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临界通量概念新进展:非稳态下的评价方法探究膜污染
中国科学院过程工程研究所生物膜分离技术与应用课题组 罗建泉 / 时间:2019-05-31 08:26:26

  据膜科学与工程微信公众平台2019年5月30日讯 临界通量概念是1995年由牛津大学菲尔德(Field)教授提出,认为膜通量不随运行时间衰减的临界值是最佳的操作通量。近二十余年来,临界通量概念不断发展,在膜污染控制理论体系中举足轻重。为了使临界通量概念具有实际应用的可能性,菲尔德教授在2011年又提出了Threshold Flux(低污染和高污染的临界点)概念。2012年我们首次证实了该概念在纳滤过程中是存在的(J. Membr. Sci. 2012, 409, 276)。随后,利用改良的串联阻力和粒子沉积模型,同时梳理了膜污染类型及其与膜通量的关系,我们又提出了临界通量家族的概念(J. Membr. Sci. 2013, 435, 120, 图1),特别强调和发展了其中的“Threshold Flux”理论,它是膜通量衰减速率或污染阻力不受通量影响的临界值,称之为“最低污染下的最高通量”,它的出现是由于污染物所受作用力之间的平衡被打破所导致(J. Membr. Sci. 2014, 469, 127)。通过关联一定时期内的膜污染阻力与通量数据,可简单快速获得“Threshold Flux”值,它远高于传统无通量衰减的临界值且易测定,更适合工业化应用。


临界通量概念新进展:非稳态下的评价方法探究膜污染

图1.根据膜污染类型及其与通量的关系提出的临界通量家族概念


  但是,目前报道的临界通量测定都是在全循环的稳态下进行的,而对于高浓度工业流体(特别是生物原料液),往往需要进行稀释、浓缩或渗滤操作,但临界通量会随着截留液浓度的不同而发生变化,在全循环模式下得到的临界通量,并不适用于实际生产。


临界通量概念新进展:非稳态下的评价方法探究膜污染

图2.糖蜜膜法制糖中澄清工段的膜污染控制


  为了指导膜法绿色制糖示范工程中澄清工段的膜污染控制(图2),中国科学院过程工程研究所生物膜分离技术与应用课题组通过分别关联透过通量与平均跨膜压力、平均膜污染速率和单位泵能耗测定了不同稀释倍数下的甘蔗糖蜜的临界通量(Threshold flux,图3),建立了稀释-浓缩模式下的临界通量测定新方法(需保证处理的初始原料液的量相等)。


临界通量概念新进展:非稳态下的评价方法探究膜污染

图3.关联透过通量与平均膜污染速率和单位能耗测定临界通量值


  根据临界通量值和污染阻力的大小,推断出糖蜜的最佳稀释倍数是8倍,澄清工段的临界通量值为26~32 Lm-2h-1,在临界通量下运行可以有效地控制膜污染。同时,还成功进行了渗滤模式下的临界通量测定。结果表明,只要保证膜过滤处理的原料液的量相同,不管过滤过程中溶质的浓度变化路径如何,如果分离膜承受的污染物负荷是等量的,临界通量的测定则是有效的。同时还发现一旦在高于临界通量下运行一段时间后,即使降低通量,该膜还是更容易被污染。
  最后,通过聚多巴胺涂层和聚合物接枝的膜改性方法,改变聚醚砜超滤膜的孔径大小、亲水性和荷电性,探究了糖蜜对超滤膜的污染机理。
  研究发现,在临界通量下运行,膜面修饰对膜污染的影响较小,膜孔大小(对污染物的截留率)对膜污染影响较大;但当运行通量大于临界通量时,膜面的亲水性和荷电性对膜污染的影响变得显著。因此在工业化运行中,应尽量在临界通量下操作,避免因为膜材料选择不当造成的膜污染加剧。
  该研究得到中国科学院重点部署项目(KFZDSW-211-3)的资金支持。相关研究成果发表在Journal of Membrane Science, 586, 2019, 130-139。

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