氧化铝陶瓷膜分离高浊度水试验研究

　　目前膜分离技术正逐渐成为给水领域的研究热点［1］，由于军队特殊的战术技术要求，需要性能稳定、操作简单、维护方便、小型机动的给水处理装备对部队行动进行机动保障，氧化铝陶瓷膜分离处理高浊度原水越来越受到重视，但目前有关资料报道很少，我们对氧化铝陶瓷膜分离处理高浊度水进行了试验研究。
1.试验装置及方法
1.1原水配制
　　考虑到试验主要是研究氧化铝陶瓷膜分离水中浊度的性能，因此本试验取未被有机物污染的粘土，烘干，研末，200目筛过筛，与自来水配制成需要的相应浊度的试验用原水。
1.2试验装置
　　氧化铝陶瓷膜选用南京化工大学膜科学技术研究所研制生产的19孔中空管状膜，管长为0.5m，孔径为0.8μm、0.2μm、50nm，过滤面积为0.11m2，水泵扬程30m，流量5m3/h，过滤方式为错流过渡。
　　原水箱1中的原水由进水泵2打入膜组件5内，经膜分离后净水流入净水箱6内，浓水循环回流入原水箱1内。膜组件间歇式运行，定时反冲洗，防止膜污染。反冲时，溶气罐7从净水箱中吸入清水，在空压机8的高压气体作用下，气水混合液高速冲刷膜组件，形成的剪切力可以清除附着在膜表面凝胶层及膜孔内的颗粒物。进水压力由压力表P1控制，反冲洗压力由压力表P3控制。
1.3分析仪器及方法
　　浊度采用HACH-2100N测定，污染指数FI采用FI测定仪测定。
　　污染指数FI采用参考文献[2]中的方法测定,数值用公式
　　FI＝（1－t1/t2）/15×100%
　　计算。
　　膜通量采用转子流量计测定。
2.结果与分析
2.1分离处理效果
　　配制浊度为50°、100°、150°、250°、500°的原水，分别采用孔径为0.8μm、0.2μm、50nm的膜进行浊水分离试验，调节进水压力0.17MPa、错流流量43LPM（膜面流速3m/L），对分离处理后的清水的浊度、浊度去除率及污染指数FI值进行测定。结果见表1。

原水浊度	50°	100°	150°	250°	500°
膜出水水质		浊度/NTU	污染指数	浊度/NTU	污染指数	浊度/NTU	污染指数	浊度/NTU	污染指数	浊度/NTU	污染指数
0.8μm	0.18	4.5	0.18	4.5	0.19	4.6	0.20	4.6	0.23	4.8
0.2μm	0.10	3.4	0.12	3.6	0.12	3.6	0.12	3.7	0.13	3.6
50nm	0．05	2．9	0.05	2.8	0.06	2.9	0.05	2.9	0.08	3.0

　　上述三种不同孔径的膜对不同浊度的原水进行分离，分离处理后的清水浊度都在0.23之下，远远小于国家自来水规定浊度（浊度不大于5度），因此三种不同孔径的膜都适宜作为给水处理设备，但由比较可知50nm的膜处理效果更好。
　　试验结果显示分离清水的水质不作为氧化铝陶瓷超滤膜分离浊水性能的衡量指标。
2.2膜通量衰减过程及膜孔径选择
　　配制原水浊度100°，调节进水压力0.17MPa、膜后流量43LPM（膜面流速3m/L），控制反冲周期为10min，考察孔径为0.8μm、0.2μm、50nm的膜膜通量随时间的衰减变化规律。
2.2.1　　0.2μm氧化铝陶瓷膜通量衰减试验及数据分析
　　整个膜通量的变化可以大致分为两个阶段,前80分钟为第一阶段，之后为第二阶段。
　　在第一阶段，膜通量不断衰减，从最初的363.6L/(h·m2)，降为236.4 L/(h·m2)。在这一阶段，膜通量的衰减很快，但是反冲可以有效的恢复膜通量，但是随着运行时间的增加，反冲的效果越来越小。这是因为，这一阶段主要的膜污染阻力是在膜表面形成的滤饼层引起的，反冲可以有效地破坏滤饼层的形成；但同时这一阶段也是凝胶层的逐渐形成阶段，所以反冲效果会逐渐降低，直到凝胶层形成后，反冲失去效果，于是开始进入第二阶段。第二阶段，膜通量基本稳定在236.4 L/(h·m2)左右，反冲效果不明显。
2.2.2　　0.8μm氧化铝陶瓷膜通量衰减试验及数据分析
　　从图3可以知道，前20min，膜通量从345 L/(h·m2)一直衰减到236 L/(h·m2)，之后膜通量基本稳定在236～155 L/(h·m2)范围。
2.2.3　　50nm氧化铝陶瓷膜通量衰减试验及数据分析
　　膜通量随时间一直在降低，在最初的10min内衰减比较显著，从最初的590.9 L/(h·m2)降为372.7 L/(h·m2)，之后衰减比较平缓，2h后基本稳定在254.5 L/(h·m2)。
　　试验结果还显示，选用较大膜孔径，膜通量反而较低。这是因为当待分离的粒子的尺寸与膜孔相近时，由于压力作用，清水透过膜时把粒子带向膜面，极易产生堵塞作用，而当膜孔径小于粒子尺寸，由于横切流作用，它们在膜表面很难停留聚集，因而不易堵塞。因而较大的膜孔径因有更高的污染速率，反而使膜通量下降。
　　由试验可知，50nm膜膜通量明显大于0.8μm和0.2μm膜，而浊度和污染指数也较两者小，本试验中50nm膜分离高浊度原水优于0.8μm和0.2μm膜。
3．结论及建议
（1）氧化铝陶瓷膜处理高浊度水过程中，运行初期膜通量随时间衰减很快，之后衰减趋于平缓，整体成线性下降趋势。无机污染对膜通量影响很大。
（2）50nm膜分离高浊度原水优于0.8μm和0.2μm膜，50nm膜膜通量明显大于0.8μm和0.2μm膜，而浊度和污染指数也较两者小。
（3）周期性反冲洗是减缓膜污染的有效方式，但这种方法不能完全清除膜污染，膜通量衰减到一定程度，需要进行化学清洗。
（4）合理选择工作压力、膜面流速和反冲时间很重要。具体应用中，应综合考虑成本与效用，根据膜及原水性质的区别，通过实验选择。
（5）目前，对氧化铝陶瓷膜处理高浊度水的分离机理及膜污染机理还只是初步的认识，仍需进一步研究。本文粗略探讨了0.8μm、0.2μm、50nm三种不同孔径的氧化铝陶瓷膜处理高浊度水时通量随时间的衰减变化规律，并对0.8μm、0.2μm、50nm三种不同孔径的氧化铝陶瓷膜性能进行了比较，希望能为相关研究提供有益的参考。