平板陶瓷膜过滤面积和形状及抽水口对水通量检测的影响

蔡晓峰，秦玉兰，李文东，何江，朱江全，冉健辉

（广西碧清源环保投资有限公司，梧州543000）

1 前言

随着我国对节能减排和环境保护的日益重视，在各行业的发展中，绿色低碳的先进生产工艺和技术不断涌现，陶瓷膜作为一种先进的新材料，在其中起着重要的作用。陶瓷膜是采用无机非金属材料经特殊工艺制备而成的非对称膜，在陶瓷膜的膜壁内密布微孔，在压力作用下，料液或气体中的小分子物质（或液体、气体）透过膜，大分子物质（或固体）被膜截留，从而达到分离、浓缩、纯化和环保的目的。平板陶瓷膜是陶瓷膜中的一类品种，目前大量应用于污水处理和饮用水处理，是一类新型环保材料和产品，随着对陶瓷膜材料技术和应用技术的研发深入，其应用领域正在不断地扩大。

陶瓷膜最基本的功能是过滤分离，因此，陶瓷膜的过滤孔径和过滤通量是最基本也是最重要的技术指标。陶瓷膜的过滤通量可分为气体通量和液体通量，两者可相互参考，但不可替代。气体通量可以在陶瓷膜过滤孔径检测中完成，液体通量则需单独进行检测，一般用纯水通量来表征标定。目前，在各级陶瓷膜产品标准中，对陶瓷膜纯水通量的检测条件仅限定了检测所使用的压力差（抽吸力），没有限定检测样品的面积和形状及其抽水口。检测样品的面积和形状及其抽水口对纯水通量的检测结果是否有影响，本文对此进行初步的研究分析。

2 实验

2.1 实验装备

陶瓷膜检测样品，钢尺，TDF380W 型水泵（不锈钢变频触控增压泵，口径25mm，额定功率0.38kW，额定流量3.5m3/h，最高扬程35m，频率50—60Hz），XJ008 型计时器，TCS—100 型电子台秤，Φ5mm 胶管及连接器，水池，容器。

2.2 实验过程

2.2.1 样品制备

取相同过滤孔径和孔径分布的氧化铝平板陶瓷膜板，切割成不同规格尺寸，封装成不同过滤面积和抽水口的检测样品元件。样品元件的外形和陶瓷膜孔径及其分布分别见图1 和图2。

图1 平板陶瓷膜检测样品示例

图2 陶瓷膜检测样品的孔径分布图

图3 平板陶瓷膜水通量检测装置系统

图4 平板陶瓷膜过滤面积与水通量的关系

2.2.2 水通量检测

将检测样品以及各检测装备按图三所示连接组装成检测系统。先测量陶瓷膜样品的有效过滤面积，将检测的陶瓷膜样品的抽水口通过连接器连接抽吸胶管，陶瓷膜样品的平面呈水平状浸没在水池中，膜面与水面间距0.3m，将水泵的抽吸力控制在-0.09MPa，水温控制在25℃，抽水10min，膜板和管道内气体排空后，通过排水胶管收集过滤2min 的水量在容器中，称取所收集的过滤水的重量，称取过滤2min 的水重5 次，取平均值，换算为水的体积。

各个平板陶瓷膜样品的检测条件和操作相同。

3 数据分析

3.1 纯水通量计算公式

T＝W/S

式中，T 是纯水通量，单位m3/m2·h，W 是在0.1MPa抽吸力下，单位时间内平板陶瓷膜检测样品过滤水的体积，单位m3/h，S 是检测样品的有效过滤面积，单位m2。

从计算公式来看，只要测出在规定的压力差下，单位时间内过滤水的体积，测出陶瓷膜检测样品的过滤面积，就能计算出平板陶瓷膜样品的纯水通量。

3.2 影响过滤水量的因素

影响陶瓷膜过滤水量的因素可以大致分为三大类：陶瓷膜材料类因素、陶瓷膜过滤元件设计类因素以及陶瓷膜过滤水通量的检测条件类因素，具体分析如下：

（1）陶瓷膜过滤孔径及其分布情况。孔径越大，孔径分布范围越宽，过滤水量越大。

（2）陶瓷膜的通孔孔隙率。通孔孔隙率越高，过滤水量越大。

（3）陶瓷膜材料的亲疏水性和平滑性。亲疏水性决定表面张力，陶瓷膜材料与过滤液体之间的表面张力越小，平滑性合适，液体越易渗入，过滤水量越大。

（4）陶瓷膜的厚度和孔径梯度。陶瓷膜的膜层越薄，孔径梯度合理，过滤阻力越小，过滤水量越大。

（5）陶瓷膜的有效过滤面积和形状。面积越大，过滤水量越多。形状上使抽吸通道短直和分布均衡，有利于提高过滤水量。

（6）陶瓷膜内抽吸通道数量、截面形状和截面面积。该因素影响较复杂，另做研究讨论。

（7）陶瓷膜上抽水口的数量和位置。该因素影响较复杂，一般来说，抽水口数量多，抽水口在陶瓷膜上分布均匀，则抽吸效率高，过滤水量大。

（8）过滤时陶瓷膜两侧的压力差。压力差（抽吸力）越大，过滤水量越大。

（9）水泵的额定功率和额定流量。功率和流量大，抽水能力强，过滤水量大。

（10）过滤水的温度和洁净度。温度越高，粘度越小，洁净度越高，陶瓷膜的污堵少，过滤水量越大。

（11）过滤时陶瓷膜和管道内的气泡。由于陶瓷膜板和管道内存在气体，刚开始抽吸水时，会有气泡抽出来，气泡越多，占据的空间体积越大，减小水泵的抽吸力，过滤水量越小。

（12）陶瓷膜的过滤时间。过滤时间长，过滤孔洞被污堵的程度增高，过滤水量减小。

（13）膜池中水给陶瓷膜的水压。陶瓷膜平放时，陶瓷膜浸没的越深，外部水压越大，给陶瓷膜提供了外界的附加抽吸力，过滤水量增大。

（14）陶瓷膜与水泵之间的高度差。由于受水泵扬程的影响，导致过滤水量发生变化。

（15）水泵进水与出水管道口径和长度、弯头数量。管道口径与水泵功率不匹配以及管道长短和弯头数量，会影响抽吸能力，导致过滤水量发生变化。

由上可见，目前所能考虑到的影响陶瓷膜过滤水量的具体因素有15 种之多，每种因素都值得进行深入详细地研究。本实验中，只改变平板陶瓷膜的过滤面积、形状和抽水口位置及数量，其它13 种因素保持不变。

3.3 实验结果

按照前文2.2.2 中描述的检测方法和检测条件，对不同规格的陶瓷膜样品进行水通量测试计算，所得测试数据和计算结果见表1。

表1 平板陶瓷膜水通量检测计算结果

3.4 影响分析

3.4.1 检测样品面积对水通量的影响

根据样品1、2、3、4、5（宽度、厚度相同）测试结果绘制图四，由图四可知，检测样品的过滤面积对陶瓷膜水通量的检测结果有很大的影响，在相同抽吸力的条件下，面积越大，检测的水通量越小。

根据样品7 和样品2、4 的测试结果对比可知，同时抽吸两块样品的水通量比单独抽吸其中一块样品（2 或4）的水通量要小，比单独抽吸的两块样品的水通量平均值（0.8940）更小（小25.7%）。这也是陶瓷膜过滤面积变化对水通量影响的另一种体现。

3.4.2 检测样品的形状对水通量的影响

根据样品4、6 测试结果绘制图5，由图5 可知，在过滤面积相当的情况下（0.1525—0.1500m2），平板陶瓷膜样品的长宽比对陶瓷膜水通量的检测结果有一定影响，样品6 的水通量小于样品4（小9.3%）。过滤面积相同时，长宽比越大，检测的水通量越小。

图5 平板陶瓷膜长宽比与水通量的关系

3.4.3 检测样品的抽水口位置和数量对水通量的影响

根据样品2、8 测试结果和样品1、7 测试结果绘制图6，由图6 可知，在两端设置抽水口（样品8）的水通量比一端设置抽水口（样品2）的水通量要大29.3%。

图6 平板陶瓷膜抽水口的数量与水通量的关系

根据样品7 和样品1 测试结果对比可知，样品7 测试用了两个抽水口，分别在两块陶瓷膜板上，虽然样品7中的两块膜板的过滤面积之和（0.485m2）略小于样品1（0.5m2），但它的水通量大于样品1（大30%），这说明同时抽吸两块膜板的水通量比单独抽吸一块面积相当的膜板的水通量要大，这也以另一种方式证明陶瓷膜抽水口位置和数量的变化对水通量的检测有影响。

3.4.4 影响原因分析

由以上检测结果和影响分析可知，平板陶瓷膜检测样品的过滤面积、形状和抽水口的数量及位置对其水通量的检测结果都有不同程度的影响。产生这些影响的核心原因是抽吸时陶瓷膜层压力差的变化。当抽力恒定时，膜过滤面积大，作用于陶瓷膜层上的每个过滤微孔上的压力就越小，抽吸力变小了，每个微孔的过滤流量会减小，而当过滤面积的增大弥补不了由于每个微孔上抽吸力的减小所造成过滤流量的减小时，总的水通量就减小了。相反，当抽力恒定时，膜的过滤面积减小，作用于膜层上每个过滤孔的抽力就会增大，过滤流量会对应增加，当过滤流量的增加大于因面积的减小所带来流量的减小时，总的水通量就增加了。

样品的形状会影响抽吸力的有效作用范围，样品过于细长，会增加抽吸阻力，导致作用于远离抽吸口处的陶瓷膜孔的抽吸力降低，使检测的水通量减小。

与形状影响类同，样品上抽水口的设置同样会影响抽吸力的有效作用范围，对检测样品而言，应该统一抽水口的数量和位置。

4 结论

在水泵抽吸力恒定的条件下，平板陶瓷膜检测样品的有效过滤面积、形状和抽水口位置及数量对陶瓷膜纯水通量指标的检测结果有不同程度的影响，其中影响最大的是过滤面积。

为了使平板陶瓷膜纯水通量指标的检测结果具有可比性，在水通量的检测方法和条件标准中，应对检测样品的面积、形状和抽水口位置及数量进行限定。

纯水通量作为陶瓷膜材料的技术指标，在检测时，应该考虑检测样品的面积、形状和抽水口位置及数量对检测结果的影响；而纯水通量作为具体的陶瓷膜过滤元件产品的技术指标则可以不限定这些影响因素，因为此时，水通量是作为陶瓷膜元件的一个整体综合技术指标来进行评价和对比。

使用相同的陶瓷膜材料，通过对陶瓷膜元件产品的内外形状、尺寸规格、抽水口等进行合理的设计，能够有效提高陶瓷膜过滤元件的水通量，提高平板陶瓷膜的使用效率，减少陶瓷膜的使用数量，延长使用寿命，降低陶瓷膜的使用成本。