迪恩涡编织型中空纤维膜分离黏土悬浮液研究.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 0 4 年5 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r m t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．3 M a y2 0 0 4 文章编号；1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 3 0 3 0 3 0 4 迪恩涡编织型中空纤维膜分离黏土悬浮液研究 刘建文1 ，湛含辉2 ，单忠键1 1 ．中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．株溯工学院，湖南株洲4 1 2 0 0 8 摘要研究了一种新型编织中空纤维超滤膜，分析了这种膜对纯水和黏土悬浮液的分离效果， 比较了同类型中直线型超滤膜的性能差别，对不同浓度黏土悬浮液渗透通量衰减性能、渗透回收 率和能量消耗迸- H - 了对比试验．结果表明，由于迪恩涡的强化传质作用，编织型中空纤维膜过滤 黏土悬浮液时极限渗透流量比线性中空纤维膜高4 0 ％～1 1 0 ％，而单位渗透流量的能耗只有线 性中空纤维膜的5 0 ％～7 0 ％，且随污染物浓度升高，极限渗连流量的改善和单位渗透流量的能 耗降低效果更明显． 关键词编织中空纤维膜；膜污染；二次流 迪恩涡 中图分类号T B1 文献标识码A S t u d yi n t oS e p a r a t i n gC l a yS u s p e n s i o nU s i n gD e a nV o r t e xH o l l o w W o v e nF i b e rM e m b r a n e L I UJ i a n w e n l ，Z H A NH a n h u i 2 ，S H A NZ h o n g j i a n 9 1 1 ．S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n v J r 6 n m e n t a | E n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e l j l n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a 2 ．Z h u z h o uI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，Z h u z h o u ，H u n a n4 1 2 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t An e wt y p eo fw o v e nh o l l o wf i h e rU Fm e m b r a n ei sd e v e l o p e d ．T h es e p a r a t i o n p e r f o r m a n c eo fp u r ew a t e r a n dc l a ys u s p e n s i o nu s i n gt h i sm e m b r a n ei sa n a l y z e d ．A n dt h e p e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eo ft h ed e v e l o p e dh o l l o ww o v e nm e m b r a n ea n dl i n eh o l l o wf i b e rm e m b r a n ei s c o m p a r e d ．T h ei n f i l t r a t i n gf l u xd e c l i n i n gp e r f o r m a n c e ，r e c l a i m i n gr a t i o ，a n de n e r g yc o n s u m p t i o n f o rd i f f e r e n tc l a ys u s p e n s i o nc o n c e n t r a t i o na r ec o m p a r e d ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a t ，i nf i l t e r i n gc l a y s u s p e n s i o n ，t h el i m i ti n f i l t r a t i n gf l u xu s i n gt h eh o l l o ww o v e nf i b e rm e m b r a n ei s4 0 ％～1 1 0 ％ h i g h e rt h a nt h a tu s i n gl i n eh o l l o wf i b e rm e m b r a n e ，a n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fh o l l o ww o v e n m e m b r a n ei ao n l y5 0 ％～7 0 ％o ft h ef i n eh o l l o wf i b e rm e m b r a n e ，M o r e o v e r ，w i t ht h ej n c r e a s eo f c o n c e n t r a t i o no fp o l l u t i o nm a t t e r ，t h i sc h a r a c t e r i s t i cb e c o m e sm o r eo b v i o u s ． K e yw o r d s w o v e nh o l l o wf i b e rm e m b r a n e ；m e m b r a n ef o u l i n g ；s e c o n d a r yf l o w ；d e a nv o r t e x 在超滤过程中，膜污染和浓差极化是最主要的 问题，因为它们限制了渗透量．工艺的改善如模型 的优化是为了产生二次流来增加渗透量[ 1 ⋯．迪恩 涡是建立在弯曲管道中的一种流体力学现象弘“． 在膜分离工艺和热能工程中，迪恩涡被用于增加传 质[ ”] ．在螺旋模型中对大分子溶液，胶体，乳胶或 酵母溶液的超滤时，D ．N ．K u a k u v i ，P ．M o u l i n ， F ．c h a r b i t [ u 1 研究了由这种复杂流体力学现象导致 的传质增加情况． 但是除了M o u l i n 等已经研究了面积为0 ．9m 2 的大型螺旋模型外，还没有其它关于大型超滤模型 的报道．螺旋型中空纤维膜具有两个不可克服的缺 收葛日期} 2 0 0 3 0 9 0 3 基金项目，国家自然科学基金项目 5 0 2 7 4 0 8 0 作者简介。刘建文 1 9 6 4 一 ，男，湖南省衡山市人，中国矿业犬学博士研究生，湖南天泰能源公司高级工程师，从事膜分离技术及应用方 面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 点1 不能提供大的填充密度；2 增加中空纤维 膜的机械剪切力．为了设计出一个没有这些缺陷的 大型模型，学者们将注意力集中在模型的几何形状 上．例如，O p h o f f 等就在螺旋弯曲的管状模型中作 了超滤实验．T a n i s h i t a 等测试了在有氧血液里面 的编织中空纤维设计． 本研究拟对可商业应用的编织型中空纤维膜 模型 面积为0 ．0 3m 2 在对含黏土悬浮液进行超 滤实验，以比较编织中空纤维模型和直线式模型二 种几何形状的渗透流量衰减与极限流量以及渗透 回收率与能量消耗． 1 迪恩涡 迪恩涡现象是由迪恩 1 9 2 8 首先观察到的在 一个弯曲的管中，中心部分的流体在离心力的驱动 下朝着外壁运动，从而形成二次流，二次流又驱使 管壁附近水流向里运动，中心水流向外运动． 在螺旋管中的水流迪恩数 眈 被定义为 ／- 7 - , 眈一船√象， 1 式中船为雷诺数；反为内直径，m ；d 。为螺圈直 径。m ． 式中，为管中的摩擦系数；如为螺旋纤维全长， i n ；A p 为压力降，P a ；”为液体速度m ／s ；P 为密度， k g ／m 3 ． 在螺旋管中的摩擦系数，可以从M i s h r a 等的 关系式中计算出来，这个关系式给出了螺管中的摩 擦系数，c 和一相似直管中摩擦系数 的比例为 f 等 1 0 ．0 3 3 1g D e ‘ 4 ． 5 Jo 这个相关关系式是在如下实验条件下建立起 来的，即 0 ．0 0 3 d W 盔 0 ．1 5 ；O b ／以 2 5 ．4 ； 1 D e 7 3 0 0 ． 6 在我们的编织型中空纤维模型 如图1 所示 中，公式5 中的M i s h r a 和G u p t a 关系式不适用，因 为几何参数超过了公式 6 所示的上限值．因此我 们要用实验的方法测试编织中空纤维的压力差并 测定其渗透性能． 在螺旋管中，考虑螺距6 效果，优化的迪恩数 m 锦飙0 1I 麟 眈‘为 趣．1 1 瓣紫糕熏黧， D e 一R e ， 2 2 实验部分 式中正表示有效螺圈直径，该直径随着螺距6 的 变化而变化如下 z 矾[ 轰 2 ] ， ㈣ 在层流的情况下根据H a g e n p o i s e u i l l e 定理给出纤 维中的压力降卸为 邸一粤竽， 4 2 ．1 中空纤维膜 采用聚砜P S 空纤维超滤膜 长沙新顺昌净水 设备有限公司 ，切割分子量为6 5k D ，内径是 0 ．7 5m m ．实验所使用的两种类型的膜组件为作者 自行设计、制作．传统线型膜组件中的中空纤维平 行排列，用字母S 标明，而编织模型中用字母w 标 明．s 型膜面积为0 ．0 4 5m 2 ，W 型膜的表面积为 0 ．0 3m 2 ．模型的特征见表1 ． 表1 超滤中空纤维模型的特点 T a M e1C h a r a c t e r i s t i co fu I f r a f Ⅱt r 州i o nh o I l o w Ⅵo v e nr o o d e l 墨蔓且煎垄鉴红鱼垫』璺堑鳖墼生一』 婴 照耍i 型璺圭』巴璺』 墨垒耋 1 w 7编织型0 ．3 60 ．2 81 20 ．7 00 ，0 0 731 ．2 7 ．5 ～ 一 1 9 ．4 9 1 94 9 一本文 本文 1 ．5本文 1 ．5 本文 注“为螺旋纤维全长 m ，“为膜组件中纤维有效工作长度 叽∞∞ 0 0 0 0 O加仆％”两 礼吼m n 饥“ ∞∞蚰∞蛐如如∞∞仉仉仉仉饥蚰驼弛站弛 仉m m m 札 型型型型型缱线线织织直直直缩缩 耐驯呲眦眦 万方数据 第3 期刘建文迪恩涡编织型中空纤维膜分离黏土悬浮液研究 2 ．2 实验装置和步骤 实验装置流程见图2 图2 编织、线型中空纤维膜渗透试验装置 F i g ．1D i a g r a mo fw o v e na n dc o i l e dh o l l o wf i b e r m e m b e r a n e 装置中的料液槽是一个可控制温度的搅动器， 它的温度保持在2 0 ℃不变．一个容积泵传递一个 恒流量，不考虑其压降．为维持恒定的悬浮液浓度， 渗透液和滞留物重新循环到料液槽．流量用流量计 和量筒来测量，采样时间为2m i n ，中空纤维膜中 错流速度范围与层流条件下的一致．压力可通过一 个压力计精确测得．平均膜压加，为 A 。 户． p o ／2 一丸， 7 式中A 为进口压力} A 为出口压力≠加为渗透压 力． 方程式 7 是真正渗透膜压的非常近似值，因 为相对错流率而言渗透率是可忽略不计的，即可假 定压降是线性的．膜中的压降△户是进口和出口处 的压力差 A p P l P 。． 8 试验步骤先用市售饮用纯水测试各膜组件渗 透流量压力关系，然后黏土与城市自来水分别配制 浓度为2 3 0 ，3 4 0m g ／L 黏土悬浮液，用12 5 0 目细 筛过滤掉悬浮液中粗颗粒，在A 为1 ．6k g ／c m 2 和 A 为1 ．4k g ／c m 2 时，测试膜组件渗透流量一时间关 系，采样时间间隔为1 5m i n ． 3 结果与讨论 3 ．1 纯水渗透回收率 图3 为采用纯水对编织型／线型中空纤维膜纯 水渗透回收率一压力关系试验结果． 8 0 喜6 0 董柏 鬟2 0 o 0 ．809 101 1 1 ．31 ．5 17l _ 9 p n ／池e r a - 2 图3 纯水渗透回收率一压力曲线 F i g ．1 R a t i oo fp u r ew a t e rp e r m e a t i n gr e c l a m a t i o n p r e s s u r e 从图3 可看出，编织型中空纤维膜纯水渗透回 收率是线性中空纤维膜的2 ～2 ．5 倍． 3 ．2 纯水渗透能耗 能量消耗是工业生产所必须考虑的重要方面． 在特定流速下，由于额外的黏力扩散，曲型管中的 压降比在直管中的要高．所以对编织型过滤系统和 传统的直线型系统的能量消耗非常重要．由于进口 与出口处间的压力差△P 和通过膜的压降P t 。的原 因，过滤所消耗的能量用灿表示 p d E Q A p Q p p 。] ， 9 式中岛是渗透流量；Q 是膜人I Z l 液体总流量． 单位渗透量能耗E 为 E E Q ／Q 。A p p 。] ／3 ．6 1 0 6 ． 1 0 图4 为采用式 1 0 计算出的纯水对编织型／线 型中空纤维膜纯水渗透能耗一压力关系试验结果． R m ，恤e n l 。 图4 纯水渗透能耗一压力曲线 F i g ．4E n e r g yc o n s u m p t i o n p r e s s u r ec u r v e s 从图4 可以看出，两种编织型中空纤维膜纯水 渗透能耗非常接近，且均比线性中空纤维膜能耗少 3 0 ％～4 0 ％，而在渗透压力为0 ．8k g ／c m 2 时能耗 高1 ～3 倍，原因是此处膜组件进出口压力差 A p 0 ．4k g ／c m 2 比其他点 △户一0 ．2k g ／c m 2 高1 倍． 3 ．3 渗透流量衰减试验 试验条件为黏土悬浮液浓度S l l ／W I O2 3 0 m g ／L ，S 1 2 ／W l l3 4 0m g ／L ，操作压力1 ．5k g ／c m 2 ． 图5 为编织／线型中空纤维膜组件不同黏土悬浮液 渗透通量一时间关系试验结果． 著i ● 童3 、2 袭t 馨o 5 4 5 7 5 1 0 51 3 5 1 6 51 9 52 2 5 t ／r a i n 图5 黏土悬浮液渗透通量一时间曲线 F i g ．5 P e r m e a t i o n { l I l x t i m ec u r v eo i lc l a ys u s p e n s i o n 从图5 可以看出，低浓度时编织型W l O 极限 渗透通量比线型S l l 高2 0 ％～3 0 ％I 而在高浓度 时，编织型W l l 极限渗透通量比线型S 1 2 高 1 1 0 ％． 3 ．4 黏土暑浮液渗透衰减回收率 试验条件同3 ．3 ，图6 为编织／线型中空纤维 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 膜组件不同黏土悬浮液渗透回收率一时间关系试验 结果． 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 54 57 51 0 51 3 51 6 51 9 52 2 5 f ／m l a 图6 黏土悬浮j 莪渗透回收一时问曲线 F i g ．6R e c o v e r y t i m ec u r v eo fc l a ys u s p e n s i o n 从图6 可以看出，编织型中空纤维膜渗透回收 率是线型中空纤维膜的4 ～5 倍．编织型中空纤维 膜渗透回收率曲线波动的原因是试验时膜进出口 压差△p 会比设定的压差A p 0 ．2k g ／c m 2 小，为 保持压差的恒定须经常调节调压阀，而线型中空纤 维膜试验时调好设定压差后几乎无变化． 3 ．5 黏土悬浮液渗透衰减能耗 试验条件同3 ．3 ，图7 为编织／线型中空纤维 膜组件不同浓度黏土悬浮液单位渗透能耗一时间关 系试验结果． ／r a i n 图7 黏土悬浮液单位渗透艟耗一时间曲线 F i g 7E n 。‘g yc 0 8 to fP “u n i tp e r m e a t i n gf l u lo “c h y s u 啦n 3 啪一t i m ec u r v e 据图5 编织型w 1 0 及W 1 1 不同浓度黏土悬 浮液在选定的工作压力下略有差异，但据图4 ，7 。 单位渗透流量能耗非常接近，且随污染物浓度的提 高，单位渗透流量能耗并显著增加．而线性S l l 与 1 2 随污染物浓度的提高，渗透量显著降低，单位 渗透流量能耗显著增加．线性中空纤维膜组件单位 渗透流量能耗是编织型的1 ．4 ～1 ．9 5 倍． 4 结论 1 对于编织型中空纤维膜，由于迪恩涡的强 化传质作用，过滤黏土悬浮液时极限渗透流量比线 性中空纤维膜高4 0 “～1 1 0 ％，且随污染物浓度升 高，极限渗透流量改善更明显． 2 编织型中空纤维膜单位渗透流量的能耗只 有线性中空纤维膜的5 0 ％～7 0 ％，且随污染物浓 度提高，单位渗透流量的能耗降低更明显． 3 对于迪恩涡强化编织型中空纤维膜纯水渗 透性能，单位渗透流量的能耗比线性中空纤维膜能 耗少3 0 ％～4 0 ％． 4 中空纤维膜组件两端压差增大，会显著增 加单位渗透流量的能耗，编织型中空纤维膜运行过 程中保持进口压力不变时，出口压力增加，从而减 少压差，增大膜渗透压力，由迪恩涡二次流作用增 大渗透通量，减少能耗． 参考文献 [ 1 3W i n z e l e rHB ，B e l l o r tG ．E n h a n c e dp e r f o r m a n c ef o r p r e s s u r e d r i v e nm e m b r a n ep r o c e g s , t h ea r g u m e n tf o r f l u i di n s t a b i l i t i e sE J 3 ．M e m b r a n eS c i e n c e ，1 9 9 3 ，8 0 3 5 4 7 ． [ 2 3G u i g u iC ，M a n n oP ，C l i f t o nMJ ．e ta 1 ．T h eu s eo f D e a nv o r t i c e si nc o i l e dh o l l o w f i b r eu l t r a f i h r a t i o n m e m b r a n e sf o rw a t e ra n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tE J ] ． D e s a l i n a t i o n ，1 9 9 B ，1 1 8 7 3 7 8 ． [ 3 ] M a n n oP ，M o u l i nP ，R o u c hJC ，C l i f t o nM ，e ta 1 ． M a s st r a n s f e ri m p r o v e m e n ti nh e l i c a l l yw o u n dh o l l o w f i b r eu l t r a f f l t r a t i o nm o d u l e sy e a s ts u s p e n s i o n s [ J ] ． S e p a r a t i o na n dP u r i f i c a t i o nT e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，1 4 1 7 5 1 8 2 ． [ 4 3M a l l u b h o t l aH ．S c h m i d tM ，L e eKH ，B e l f o r tG ． F l u xe n h a n c e m e n td u r i n gD e a nv o r t e xt u b u l a r Ⅱ圯m b r f i n en a n of i l t r a t i o n 1 3 ．E f f e c t so fc o n c e n t r a t i o n a n ds o l u t et y p e [ J ] ．M e m b r a n eS c i e n c e ，1 9 9 9 ，1 5 3 t 2 5 9 2 6 9 ． [ 5 ] M a l l u b h o t l aH ，L e eKH ．D e s i g no fac o i l e dh o l l o w f i b e rm o d u hf o re n h a n c e du l t r i f i l t r a t i o np e r e f o r m a n e e 口] ．M e m b rS c i ，1 9 9 9 ，1 5 3 ；2 5 9 2 6 4 ． [ 6 ] B e s t a k iNA ，A b b a sA ．U s eo ff l u i di n s t a b i l i t i e st o e n h a n c em e m b r a n ep e r f o r m a n c e ；ar e v i e w [ J ] ．D e s a l i n a t i o n2 0 0 1 ，1 3 6l2 5 5 - 2 6 2 ． [ 7 ] 湛含辉．二次流现象及其初步研究口] ．株洲工学院 学报，2 0 0 1 ．1 5 3 2 7 2 9 ． [ 8 ] 湛含辉．二相流体中的二次流与稳定化效应[ J ] ．株 洲工学院学报，2 0 0 2 ，1 6 1 1 2 7 2 9 ． [ 9 ] 黄卫星，株文梅．工程潍体力学[ M ] ．北京化学工 业出版社。2 0 0 1 ． [ 1 0 ] G e l f g a tY A ．D e a nv o r t i c e s i n d u c e de n h a n c e m e n to f M a s st r a n s f e rt h r o u g ha ni n t e r f a c es e p a r a t i n gt W Oi m m i s c i b l el i q u i d s [ j ] ．P h y s i c s0 fF l u i d s ，2 0 0 3 ，1 5 2 3 3 0 3 4 7 ． [ 1 1 ] K u a k u v iDN ，M o u l i nP ．C h a r b i tF ．D e a nv o r t i c e s ac o m p a r i s o no fw o v e nv e r s u sh e l i c a la n ds t r a i g h t h o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l e s 口] ．M e m b r a n eS c i e n c e ．2 0 0 0 1 7 1 5 9 6 5 ． 责任编辑李戚俊 喜督凰*秘 万方数据