电场强化错流膜过滤的研究

，，（，200092）。，，。、、，Yamamura［1］：、；（），。，，。，，，，：2009-02-17；：2009-04-24：。、、4。，。。，，。，。Zeta、、，。：；；；；：TQ028.8：A：%1009－2455（2009）04－0013－06AstudyofelectricallyenhancedcrossflowmembranefiltrationHUJing-yi，DENGHui-ping，SHANGRan（EnvironmentalScienceandEngineeringDepartment,TongjiUniversity,Shanghai200092,China）Abstract：Thetechnologyofelectricallyenhancedcrossflowmembranefiltrationcanamelioratetheadverseimpactsofmembranefoulingandconcentrationpolarizationeffectively.Fouraspects:electrofiltrationdevice,mechanism,appliedelectricfieldandfactorswhichaffectfiltrationfluxofthesaidtechnologywerereviewed.Anewlydevelopedexternalelectricfieldhollowfibermembranemoduleovercomestheshortcomingsoftraditionalmembranefiltrationmodule,andshowsbrightprospectsofengineeringapplication.Electrokineticeffect—electrophoresisandelectroosmosis,aswellaselectrochemicaleffectcanhappenduringtheprocessofelectricallyenhancedcrossflowmembranefiltration.Electrophoresisisthemainfactorthatcausethemembranefouling,andthroughthecooperativeeffectofitandelectroosmosis,thefiltrationfluxcanbegreatlyimproved.Thepulsedelectricfieldcanslowdownthedecreasingdegreeoffiltrationvelocityandsavetheconsumptionofelectricpowerperunitvolumeofpermeate.WhenthesuspendedparticlespossesseshigherZetapotential,externalelectricfieldisstrong,transmembranepressureapproachescriticalvalueandcrossflowvelocityishigher,thelimitingfiltrationfluxcanbeincreased.Keywords：crossflow;electricfieldenhancement;eletricfieldmembrane;membranefouling;fluxINDUSTRIALWATER＆WASTEWATERVol．40No．4Aug.，2009·13·INDUSTRIALWATER＆WASTEWATERVol．40No．4Aug.，2009、。，。：、、、（、）［2］。，，，、，、（）［3］。1977Henry，［3］；1994J．Jurado［4］；1996JagannadhMuralidhare［2］；2005JOKim，、，［5］；2007B．Sarkar，［3］。、、4。11．11。，，。，［6］，。，，。，。1．22［6］。，，；，Bowen［7］，，。，，，，。Wakeman［8］，，。1．3，，［9］（ElectricHollowFiberMembraneModule，E－HFM），3。，，。AB，。、、，。2。1Fig．1Flatsheetmembranemodulewithexternalelectricfield2Fig．2Tubularmembranemodulewithmembraneasanelectrode3Fig．3Externalelectricfieldhollowfibermembranemodule（E－HFM）+-·14·，，：、，；，。2．12．1．1，，。4［3］，。，，；，。，，［10］。，。vp（cm／s）up（cm2／（V·s）），MarianSmoluchowski［6］：up＝vp／E＝10εζ／η（1）：ζ———Zeta，mV；ε———，F／m；η———，Pa·s；E———，V／cm。（1），，ZetaEup。Zeta，pH、。，ZetaCOO－NH3＋，pH，pH［11］。Zeta［12］，Ca2＋、Mg2＋，，Zeta。，，Zeta［6］。，Zeta（ζ＜－30mV），（1），，。2．1．2，［13］，［14-15］。，，Rm′（cm－1）［2］：Rm′＝Rm／［（JE＝0+Ja）／JE＝0］（2）：Rm———，cm-1；JE＝0———，mL／（cm2·s）；Ja———，mL／（cm2·s）。，J（mL／（cm2·s））［3］：J＝1000ΔP／η（Rm+Rf+Rc）（3）：ΔP———，kPa；Rc———，cm-1；Rf———，cm-1。（2），Rm；，，RcRf，（3），，（Rm+Rf+Rc），。Chaung［11］，，，；（3．1），，。，4Fig．4Mass－transferprocessofparticlesoverthemembranesurfaceCpCgδcVWCbδgx·15·INDUSTRIALWATER＆WASTEWATERVol．40No．4Aug.，2009，，，。［16－17］，vp，JaZeta。2．2，［6］。［18］：：2H2O＋2e－→H2＋2OH－Mcn＋＋ne－→Mc：2H2O→O2＋4H＋＋4e－Ma→Man＋＋ne－Mc、Ma。［14］，、，，0．10～10mS／cm。，。，Weber［19］，。O2H2，，，。，H＋OH－，pH，Zeta，。33．1［6］。，，；，，，［20］，Ecritical。，，［10］。［6］：Ecritical=Jcritical／up（4）：Jcritical———，，mL／（cm2·s）。，，，，。J．O.Kim［5］：，，，。GCCYang［21］，，，，，，。3．2，，。，，，［10］。，、，，。［10］0．18μm，0．12MPa，36L／h，60V／cm，0．015％SiO2，10s／10s（10s，10s）、3min／3min、6min／6min、10min／10min，50min（）。：，，，，。B．Sarkar［18］3kg／m3120Brix，360kPa，0．12m／s，1000V／m，6．5L／（m2·h）25．2L／（m2·h），0．83kW·h／m3；，（3∶1）0．65kW·h／m3。OH－H2，OH－，pH，·16·。，500V／m，pH3．974．6，3∶1，pH4．4，pH。44：（、Zeta、）；（）；；。4．1HMHuotari［22］（＜30nm），，，，；0．1～1μm，，，。ZetapH、。Cornelissen［16］，Zeta－5mV，15kV／m，35L／（m2·h）70L／（m2·h），Zeta：－67mV，2．4kV／m75L／（m2·h）350L／（m2·h）。，。，，［23］。4．2（）WengYH［17］，100μS／cm，，：（）。25、50、75100V，4％、7％、11％、18％，。，。4．3，。，，，（）。GCCYang［21］，110V／cm（），17．36cm／s，68．9、137．8、275．6kPa，：275．6kPa1．9mL／（cm2·min），10min0．9mL／（cm2·min），20min。：，，，。4．4，，，，，［24］。0．1m／s，［8］。5（1），（E－HFM）、，。（2）。。，。（3）。，，、，，，。，。（4）4：、、。Zeta、、，。（5），；，，。：①。，，：·17·INDUSTRIALWATER＆WASTEWATERVol．40No．4Aug.，2009，，，，；②。，。：［1］YamamuraH，ChaeS，KimuraK，etal．Transitioninfoulingmechanisminmicrofiltrationofasurfacewater［J］．WatRes，2007，41（17）：3812－3822．［2］JagannadhSN，MuralidhareHS．Electrokineticsmethodstocontrolmembranefouling［J］．IndustialandEngineeringChemistryResearch，1996，35（4）：1133－1140．［3］BSarkar，SPal，TBGhosh，etal．Astudyofelectricfieldenhancedultrafiltrationofsyntheticfruitjuiceandopticalquantificationofgeldeposition［J］．MembraneScience，2008，311（1－2）：112－120．［4］，，，．［J］．，2000，35（12）：27－30．［5］JOKim，JTJung，ITYeom，etal．Electricfieldstreatmentforthereductionofmembranefouling，theinactivationofbacteriaandtheenhancementofparticlecoagulation［J］．Desalination，2007，202（1－3）：31－37．［6］HuotariHM，TragardhG，HuismanIH，etal．CrossflowmembranefiltrationenhancedbyanexternalDCelectricfield：Areview［J］．ChemicalEngineeringResearchandDesign，1999，77（A5）：461－468．［7］BowenWR，CasseyB，JonesP，etal．Modellingtheperformanceofmembranenanofiltration－applicationtoanindustriallyrelevantseparation［J］．MembraneScience，2004，242（1－2）：211－220.［8］WakemanRJ，TarletonES．Anexperimentalstudyofelectroacou-sticcrossflowmicrofiltration［J］．ChemicalEngineeringResearchandDesign，1991，69（A5）：386－397．［9］，，，．［J］．，2009，29（1）：1－5．［10］，·，，．［J］．，1998，（1）：3－8．［11］ChaungCJ，CYWu，CCWu．Combinationofcrossflowandelectricfieldformicrofiltrationofprotein／microbialcellsuspensions［J］．Desalination，2008，233（1－3）：295－302．［12］Pr