒｙｆｏｒｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌ．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ，ｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｌｏｏｐａｉｒｌｉｆｔｒｅａｃｔｏｒｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｉｒｓｐａｒｇｉｎｇｉｎｄｅｘｔｒａｎｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｃｅｒａｍｉｃｍｅｍｂｒａｎｅｐｒｏｃｅｓｓｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇａｓｆｌｏｗｒａｔｅｓ（犙Ｇ）．８７％ｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｐｅｒｍｅａｔｉｏｎｆｌｕｘｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｗｈｉｌｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇ２ｇ·Ｌ－１ｄｅｘｔｒａｎ（２×１０６）ｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅａｉｒｌｉｆｔｃｒｏｓｓｆｌｏｗｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆ犙Ｇ＝４００Ｌ·ｈ－１．Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｈｅｇａｓｌｉｑｕｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗｗａｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄａｎｄｔｈｅｆｌｕｘｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｎｔｈｅｃａｓｅｏｆｓｌｕｇｆｌｏｗｉｎｔｕｂｕｌａｒｃｅｒａｍｉｃｍｅｍｂｒａｎｅｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ａｉｒｌｉｆｔ；ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ；ｃｅｒａｍｉｃｍｅｍｂｒａｎｅ；ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｄｅｘｔｒａｎ　　２００９－０４－０１收到初稿，２００９－０８－１４收到修改稿。联系人：邢卫红。第一作者：张峰（１９８１－），男，博士研究生。基金项目：国家自然科学基金重点项目（２０６３６０２０）；国家重点基础研究发展计划项目（２００９ＣＢ６２３４０３）；国家高技术研究发展计划项目（２００６ＡＡ０３Ｚ５３４）；中国博士后科学基金项目（２００６０４００９２７）；江苏省博士后科研资助计划项目（０６０１０２３Ｂ）。　引　言膜分离过程由于浓差极化和膜污染等问题的存在，渗透通量随运行时间的延长而下降，阻碍了其更大规模的工业应用［１３］。为控制浓差极化和膜污染，操作过程中需消耗大量的能耗维持较高的膜面流速。此外，频繁的化学清洗也使过程成本过高。　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００９－０４－０１．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＸＩＮＧＷｅｉｈｏｎｇ，[e-mail]犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅｋｅｙｐｒｏｇｒａｍｏｆＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（２０６３６０２０），ｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（２００９ＣＢ６２３４０３），ｔｈｅＨｉｇｈｔｅｃｈＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（２００６ＡＡ０３Ｚ５３４）．　在过滤过程中引入曝气是一种高效、简单、低能耗的技术，可有效降低膜污染和浓差极化［４６］。曝气可以增加液体流速，又可以在膜面形成弹状流，提高膜表面的湍动程度，抑制浓度边界层的形成，提高膜通量。在弹状流条件下，管道内的气液两相流由连续的气弹、尾涡以及稳态区组成，气弹和尾涡区域膜表面湍动程度较强，能有效降低浓差极化。Ｍｅｒｃｉｅｒ等［７］在采用管状膜过滤生物悬浮物的过程中引入曝气，通量也获得了较大的提升。Ｃｕｉ等［８］的研究表明，在葡聚糖的超滤实验中，气液两相流的引入使得膜通量提升了９１％。Ｃａｂａｓｓｕｄ等［９］在过滤黏土悬浮物的实验中发现，气液两相流可以有效减弱黏土颗粒在膜表面的沉降，提升膜通量。然而，目前的研究大多是采用曝气强化错流过滤，这一过程仍使用循环泵保持高表面流速。本文将气升式外循环引入膜过程，利用气升效果推动液体流经膜表面，替代循环泵，降低过程能耗。实验考察了曝气量对渗透通量和葡聚糖截留率的影响；对气升式膜过程的水力学特性进行研究，结合气液两相流理论和膜过滤阻力模型，分析了弹状流提升膜通量的机理，本研究结果将为气升式陶瓷膜过程提供设计依据。１　模型基础１１　剪切力计算模型膜面剪切力采用式（１）计算［１０］τ＝１８犳ＬρＬ犝２（１）犳Ｌ＝６４犚犲　　（层流）（２）犳Ｌ＝０．３１６４犚犲０．２５　　（湍流）（３）１２　传质系数计算方程根据传质系数的定义式（４），其大小主要和Ｓｈｅｒｗｏｏｄ数、扩散系数和水力学直径有关犽＝犛犺犱ｈ犇（４）流体流动形态不同，用于Ｓｈｅｒｗｏｏｄ数计算的经验公式也有较大差异。在湍流条件下犛犺＝０．０２３犚犲０．８犛犮０．３３（５）则犽＝０．０２３犝０．８犇０．６７犱ｈ－０．２ν－０．４７（６）层流条件下［１１］犛犺＝１．６２犚犲０．３３犛犮０．３３犱ｈ（）犔０．３３（７）则犽＝１．６２犝０．３３犇０．６７犱ｈ－０．３３犔－０．３３（８）１３　膜过滤阻力模型葡聚糖水溶液错流流经膜管时，在跨膜压差的驱动下渗透通过膜管壁流出。过滤阻力可根据膜过滤模型按式（９）计算犑＝Δ犘μ（犚ｍ＋犚ｆ）（９）犚ｍ＝Δ犘μ１犑１（１０）式中　μ１为纯水黏度，犑１为纯水通量。通过膜过滤葡聚糖水溶液实验可获得稳定通量犑，由式（９）求解犚ｆ。２　实验部分２１　实验材料实验用膜为江苏久吾高科技股份有限公司制备的氧化锆膜，膜管长为５００ｍｍ，外径３０ｍｍ，通道内径４ｍｍ，通道数为１９，膜面积为０．１ｍ２，膜孔径５０ｎｍ。２２　实验装置及运行方式实验所采用的气升式膜过滤装置见图１，整个实验装置由有机玻璃加工而成。装置体积６Ｌ，加入料液体积４Ｌ，上升区与降液区的截面积比为３∶１０。在单相流操作过程中，关闭阀１，打开阀２，采用泵４带动液体循环；在气液两相流操作过程中，打开阀１，关闭阀２，利用气升效果带动液体循环。采用水循环式真空泵８抽负压，渗出液从膜组件５渗出，采用量筒７测量渗透液体积。与此同时，相同体积的料液通过进料１加入到降液罐２中，以维持罐中溶液总体积不变。在两相流操作过程中，气体经曝气头９，进入膜管下端，产生气液两相流。气体流量计１０用于控制气体流量。２３　膜通道内的气液两相流采用１９根内径为４ｍｍ的玻璃管组合在一起替代多通道陶瓷膜管，采用高速数码相机拍摄不同气速条件下气液两相流的照片，获得相应的弹状流的气弹长度以及液弹长度。２４　分析方法膜过滤原料液、渗透液和截留液中的葡聚糖（相对分子质量２×１０６）浓度采用日本岛津生产的ＴＯＣＶＣＰＨ分析仪测定。·３９７２·　第１１期　　张峰等：弹状流对陶瓷膜超滤葡聚糖水溶液的影响图１　实验装置流程Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐ１—ｆｅｅｄ；２—ｆｅｅｄｔａｎｋ；３—ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ；４—ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ；５—ｍｅｍｂｒａｎｅｍｏｄｕｌｅ；６—ｐｒｅｓｓｕｒｅｇａｕｇｅ；７—ｇｒａｄｕａｔｅｄｆｌａｓｋ；８—ｖａｃｕｕｍｐｕｍｐ；９—ｇａｓｓｐａｒｇｅｒ；１０—ｇａｓｆｌｏｗｍｅｔｅｒ；１１—ｇａｓｂｕｆｆｅｒｖｅｓｓｅｌ；１２—ａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；Ｖ１～Ｖ４—ｖａｌｖｅｓ　膜对葡聚糖的截留率采用式（１１）计算犚＝１－犆Ｐ犆Ｆ（１１）３　实验结果与讨论３１　曝气量对膜通量的影响实验考察了曝气量犙Ｇ对葡聚糖渗透通量的影响，实验中曝气量为０即采用的是单相流过程，打开循环泵４控制液体循环流速。由图２可知，随着曝气量的增加，膜的稳定渗透通量逐渐增大。当曝气量大于４００Ｌ·ｈ－１时，进一步增大气速，膜通量增加趋势变缓，与相同液速条件下单相流错流过滤相比较，膜通量提升８７％。葡聚糖对膜的污染主要是由膜表面的浓差极化以及膜孔堵塞引起，曝气只能消除浓差极化，不能消除孔堵塞。图２　曝气量对膜通量的影响Ｆｉｇ．２　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｇａｓｆｌｏｗｒａｔｅｏｎｐｅｒｍｅａｔｅｆｌｕｘ（ＴＭＰ＝０．０４ＭＰａ，犆＝２ｇ·Ｌ－１）３２　气液两相流与单相流对截留率的影响图３给出了孔径为５０ｎｍ的陶瓷膜对葡聚糖的截留率随时间的变化。由图可知，气液两相流过程对葡聚糖的截留率均高于单相流过程。单相流条件下陶瓷膜对葡聚糖的截留率为９４％，而在气液两相流条件下为９６％。气液两相流的引入可有效增强膜面的湍动程度，减弱膜表面浓差极化，降低了葡聚糖透过膜孔的概率。图３　气液两相流对截留率的影响Ｆｉｇ．３　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｇａｓｌｉｑｕｉｄｆｌｏｗｒａｔｅｏｎｒｅｊｅｃｔｉｏｎ（ＴＭＰ＝０．０４ＭＰａ，犆＝２ｇ·Ｌ－１）　３３　气液两相流强化膜通量机理分析３．３．１　膜通道内气液两相流　通过可视玻璃管发现，在实验研究的曝气量范围内，膜管内流型为弹状流。在弹状流条件下，膜通道内的气液两相流由连续的气弹和液弹组成，液弹区域又分为尾涡区和稳态区。气泡的上升速度采用式（１２）、式（１３）计算［１２］犝Ｂ＝１．２犝Ｇ＋０．３５犵犱槡ｔ（１２）犝Ｇ＝犙Ｇ犃ｍ（１３）　　计算结果见表１，由表可知，曝气量增加，气泡上升速度、液膜速度以及气弹长度随之增加，液弹长度随之减小。表１　气速对弹状流水力学参数的影响犜犪犫犾犲１　犈犳犳犲犮狋狅犳犵犪狊犳犾狅狑狉犪狋犲狅狀犺狔犱狉狅犱狔狀犪犿犻犮狊犙Ｇ／Ｌ·ｈ－１犝Ｂ／ｍ·ｓ－１犔Ｇ×１０３／ｍ犔Ｌ×１０３／ｍ１０００．２１１１．８１６．３２０００．３５１５．５１３．７３０００．４９１９．１１２．５４０００．６３２２．５１１．２５０００．７７２３．６１０．４·４９７２·化　工　学　报　　第６０卷　３．３．２　尾涡区域　尾涡的长度以及气弹尾端液膜的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数可采用式（１４）、式（１５）计算［１３］犔ｗ犱ｔ＝０．３＋１．４×１０－２犚犲δ（１４）犚犲δ＝（犝Ｂ－犝Ｇ）犱ｔ４ν（１５）表２　曝气量对尾涡的影响犜犪犫犾犲２　犈犳犳犲犮狋狅犳犵犪狊犳犾狅狑狉犪狋犲狅狀狑犪犽犲犳犾狅狑狉犲犵犻狅狀犙Ｇ／Ｌ·ｈ－１犔ｗ×１０３／ｍ犚犲δ１００５．５７７２００６．６９７３００７．７１