車晨曦,耿安朝,錢士超（上海海事大學(xué),上海 201306）

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旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式膜組件濃縮微藻過程中金屬離子對(duì)膜通量的影響

車晨曦,耿安朝,錢士超
（上海海事大學(xué),上海 201306）

摘 要：旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流是一種新型的錯(cuò)流過濾方式，相比于傳統(tǒng)的錯(cuò)流方式，具有操作簡(jiǎn)便、體積小、能耗低的特點(diǎn)。微藻濃縮是生物柴油生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要步驟，通過旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式膜組件對(duì)微藻進(jìn)行濃縮具有良好的工業(yè)化前景。本文通過實(shí)驗(yàn)，研究了添加金屬離子對(duì)膜通量的影響。

關(guān)鍵詞：錯(cuò)流過濾；微藻；濃縮；金屬離子；膜通量

傳統(tǒng)錯(cuò)流過濾方式是通過驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)原液，使原液和膜片之間形成切向力，利用原液沖刷膜片表面堆積的泥餅層，延長(zhǎng)膜片壽命，提高過濾效率。但這種方式能耗高，設(shè)備復(fù)雜，在工業(yè)化應(yīng)用中成本較高。旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式過濾改變了驅(qū)動(dòng)力的作用對(duì)象，膜組件在液下通過程控旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式錯(cuò)流過濾，消除濃差極化，提高膜通量，并充分利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生沖刷剪切力和濾液湍流，防止濾層產(chǎn)生通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)膜片轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在不影響過濾效率的同時(shí)降低了能耗，設(shè)備體積大大縮小。本實(shí)驗(yàn)通過該設(shè)備，研究金屬離子濃度對(duì)膜通量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 微藻的培養(yǎng)

本實(shí)驗(yàn)選取的藻種是螺旋藻鈍頂835，所采用的培養(yǎng)基是Zarrouk培養(yǎng)基［2］，培養(yǎng)環(huán)境設(shè)定為30℃恒溫，微藻濃度通過北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的T6新世紀(jì)型紫外可見分光光度計(jì)，在560nm波長(zhǎng)下進(jìn)行測(cè)定。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，實(shí)驗(yàn)通過攪拌器模擬錯(cuò)流過程，膜片孔徑為0.4 μm，壓力探頭采用Omega公司生產(chǎn)的PX302-015GV型壓力傳感器，測(cè)壓區(qū)間為0-15 PSIG，抽吸泵壓力為0-1 MPa。

1.3 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用藻液是經(jīng)過預(yù)先濃縮的藻液，培養(yǎng)的微藻原液濃度為0.392—0.433 g/L，使用前需濃縮為2.20 g/L和4.00 g/L，并添加不同濃度的金屬鹽。每次實(shí)驗(yàn)前用蒸餾水測(cè)定膜的純水通量，實(shí)驗(yàn)初始?jí)毫?.3 MPa，每隔半小時(shí)提高0.1 MPa，試驗(yàn)后用蒸餾水對(duì)膜片進(jìn)行沖洗，再次用蒸餾水測(cè)定其水通量，以判斷其不可逆污染程度。攪拌器轉(zhuǎn)速為110 rap/min。實(shí)驗(yàn)過程中隨時(shí)向裝置中補(bǔ)充同批次配置的微藻培養(yǎng)液，以保持原液體積恒定。

2 結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)分別研究了添加不同濃度的Na離子和Ca離子對(duì)膜通量的影響。

圖1是不同濃度Na離子條件下，膜通量隨壓力的變化情況。從圖中可以看到，當(dāng)壓力較小時(shí)，添加Na離子會(huì)導(dǎo)致膜通量下降，當(dāng)壓力大于0.05MPa時(shí)，20mg/L的 Na離子會(huì)使膜通量略微下降，下降幅度為3%-13%，但當(dāng)添加10mg/L和30mg/L的Na離子時(shí)，膜通量與不添加Na離子的對(duì)照組相比幾乎不變。說明20mg/L的Na離子加劇了膜污染。

圖2是不同濃度Ca離子條件下，膜通量隨壓力的變化情況。從圖中可以看到高濃度的Ca離子始終使膜通量增加，增長(zhǎng)幅度為3.5%-6.2%；在10mg/L濃度下，壓力越高，膜通量的增長(zhǎng)越快，增幅從1%逐步增長(zhǎng)至2.5%；20mg/L濃度下，對(duì)膜通量的促進(jìn)作用則只在較高壓力下發(fā)生。

3 膜污染的阻力構(gòu)成

膜污染的阻力由膜片自身阻力（Rm）、不可逆阻力（Rf）以及過濾過程中形成的泥餅層阻力（Rp）三部分組成。在純水實(shí)驗(yàn)階段，只存在Rm，而在用藻液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著過濾過程進(jìn)行，不可濾過的物質(zhì)在膜片表面堆積形成泥餅層，并且有一部分物質(zhì)進(jìn)入膜片內(nèi)部，造成膜孔堵塞，因此，在這一階段，三種阻力都存在；在膜片進(jìn)行沖洗后，泥餅層消失，而部分進(jìn)入膜片內(nèi)部的物質(zhì)無法通過沖洗釋放出來，形成永久的不可逆阻力。研究中通常采用以下方法計(jì)算三種阻力。

式中，Jv為膜通量（ml3/cm2·min）；δP為膜兩側(cè)壓力差（MPa）；μ為液體粘度，實(shí)驗(yàn)中水的粘度取值0.8937。

造成膜污染的阻力是泥餅層阻力與不可逆阻力，其中，泥餅層的形成對(duì)連續(xù)過濾時(shí)間具有重要影響，因此可以計(jì)算出泥餅層阻力在阻力中的占比，從而確定在不同條件下過濾的可持續(xù)性。

圖4是不同濃度Na離子情況下泥餅層阻力的占比，從圖中可以看出，通過添加Na離子，泥餅層阻力所占比大幅減小，而實(shí)驗(yàn)又表明Na離子對(duì)膜通量的影響有限，表明在添加Na離子后，雖然減緩了泥餅層了形成，但是同時(shí)造成了更多的不可逆阻力。這可能是Na離子與微藻分泌的物質(zhì)發(fā)生了結(jié)合，造成微藻分泌物粘性下降，從而減緩了分泌物和膜之間的粘附。

圖5是不同濃度Ca離子情況下泥餅層阻力的占比，從圖中可以看出，在低壓條件下，通過添加Ca離子，泥餅層阻力大大降低，而在高壓條件下，泥餅層阻力則又大幅上升，實(shí)驗(yàn)表明Ca離子對(duì)膜通量有促進(jìn)作用，這表明在高壓條件下盡管形成泥餅層的速率較快，但是不可逆阻力降低了，這種阻力可以通過沖洗消除，因此有利于延長(zhǎng)膜片壽命。這種現(xiàn)象可能是由于Ca離子直徑較大，因此不易進(jìn)入膜孔形成不可逆阻力，但是同時(shí)由于Ca離子重量較大，因此更容易與微藻分泌物結(jié)合沉淀，形成泥餅層。

4 結(jié)論

在用超濾膜濃縮微藻過程中，在一定的壓力下，Ca離子對(duì)膜通量增加促進(jìn)作用，而Na離子對(duì)膜通量增加不起作用甚至起副作用。

在Ca離子濃度一定的條件下，影響泥餅層形成了重要因素是壓力。適當(dāng)?shù)碾x子濃度和壓力能夠大幅延長(zhǎng)膜片的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

［1］耿安朝,王銳,廖德祥.主動(dòng)錯(cuò)流式膜分離設(shè)備的研制［J］.水處理技術(shù),2013,39（10）：122-127.

［2］徐建祥.螺旋藻的藻種選育及其生長(zhǎng)特性的研究［J］.華南理工大學(xué).

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.214

作者簡(jiǎn)介：車晨曦（1990-），男，河南正陽人，碩士研究生，研究方向：近海海域水資源與水環(huán)境。