旋转切向流对一体式膜过滤器中膜过滤性能影响的研究-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘　要:以改善一体式膜过滤器中膜过滤性能为目的,将搅拌引入膜过滤系统,设计新型的旋转切向流强化膜过滤.考察搅拌器的类型以及操作参数(搅拌速度、叶轮直径、膜管与搅拌轴之间的距离)对膜通量的影响,并比较旋转切向流膜过滤与错流膜过滤的能耗,为一体式膜过滤器的应用提供基础数据.
关键词:一体式膜过滤器;陶瓷膜;旋转切向流;错流
中图分类号: TQ028.8　　文献标识码: A
膜技术作为新的分离净化和浓缩技术,已作为一种单元操作日益受到人们的重视.影响膜分离在工业生产中大量应用的主要原因之一是膜的污染问题.膜污染会导致膜通量的下降,增大膜的需用面积、缩短膜的使用寿命,所以深入了解膜污染产生的各种原因,研究防止膜污染的理论及提高膜通量和寿命的方法就显得十分重要.
在消除膜污染、提高膜通量方面,人们已进行了大量的研究并已取得许多成果[1],如:原料液预处理;膜表面改性;错流过滤方式代替终端过滤方式;切向进料而形成的旋转流过滤[2];增加流体流动不稳定性;反冲;外加电场或超声场等.这些研究成果从不同角度为强化过滤过程提供了一定的有效手段,但有些方法会带来相应的负效应,如内置的湍流促进器会增大流体流动阻力,从而增加分离过程能耗;高速旋转构件与动密封会使膜器结构复杂化.本研究将陶瓷膜管直接插入到搅拌槽中,组成一体式膜过滤器,考察搅拌引起的旋转切向流对膜过滤性能的影响,为一体式膜过滤器的应用提供基础数据.
1　实验部分
1.1　实验材料
采用平均孔径为5μm的α-Al2O3管式陶瓷膜.膜管有效长度为5 cm,外径为12 mm.实验料液由平均粒径为64 nm(Mastersizer 2000检测,粒径分布见图1)的Al2O3颗粒分散在去离子水中制备而得.

1.2　实验装置与方法
实验装置如图2所示.整个实验装置主要由料液槽、搅拌系统、膜管、量筒和抽吸系统5部分组成.本实验采用负压抽吸进行膜过滤.膜通量采用秒表、量筒测定一定滤液体积所用时间计算而得.待测完膜的纯水通量后,将一定质量的Al2O3粉体快速加到一定体积的搅拌的去离子水中并立刻测定膜的通量.本实验中,悬浮液中的细小颗粒主要靠膜表面上形成的滤饼层截留.在过滤过程中,不定期的向装有悬浮液的容器中加去离子水,以保证悬浮液的固含量基本保持不变.过滤结束后,先用清水冲洗膜表面,然后再将膜管放在超声场中清洗.测定清洗过的膜的纯水通量,并与新膜的纯水通量相比较,以确定膜的污染情况及清洗效果.基本过滤条件为:悬浮液浓度5 g/L;悬浮液温度20℃.

2　结果与讨论
2.1　操作参数对膜通量的影响
悬浮液在机械搅拌的作用下,在容器中以搅拌轴为中心按一定方向作旋转流动.当膜管浸没在悬浮液中时,在膜的表面会产生旋转切线流.这样在膜过滤中,沉积在膜面的固体颗粒就可以及时地被旋转的流体带走,从而有效地减少滤饼层的厚度,减少颗粒堵孔的机会,提高膜的通量.悬浮液在膜管附近的流动很复杂,既有叶轮搅拌引起的旋转切向流,也有膜管自身作为障碍物引起的绕流及透过膜管的渗透流,同时流体流动还受到容器壁上边界层的影响.因此,确切描述膜管附近的流场比较困难.本文主要对膜管附近的切向流进行研究.
实验中发现,叶轮的搅拌会产生打漩现象.这主要是因为叶轮旋转所产生的切向流较强,离心力作用于液体所产生的.这种打漩现象实质为复合涡流,由自由涡和强制涡组成[3],如图3所示.各种不同类型的搅拌器,如图4所示.在图3中,rc为强迫涡区半径,搅拌轴到rc之间为强制涡,rc到容器壁之间为自由涡.旋转流以搅拌轴为中心,其为涡核属强制涡,涡核之外为自由涡.这种复合涡的速度沿径向是变化的,其切向流速分布可表示为:


据式(1)、(6)可知,膜管处的旋转切向线速度与搅拌速度、叶轮直径、膜管与搅拌轴之间的距离有关.据此,本文主要考察搅拌速度、叶轮直径、膜管与拌轴之间的距离等因素对膜渗透通量的影响.
2.1.1　搅拌器的选择
本实验主要考察桨式、弯叶涡轮、折叶涡轮、锚式等几种搅拌器对膜通量的影响.图4为这几种搅拌器的实物照片图.5种搅拌器的叶轮直径与槽内径之比都为0.35.图5显示了使用这5种不同搅拌器时膜通量随过滤时间的变化.从图5可见,除了锚式搅拌器对应的膜通量比较低外,其它几种类型搅拌器对应的膜通量差别不是很明显,其中桨式(8枚叶片)搅拌器对应的膜通量稍高.锚式搅拌器通常适用于高黏度液体的搅拌,在层流或过渡流状态下操作,因而对于本实验锚式搅拌器不是一种适宜的搅拌器.其它几种类型搅拌器对应的膜通量基本一样,主要可能是因为它们在膜面附近引起的切向流速度差别不明显.此外,同其它几种搅拌器相比较,2枚叶片的桨式搅拌器制造比较简单.所以,选用2枚叶片的桨式搅拌器用于以下的膜过滤实验.

2.1.2　搅拌速度的影响
图6显示了搅拌速度对膜通量的影响.可以看出,不同搅拌速度下的膜通量随时间衰减趋势基本相同,都是刚开始衰减得很快,随着过滤时间的延长渐渐趋于稳定.膜通量开始阶段的迅速下降可能是因为颗粒在渗透曳力的作用下迅速吸附到膜的表面上以及一些细小的颗粒吸附到膜孔口内,随着颗粒不断吸附到膜面上,滤饼层阻力逐渐增大,膜通量也相应减少,当颗粒沉积到膜面上的速度与颗粒被流体带走的速度达到一个动态平衡时,膜的通量也到达一个准稳定状态.另外,从图6也可以看出,在实验范围内,随着搅拌速度的增大,膜通量显著增加,这主要是因为随着搅拌速度的增加,膜面处的旋转切向流速度也相应增加,见式(1)、(6),从而导致膜表面的颗粒更容易被冲走,使得滤饼层的厚度变薄,膜通量增加.

2.1.3　叶轮直径的影响
图7显示了搅拌器的叶轮直径对膜通量的影响.可以看出,随着叶轮直径的增加,膜通量也相应增加,如叶轮直径从4.6 cm增加到10 cm时,膜通量增加了2.55倍.这主要是因为随着叶轮直径的增加,膜面处的旋转切向流速度也相应增加.

2.1.4　膜与搅拌轴之间的距离r的影响
固定搅拌轴在料液槽的中心,改变膜与搅拌轴之间距离r的值,考察膜的过滤性能,实验结果如图8所示.
由图8可知,在本实验范围内,随着膜与搅拌轴之间的距离r值的减小,膜通量逐渐增加.根据本实验的操作条件:叶轮直径7 cm、搅拌速度406 r/min可知,雷诺数Re为25 774(悬浮液密度ρ=0·995 mg/L,悬浮液黏度μ=1.28×10-3Pa·s),强迫涡区半径rc约等于2.45 cm.因此,在本实验所考察的r值条件下,膜管都处于自由涡区,所以根据公式(6)可知,在搅拌速度、叶轮直径一定时,随着r值的减小,膜面处的旋转切向流速度逐渐增加,从而使膜表面沉积的颗粒更容易被冲走,滤饼阻力减小,膜通量增加.

2.2　能耗评估
由图1可知,旋转切向流膜过滤中,能耗主要由两部分构成:叶轮搅拌作功和真空泵抽吸所作的功.在无挡板槽内,二叶桨式的搅拌功率,可用永田公式计算[3].负压抽吸提供过滤分离的推动力,真空泵所作的功可参照文献[4]计算.根据文献[3,4]计算旋转切向流膜过滤过程的能耗,并参照文献[5]评估错流膜过滤过程的能耗,结果见表1.由表1可以看出,旋转切向流膜过滤过程能耗要远远低于错流膜过滤过程能耗.

3　结论
1)对于本实验,2枚叶片的桨式搅拌器比较适宜.
2)膜通量随着搅拌速度的增加而升高;增加叶轮直径有利于膜通量的提高;膜管越接近强制涡与自由涡的交界处,膜通量越高.
3)旋转切向流膜过滤能耗低于错流膜过滤能耗.

上海联兵环保科技有限公司
地址：上海市松江区工业区茸北分区茸阳路69号
总机：021-51691929
传真：021-57784244
免费电话：400-600-5030
技术支持：13641659499
E-mail：zhanglianbing@126.com
http://www.shlbhb.com