一种基于膜污染指数的超滤膜污染评价方法.docx

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一种基于膜污染指数的超滤膜污染评价方法

杨威1a,王丽1b,邵森林2,李圭白2

（1.哈尔滨商业大学a.环境工程系;b.生命科学与环境科学研究中心,哈尔滨

150076;

2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨150090

一种基于膜污染指数的超滤膜污染评价方法

基金项目:

黑龙江省自然科学基金项目（E200818;禅城区产学研项目（2011B1031

摘要:

利用浸没式中空纤维膜小试系统,基于膜污染指数（FI建立超滤膜污染的评价和试验方法。

通过试验考察超滤膜污染变化规律,以及运行周期对膜污染指数计算的影响,并确定计算膜污染指数的运行周期;并对膜污染指数评价方法的可重复性进行检验;对化学清洗前后膜污染指数进行比较。

试验表明,在过滤初期,滤饼污染和吸附污染并存,所以初期水力不可逆膜污染指数（HIFI增长较快;中期超滤膜的吸附能力不断减弱,膜污染主要是滤饼污染,所以膜污染较为稳定;后期跨膜压力过大,压缩滤饼层,减小滤饼孔隙率,增加滤饼阻力,所以HIFI有所增加。

同时短期的膜污染试验可以用来反映长期的膜污染情况,该超滤膜污染的评价方法重复性好,污染后的超滤膜经过化学清洗后,可以重复利用。

关键词:

膜污染;膜污染指数;中空纤维膜;超滤中图分类号:

TU991.2;TQ085.413

文献标识码:

A

文章编号:

%1009-2455（201402-0033-04

Anapproachusedforultrafiltrationmembranefoulingevaluationbased

onmembranefoulingindex

YANGWei1a,WANGLi1b,SHAOSen-lin2,LIGui-bai2

（1.HarbinUniversityofCommerce,a.DepartmentofEnvironmentalEngineering;b.CenterofResearchandDevelopment

onLifeSciencesandEnvironmentalSciences,Harbin150076,China;2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResource

andEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China

Abstract:

Amethodforevaluationandtestonultrafiltrationmembranefoulingwasestablishedusingsub-mergedimmersion-hollowfibermembranetestsystembasedonmembranefoulingindex（FI.Throughtheinves-tigationonthevariationrulesofultrafiltrationmembranefoulingandtheinfluenceofoperationcycleonthecal-culationofmembranefoulingindex,theproperoperationcycleformembranefoulingindexcalculationwasde-terminedwiththetestontherepeatabilityofthemethodformembranefoulingindexevaluationcarriedoutaswell.Besides,themembranefoulingindexesbeforeandafterchemicalcleaningwascompared.Theresultsofthetestshowedthat,asbothfiltercakepollutionandadsorptionpollutionexistedatthebeginningofthefiltration,hydraulicirreversiblefoulingindex（HIFIgrewrapidlyatthisstage;atthemiddlestageofthefiltration,affectedbytheweakenedadsorptioncapabilityoftheultrafiltrationmembrane,membranefoulingwasmainlyfiltercakepollutionandthefoulingwasmorestable;atthelatestageofthefiltration,withtheincreasingoftransmembranepressure,thefiltercakelayerwascompressed,theporosityofthecakewasreduced,andtheresistanceofitwasincreased,therefore,HIFIincreased.Itwaspointedoutthat,long-termmembranefoulingcouldbereflectedbyshort-termmembranefoulingexperiment,thesaidevaluationmethodhadgreatrepeatability,andfouledultrafil-trationmembranecouldbereusedafterchemicalcleaning.

Keywords:

membranefouling;membranefoulingindex;hollowfibermembrane;ultrafiltration

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技术与经验

INDUSTRIALWATER&WASTEWATER

Vol.45No.2Apr.,2014

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INDUSTRIALWATER&WASTEWATER

Vol.45No.2Apr.,2014

膜污染是超滤水处理过程中存在的主要问题。

最近,一些学者提出采用膜污染指数（FI来衡量膜污染[1-4]。

研究表明,FI可以建立不同规模超滤系统膜污染的关系[2-3]。

这样,通过小试得出的FI可以用来反映中试甚至生产中超滤膜的污染情况,具有实际的参考意义。

尽管这些研究都是基于FI来评价膜污染,但是不同研究采用的方法并不同。

Huang等[2]采用了单周期过滤计算FI,而Nguyen

等[3]采用了多周期过滤计算FI。

同时,不同试验的操作参数也不相同。

因此,对于FI的试验方法,有必要进一步考察和研究。

本试验基于FI,利用中空纤维膜小试系统,研究了试验周期、化学清洗对FI计算的影响,并考察了多次试验的重现性,以期建立一种超滤膜污染的评价方法。

1材料和方法

1.1

试验装置中空纤维超滤膜试验装置如图1所示。

试验采用恒水位水箱控制膜池液位,在蠕动泵的抽吸作用下,水由膜丝外部进入膜丝内部,然后流入出水箱。

反洗时,蠕动泵反转,出水箱的水由膜丝内部流向膜丝外部。

系统通过可编程控制器（PLC控制,电脑自动记录压力传感器数据。

小试试验所用超滤膜为某公司提供的外压式

PVDF中空纤维超滤膜,膜丝内径为0.85mm,外径为1.45mm,标准孔径为0.01μm,截留相对分子质量为5×104。

膜组件自行制作,膜面积为25cm2。

1.2

试验原水

试验原水为松花江哈尔滨段水源水,试验所用原水水质为:

溶解性有机碳（DOC的质量浓度为

4.57mg/L,UV254为0.107cm-1,pH值为7.1,水温

为23~25℃。

原水预过0.45μm超滤膜。

1.3

膜污染指数计算

FI是基于串联阻力模型,并且假设膜污染阻力

与过滤水量成正比而提出来的[3]。

其计算公式为:

1/J′sp=1+（FIVsp

（1

式中:

J———膜通量,L/（m2·h;

J′sp———

相对单位膜通量,计算公式:

J′sp=Jsp/Jsp0,无因次量;

Jsp———

单位膜通量,计算公式:

Jsp=J/p,L/（m2·h·Pa;

p———

跨膜压差,Pa;Jsp0———

过滤初始阶段单位膜通量,计算公式:

Jsp0=J0/p0,L/（m2·h·Pa;

J0———过滤初始膜通量,L/（m2·h;p0———

过滤初始跨膜压差,Pa;Vsp———

单位面积膜的产水量,L/m2;FI———

膜污染指数,m2/L。

根据J′sp不同,可以计算出不同的FI。

FI可以用于表征膜污染速率,即FI越小,污染越缓慢;反之,则污染越快。

FI不区分具体的污染机制,计算方法简明扼要,可以较好地描述膜污染情况,表征污染速率以及污染程度。

通量恒定时,FI的大小可直接决定最终的压头损失;而跨膜压差恒定时,FI直接与最终的产水量有关。

在膜组件各运行阶段,通过对膜的表现以及清洗过程数据的监

测,即能得到不同的FI。

如果J′sp对应的是反洗之前的通量,计算的FI为总膜污染指数（TFI;如果

J′sp对应的是反洗之后的通量,计算的FI为水力不可逆膜污染指数（HIFI;如果J′sp对应的是化学清洗之后的通量,计算的FI为化学不可逆膜污染指

数（CIFI。

1.4试验方法

在本试验中,多周期超滤运行情况如图2所

示。

超滤膜先过滤纯水至跨膜压差稳定,然后过滤原水。

在过滤的过程中,考虑到运行的方便,反洗后不排液。

这样只能通过第1个周期求出TFI（如图2。

由于大量的试验采用单周期运行,所以通过第1个周期求得的TFI可以用于和其它试验的横向对比。

根据后面数个周期反洗后的通量,可以计算出HIFI。

由于试验中污染过的膜经过化学清洗,膜污染基本消除,CIFI不能准确求出。

所以本试验只考察TFI和HIFI。

压力传感器

原水箱

恒水位水箱

膜池

蠕动泵

出水箱

控制系统

膜

组件

图1试验装置示意

Fig.1Experimentalequipment

·

时间/min或流量/（L·m-2

t1或Vs1

t2或Vs2

t3或Vs3

HIFI

TFI

CIFI

化学清洗

跨膜压差/kPa

图2超滤过程中膜污染指数计算示意

Fig.2Calculationofmembranefoulingindexduringultrafiltrationprocess

图4不同运行周期下计算得到HIFI的变化

Fig.4VariationofHIFIcalculatedunderdifferent

operation

cycles

5

10

15

202530

运行周期

0.0060.0050.0040.0030.002

HIFI/（m2·L-1

试验中,采用恒通量运行,通量为54L/（m2

·h。

过滤时间为29min,反冲洗时间为1min,反洗强度为68L/（m2·h。

2结果与讨论2.1

超滤膜污染特性

FI是基于1/J′sp随Vsp线性变化,所以有必要

考察长期运行情况下的1/J′sp随Vsp的变化关系,考察采用FI来衡量膜污染的可行性。

试验中,利用超滤膜过滤原水,直至跨膜压差增长至80kPa,结果如图3所示。

从图3中可以看出,1/J′sp随Vsp基本呈线性关系,特别是Vsp处在50~500L/m2范围内时。

也就是说,通过其斜率（即膜污染指数可以简单有效地衡量膜污染。

第1个周期膜污染增长比较快,这个可能是由于初期吸附污染比较严重造成的;而当

Vsp大于500L/m2时,1/J′sp增长速率略微增加,这

个可能是后期由于跨膜压差过大,压缩滤饼层,增大了滤饼阻力所致[5]。

对于浸没式超滤膜工艺,一般跨膜压差低于50kPa,在该范围内,Vsp与1/J′sp呈很好的线性关系。

通过第1个周期的膜污染可以

计算出TFI为0.0096m2/L。

由于第1个周期膜污染增长比较快,HIFI从第2个周期开始计算,结果为

0.0052m2/L。

2.2运行周期对膜污染指数计算的影响

图4为图3中不同运行周期计算得到的HIFI

的变化。

从图4中可以看出,第2~5周期的HIFI增加较快,而从第6周期到第20周期的计算结果非常接近。

在超滤膜过滤的过程中,会截留大于其孔径的物质,这些物质可累积在膜表面,从而增加过滤阻力,形成滤饼污染。

由于膜是多孔材料,有一定的比表面积,所以能够吸附一定量的物质,这些物质可以减小膜孔径,增加过滤阻力,形成吸附污染[6]。

膜污染过程就是污染物首先进入膜孔,导致膜孔堵塞,与此同时附着或者沉淀在膜的表面[7-8],这个过程发生时间很短而且污染迅速。

在过滤初期,膜不仅截留大于膜孔的物质,同时还吸附一些小分子物质,滤饼污染和吸附污染并存,所以初期

HIFI增长较快。

然而,随着过滤时间的不断增加,

膜表面的污染层随之增厚,分子不断地沉积,最终形成聚集体或者滤饼层。

超滤膜的吸附位点已经被已吸附的物质占据,吸附能力不断减弱,膜污染主要是滤饼污染,所以膜污染较为稳定。

因其具有一定的缝隙,当分子之间的相互作用达到了平衡,聚集体或滤饼层的结构就会变得相对稳定,通量变化也相对平稳[9]。

在过滤后期,由于跨膜压差过大,压缩滤饼层,减小滤饼孔隙率,增加滤饼阻力,所以HIFI有所增加。

通过曝气水洗能够有效地去除膜丝表面形成的滤饼,使得通量有一定的恢复。

从第6周期与第20周期HIFI计算结果非常接近。

因此,只要运行周期超过6个周期,即可得到能反映长期运行情况的HIFI。

在后续试验中,将

1/J′sp

图3超滤长时间运行下1/J′sp随Vsp的变化情况

Fig.3Variationof1/J′spwithVspunderlongrunof

ultrafiltration

150

300

450

600

750

Vsp/（L

·m-276543211/J′sp=1.005+0.00958×Vsp

1/J′sp=0.95+0.0052×Vsp杨威,王丽,邵森林,等:

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INDUSTRIALWATER&WASTEWATER

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图5

12次重复试验下得到的TFI和HIFI及其离散度Fig.5TFI,HIFIanddiscretedegreegotfrom12

repeatedexperiments

TFI

HIFI

0.0080.0070.0060.0050.004

0.003

FI/（m2·L-1

运行12个周期。

2.3膜污染指数评价方法的可重复性检验由于不可能保证不同组试验的条件完全相同,

所以,试验方法的可重复性显得尤为重要。

在本次研究中,进行了12组重复试验,考察试验方法的可重复性,每次试验均采用新膜组件,结果如图5所示。

图5中,中间一条线表示平均值,上下两条线表示偏差。

对于TFI和HIFI,其平均值及偏差分别为（0.0067±0.0004m2/L和（0.0045±0.0006

m2/L。

从图5中可以看出,绝大部分点都在偏差

范围内,这说明试验有较好的重复性。

但是也存在一些与均值相差较大的点,这可能是由于膜组件间存在着微小的差异所致。

同时,不同时间试验条件也存在一些变化。

考虑到一般试验要重复3次以上,FI评价方法的重现性可满足试验要求。

2.4化学清洗前后膜污染指数比较

为了探讨化学清洗后的超滤膜对膜污染特性测

定的影响,试验中,随机选取3个污染过的膜组件,将其置于200mg/L的NaClO溶液和pH值为

11的NaOH溶液分别浸泡10min,重复做膜污染

试验,计算TFI和HIFI。

试验结果表明,TFI为（0.0065±0.0002m2/L,

HIFI为（0.0041±0.0001m2

/L,其结果与图5得

到的结果很接近。

这说明经过化学清洗后,膜组件的膜污染特性和新膜组件区别不大。

Arkhangelsky等[10]研究表明,化学清洗后膜的电负性增加,清洗后的膜污染也更严重。

但是在本试验中,化学清洗前后膜污染并未有显著变化。

由于化学清洗前后

FI非常接近,因此,化学清洗后的膜组件可以重

复利用于试验当中。

3

结论

（1试验结果表明,1/J′sp与Vsp符合线性关系,可以利用FI来衡量超滤膜污染。

（2数个周期运行的FI和长周期运行得到的

FI大致相等,短周期运行的FI可以反映长周期膜

污染状况。

（3本超滤膜FI的评价方法具有较好的可重复性,而且污染后的膜丝经过化学清洗后仍可重复使用。

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