超滤操作条件对超滤膜清洗效果的影响

【摘要】 超滤操作条件直接影响膜面滤饼层的厚度和密度，从而间接影响污染膜的化学清洗效率。针对聚砜超滤膜——谷氨酸发酵液体系，着重考察超滤溶液PH值、离子强度、污染时间以及超滤压力对清洗效率的影响。本文结合生产实际，引用实验数据为基础，讨论超滤装置最适合的操作条件和化学清洗方法。

【关键词】 超滤 超滤膜 化学清洗

膜分离技术在水处理行业中得到广泛应用。在实际应用中的主要障碍是有机和无机物在膜面或孔内的沉积，超滤过程中膜面积积层的形成无论是对渗透速率还是污染膜的清洗都会造成不利影响。尽管采用错流冲洗和反冲洗技术或改变膜特性等来降低或减缓膜污染是可能的，但是实践证明任何方法技术都不能彻底消除膜污染，污染膜的清洗在实际生产中不可避免。

根据我厂超滤运行4年的实际统计，膜的清洗和更换预计占运行成本的50%，占整个超滤系统总成本的30%，因此对污染膜进行有效清洗是降低成本的有效途径。鉴于珠江水细菌含量较高，在进入超滤装置之前又没有较好的除菌设备，所以在超滤膜截流细菌以后，由于天气炎热，细菌大量繁殖结层，严重污堵超滤膜的现象以后也会发生。加强超滤清洗力度和清洗效率迫在眉睫。

通过对超滤的操作条件及水质条件、化学清洗过程和时间及化学清洗条件、超滤运行及超滤压力等对膜清洗效率的影响做出详细对比，寻找能获得最佳膜清洗效率的超滤操作方法，降低运行成本，为超滤预除珠江水中的菌体、实现珠江澄清水的高利用率提供部分依据。

1实验材料与方法

1.1 实验材料

超滤料液：新鲜谷氨酸发酵液，天津静海味精厂提供。正常放罐时发酵液的PH值6.8～7.2，温度为34～36℃，呈乳白色或淡黄色，主要成分有：细菌体3%～4%，谷氨酸7%～8%，可溶蛋白1%，残糖0.8%，氨离子0.6%～0.8%，其他氨基酸主要是丙氨酸等约0.6%～0.8%。另有少量色素、乳酸等发酵副产物。

错流超滤系统由天津膜天膜工程技术有限公司提供，如图一所示。膜组建由4跟长25cm的膜丝组成，总几何面积为34.68cm2，中科院生态环境研究中心提供，材料聚砜，切割分子量20000～30000，表面带有微量负电荷。

1.2实验方法

发酵液超滤液和清洗顺序如图2所示。测定新膜的纯水通量J0之前，将膜组件在足够体积（将膜组件淹没）的去离子水中浸泡24h，之后在不同超滤操作条件下分别超滤2L谷氨酸发酵液，使膜在不同条件下得到污染，将膜组建从系统中移走，用去离子水轻轻冲洗膜组件以去除松散黏附层。

系统经1%NaOH溶液循环清洗、去离子水反复冲洗后，将已知纯水通量的污染膜组件依次安装好，用质量分数为0.3%、体积为1.5L的Ultrasil 11（去离子水配制）溶液，室温清洗20min，重新将系统用去离子水冲洗干净后，超滤1.5L去离子水，测清洗后膜的纯水通量Jc，所有的清洗操作压力均为0.02Mpa，方式为全循环清洗。

采用通量恢复系数来评价清洗效果，通量恢复系数（rc）定义为清洗后的膜在一定压力（除特殊说明外，均为0.08Mpa）、一定温度（除特殊说明外，均为室温）下纯水通量Jc（L·m-2·h-1）之比：

rc=Jc/J0×100%

2实验结果与讨论

2.1超滤溶液PH值和离子强度对清洗效率的影响

超滤溶液的pH值和离子强度通过改变膜和溶质的表面电荷影响膜面污染层结构，间接影响清洗过程进而影响清洗效率。

很明显，离子强度相同时，除PH值为9.0以外，清洗效率随污染效率达99.48%，这可能是在较强的酸性条件下，由于发酵液中的菌体和蛋白质呈正电性，牢固地吸附在带负电荷的膜面上，滤饼层比较紧密，清洗比较困难，清洗效率低；随着PH值由2.77提高到70.00，污染物（菌体和蛋白质）所带正电荷在减少（等电点附近为零），污染物与膜面的结合力较弱，滤饼层比较疏松，清洗剂较容易渗透进入膜面污染层的孔隙，滤饼易被腐蚀而脱落，清洗比较容易，清洗效率高；再进一步提高PH值时，溶液呈碱性，污染物逐渐带上负电荷，虽然与同样带负电荷的膜面由于静电斥力结合力进一步减弱，但是由于清洗剂中的主要成分——阴离子表面活性剂也带负电荷，由于强大的静电排斥作用，清洗剂分子难以接近污染物层并深入其内部，所以清洗效果反而大大下降，仅为82.71%。

2.2超滤压力对清洗效率的影响

一般来说，超滤过程中高跨膜压差加速通量降低，形成的滤饼更致密，同时会造成更多的孔内污染，清洗较困难。为验证上述观点，分别对超滤压力为0.05和0.08Mpa污染膜进行了清洗，结果则表明清洗效率随着跨膜压差的升高而升高，超滤压力为0.05Mpa时，清洗效率为86.49%，压力为0.08Mpa时清洗效率则高达99.48%。为对上述结果进行解释，笔者对清洗前污染膜的吸附阻力进行了测定，在超滤压力为0.05和0.08Mpa时，阻力分别为10.39×10-12和1.54×10-12m-1，也就是说尽管压力较高时膜面的溶质浓度较压力低时大，但吸附阻力却低得多。错流过滤时，比阻力在低压范围内随压力的增大而减小，而在高压时，随压力的增大而增大。这里我们将膜面沉积颗粒所具有的最小直径称为截留直径，低压范围内当通量增加或剪切力提高时，截留直径增大，即较大的颗粒沉积到膜面。因此，跨膜压差增大时，滤饼中颗粒的平均直径增大，通透性较好，阻力降低，而滤饼孔隙度的增加似的清洗剂易进入空隙与污染层作用，因此得到上述超滤压力大，清洗效率好的结论。

如果超滤过程的膜污染以孔内污染为主，那么超滤压力越大污染就越严重，越不易清洗，即超滤压力越大，清洗效率越差，反之，如果以膜面污染为主，因此可以推测谷氨酸发酵液对聚砜超滤膜的污染以膜表面的吸附沉积为主，而非孔内堵塞，这一观点对研究超滤谷氨酸发酵液的膜污染机理有一定的参考价值。