影响PVDF平板膜组件运行性能的因素研究

虞鲲鹏，唐玉兰

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

1 引言

相比于传统水处理工艺而言，膜处理工艺凭借其凭借着处理效果好，无需添加化学药剂，操作简单等优点脱颖而出，被称作“21世纪水处理技术”，目前正广泛地应用在各种场合之中。作为膜分离技术中应用最为广泛的超滤技术，更是大量应用于食品、化学、生活污水处理、印染纺织业等工业废水当中。

膜污染问题是各类膜技术使用时最大的阻碍。在膜的运行过程中，小分子的污染物质会逐渐吸附沉积在膜孔内侧，造成膜的不可逆膜污染，使膜通量轻微下降；大分子的污染物质则会在膜表面吸附沉积下来，以滤饼层的形式存在，使膜通量急剧下降，污染严重时甚至会缩短膜寿命。膜污染的成因复杂，受许多因素单独或共同影响，通常从3种途径进行处理：①预处理或在线处理污染物；②改变试验条件以增大紊流度或减小流体动力学边界层的厚度；③降低膜通量。本试验从第二种方法入手，探究各类操作条件的变化对组件膜污染的影响情况[1,2]。

本实验使用的是自制的PVDF平板膜组件，选取了温度、曝气强度、pH值以及离子强度作为控制变量，膜通量作为考核指标，在两两组合实验后进行了温度、曝气强度和离子强度三因素三水平的正交试验，并最终优化出膜通量最高的操作条件。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

本实验所选用的装置为自制的PVDF超滤平板膜组件，整个装置如图1所示。

由蠕动泵以150 mL/L的流速将进水水箱中的废水抽吸到处理水箱中，废水通过平板膜后由抽吸泵以100 mL/L的速率提升进入到出水水箱。在处理水箱中安装有加热棒、温度计以控制水箱中温度的变化；安装有连接了穿孔曝气头的空气泵以提供曝气所需气体，并通过气体流量计加以控制供气量；平板膜右侧安装有隔板，通过进水流速大于出水流速而出现的溢流来控制处理水箱中水位平衡。

图1 试验装置流程

装置总长280 mm，宽220 mm，高450 mm，挡板高400 mm。处理水箱有效容积为230 mm×220 mm×400 mm=20.24 L。装置选用的膜为自制的PVDF超滤膜，用环氧树脂将膜与支撑板粘合成膜片，总长220 mm，高320 mm，膜有效面积为150 mm×280 mm=0.42 m2。

2.2 试验方法

为了确认平板膜组件在不同操作条件的主要变化以及后续的条件优化，将操作条件控制在一定范围内并分步研究。通过加热棒对废水加热，用温度计控制温度；通过连接有穿孔曝气头的空气泵进行曝气，用气体流量计控制曝气强度大小；通过滴加0.1 mol/L的HCl溶液与0.1 mol/L的NaOH溶液来控制pH值范围(海藻酸钠在5～11的pH条件下较稳定)，通过滴加0.1 mol/L的NaCl溶液来控制离子强度范围。

每组试验膜组件以150 mL/min的进水速率以及100 mL/L的出水速率共运行3 h。平板膜使用前需在去离子水中浸泡2 h。处理效果用膜通量J(即单位时间内通过单位膜面积的流体量)来表示，具体可按公式(1)来计算：

(1)

式(1)中，V为出水体积(L)，A为膜有效过滤面积(m2)，T为过滤时间。

2.3 试验用水

本实验选用海藻酸钠(SA)作为废水中的典型污染物来确定装置运行时不同操作运行条件的改变会对膜组件处理效果产生何种影响。

准确称量3.5 g海藻酸钠溶于3.5 L水中，放置在磁力搅拌器上充分搅拌，配置成1000 mg/L的海藻酸钠溶液，在使用时将其溶于35 L水中，配置成100 mg/L的海藻酸钠废水待用。

3 试验结果及讨论

实验正常运行3 h时，按正常步骤操作并记录的数据如表1和表2所示，其中表1是在pH=7，离子强度=0的条件下控制不同的温度及曝气量所测得的膜通量数据；表2是在温度=10 ℃，曝气量=0 L/min的条件下控制不同的pH值及离子强度所得的膜通量数据。

表1 膜通量与温度、曝气量的关系

表2 膜通量与离子强度、pH值的关系

3.1 曝气量对膜通量的影响

在曝气强度为0.5 L/min、1.0 L/min、1.5 L/min、2.0 L/min的情况下，记录的膜通量变化情况如图2所示。

根据图2可见，膜通量会随着曝气强度的逐渐增大而增大，且其增大趋势会随着曝气强度的升高而升高，并且在10 ℃的较低温度情况下，曝气引起的提升幅度变化并不明显，随着温度的升高，曝气强度的正面影响显著上升。

分析其原因，是因为在膜过滤过程中，部分小于膜孔径的小分子污染物质会吸附在膜孔当中，形成不可逆的膜污染；大于膜孔径的污染物质会被阻挡在膜表面外，不断吸附累积，逐渐形成滤饼层堵塞住膜孔，形成膜污染。滤饼层在膜表面越积越厚，污染物浓度越来越高，在浓度梯度的作用下，污染物质又会从膜面向主体溶液扩散，形成边界层，使渗透压和阻力进一步增加，最终导致了膜通量的降低[3]。

图2 膜通量随曝气强度变化情况

而曝气的引入及曝气强度的提高可以有效地提高主体料液中的紊流程度，从而提高了膜表面附近的剪切力，可以有效地削弱浓差极化的影响以及剥离或削弱滤饼层，降低膜污染的影响从而提高膜通量[4]。

3.2 温度对膜通量的影响

在温度为10 ℃、14 ℃、18 ℃、22 ℃、26 ℃、30 ℃、34 ℃的情况下，记录的膜通量变化情况如图3所示。

图3 膜通量随温度的变化情况

根据图3可见，膜通量会随着温度的增加而呈上升趋势，且在16～30 ℃范围内斜率较大，膜通量提升幅度更大，而当温度继续增加时，提升幅度逐渐平缓。随着曝气强度的提升，温度带来的膜通量增加的幅度也有明显增加。

分析膜通量上升的原因，这可能是由于液体与膜以及液体之间均存在着粘性，影响着料液的流速。当料液的温度较低时，其粘性较大，导致液体之间、料液与膜面间的摩擦阻力以及层流状态的阻力增大，降低了液体的流速，因液体流动产生的膜面剪切力变小，削弱浓差极化及膜污染的能力减弱。而随着温度的逐渐上升，料液粘性的减弱，提高了流速，使浓差极化及膜污染的发展速度减缓，使得膜通量有了明显的提高。但是当温度超过一定范围后，粘性降低带来的作用不再明显，不仅提高了能耗，也有可能影响平板膜的质量，导致膜组件的损坏[5]。

3.3 pH值对膜通量的影响

由于作为废水中典型污染物的海藻酸钠在pH值5～11的范围内比较稳定，本实验控制的pH值条件为5、6、7、8，记录的膜通量变化如图4所示。

图4 膜通量随pH值的变化情况

实验记录说明，膜通量会随着pH值的上升成正比例变化。

作为污染物的海藻酸钠携带的羧基官能团是一种典型的弱酸性官能团，当溶液的pH值升高时，羧基的H离子解离度也会随之增大，导致污染物携带的负电荷也越来越大。本实验自制的PVDF超滤平板膜是一种膜表面携带负电荷的疏水膜，因此由静电理论可知，当污染物的负电荷增加时，膜与污染物之间的静电斥力会不断增大，使污染物难以粘附在膜表面上，从而减缓膜污染的发生与发展，提高膜通量[6]。

3.4 离子强度对膜通量的影响

选取离子强度为0 mMol、1 mMol、10 mMol、50 mMol、100 mMol、200 mMol、300 mMol的情况下，记录的膜通量变化情况如图5所示。

图5 膜通量随离子强度的变化情况

从图5可以看出，随着离子强度的不断增加。膜通量首先会逐渐降低，当离子强度增加到一定范围后，膜通量会呈现正比例增长的趋势。

究其原因，可以通过xDLVO理论进行解释。当离子强度增加时，膜与污染物之间会产生电荷屏蔽现象，使两者所携带的电荷减少，削弱了3.3节中提到的静电排斥力，相应地使膜污染进展迅速，降低了膜通量。

但是随着离子强度进一步增加后，膜通量开始回升。这是因为当液体中的离子强度较高时，水中的阳离子会不断在携带负电荷的表面聚集，使正电荷不断增加，这样虽然静电排斥力随着离子强度的上升而江都，水合排斥力的作用却不断增强并掩盖住了静电排斥力的影响，最终使膜通量回升[7]。

3.5 正交试验

根据正交试验设计，选择了温度、离子强度和曝气强度作为正交试验的三个影响因素，每个因素设置三个水平，以膜通量作为考量结果，得到了共9组实验数据如表3所示。

表3 正交试验结果

通过对实验结果的方差分析可以看出，温度对本平板膜组件膜通量的影响最大，曝气强度的影响次之，离子强度的影响最小。其中当实验条件的温度为34 ℃，离子强度为1 mMol，曝气强度为2.0 L/min，即7号方案时的膜通量最大。

但是通过图6可以看出，当水平选择为A3B3C3，即温度为34 ℃，离子强度为100 mMol，曝气强度为2.0 L/min时，膜组件会取得理论最大的膜通量。为了验证结果，取该运行条件作一次验证性试验，取得膜通量值为123.1 L/(m2·h)，说明该平板膜组件在温度为34 ℃，离子强度为100 mMol，曝气强度为2.0 L/min时运行效果最佳。

之所以有温度大于曝气强度大于离子强度的影响主次关系，这可能是由于本实验在100 mL/min的出水流速情况下，运行压力始终低于0.01 MPa。发现运行压力的变化对膜污染的发展有着明显的作用，在运行压力较小的情况下，膜通量始终低于临界通量，膜污染进展缓慢，浓差极化现象产生的膜孔堵塞情况不会对膜通量产生较大影响，此时由于温度改变所引起的粘度的变化就对膜通量的变化起主导作用，温度较低时料液流动缓慢导致膜通量较低，温度升高时料液之间摩擦阻力减小使膜通量有较显著的提升。

图6 水平与膜通量关系

4 结论

(1)膜通量随着温度的升高而升高，当达到一定范围后增长趋缓；随着曝气强度与pH值的升高而升高；随着离子强度的升高呈现先降低后升高的趋势。

(2)根据正交试验结果表明，在运行压力较小的情况下，温度对膜通量的影响最大，其次是曝气强度的影响，离子强度影响最小。

(3)在本实验选取的运行条件中，当温度取34 ℃，离子强度取100 mMol，曝气强度取2.0 L/min时，测得的膜通量值最大。