附加电场对中空纤维膜污染的减缓作用

中国环境科学2009,29(1)：1~5ChinaEnvironmentalScience附加电场对中空纤维膜污染的减缓作用商冉,邓慧萍*,赵纯,方火明(同济大学教育部长江水环境重点实验室,上海200092)摘要：通过对新型附加电场的中空纤维膜组件的实验室研究,探讨了电场对缓解微滤膜污染的作用.在恒定流量下过滤含有20mg/L腐殖酸的原水,无电压时,跨膜压力从0.0200MPa上升到0.0300MPa耗时2h,而施加60V电压时该时间段延长至10h.研究表明,原水中的腐殖酸在电场中发生电泳迁移,减少了向膜表面的移动,其对膜的污染被减缓;同时腐殖酸在电场中发生凝聚现象,沉积在膜表面形成疏松的滤饼层,是跨膜压力增加缓慢的另一原因.关键词：微滤膜；电场；膜污染；腐殖酸；电场膜滤中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2009)01-0001-05Effectofanelectricfieldonthefoulingofthehollowfibermicrofiltrationmembrane.SHANGRan,DENGHui-ping*,ZHAOChun,FANGHuo-ming(KeyLaboratoryofYangtzeRiverAquaticEnvironment,MinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(1)：1~5Abstract：Anewtypeofelectrichollowfibermembranemodulewasdevelopedforlaboratoryscaleresearch.Theeffectofanelectricfieldonthefoulingprocessofthehollowfibermicrofiltrationmembranewasinvestigatedinanewtypeofmodule.Thetransmembranepressure(TMP)wasincreasedfrom0.0200to0.0300MPaduringconstantflowfiltrationofrawwatercontaining20mg/Lhumicacid.Thetesttook10hoursusingavotageof60Vappliedacrossthemoduleand2hourswhennovoltagewasapplied.Undertheconditionofelectrophoreticmigration,themembranefoulingwasminimized,becausethemotionofhumicacidwasdirectedawayfrommembranesurface.Humicacidaggregatedinanelectricfieldandformedaloosecakelayeronthemembranesurface,whichalsorelievedmembranefouling.Keywords：microfiltrationmembrane；electricfield；membranefouling；humicacid；electrofiltration膜污染是制约膜技术在水处理工艺中应用的瓶颈.国内外研究者开发了各种组合工艺,通过对原水预处理缓解膜污染,主要有混凝-膜、混凝-砂滤-膜、GAC/PAC-膜、臭氧-膜以及加入微生物降解作用的MBR等工艺.然而,水处理中绝大多数的污染物质以及UF/MF膜本身都是带有电荷的,因此,膜分离技术中的电化学作用不可忽视.有研究者提出用直流电场来增加有压力的膜分离效率,并将这种方法称为附加电场膜分离(EF)[1-2].EF装置中膜的形式大都为平板膜,2个板状电极分别放置于平板膜的两侧.但是这种电场膜分离还处于实验室研究阶段.主要原因是这种EF组件中只能装填一张平板膜,过滤面积难以提高,过滤效率低.中空纤维膜组件(HFM)具有装填密度高、有效膜表面积比率高、耐高压且不需要支撑材料等优势,因而与平板膜相比,具有更广泛工程应用前景.作者利用中空纤维膜组件和电场膜过滤相结合,设计出一种新型的附加电场的中空纤维膜组件(E-HFM).通过平行试验,对比有无电场作用时腐殖酸对膜污染程度,观察E-HFM中电场对膜污染控制所起到的效果,探讨电场减缓膜污染发生的主要作用机理.1材料与方法1.1实验材料与装置附加电场的中空纤维膜组件(E-HFM)如图1所示.组件的制作材料与尺寸如下:中心阳极采收稿日期：2008-06-17基金项目：建设部水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2008ZX07425-007)*责任作者,教授,[e-mail]2中国环境科学29卷用惰性的钛合金材料(新乡未来水处理公司提供),其直径为3mm;外围阴极采用不锈钢材料制成,内径38mm,阴极和阳极距离17.5mm;膜丝用环氧树脂AB胶固定,均匀分布于阳极和阴极之间,每根膜丝在组件中有效过滤长度为200mm;组件外壳设计承压0.1MPa,容积约为230mL.外壳E接电源负极进水浓水出水接电源正极电极阴极中空纤维膜丝电极阳极图1附加电场的中空纤维膜组件(E-HFM)示意Fig.1Schematicdiagramoftheelectrichollowfibermembranemodule(E-HFM)在E-HFM中装入中空纤维微滤膜组成附加电场的中空纤维微滤膜组件(E-HFMF).微滤膜购自杭州凯洁膜分离公司,膜材质为聚丙烯,膜构型为中空纤维式.膜外径为380~420µm,膜壁厚为40~50µm,膜孔径为0.1~0.2µm.最佳运行压力为0.01~0.03MPa.本实验E-HFMF装置中装有膜丝60根,每根有效长度200mm.试验装置系统如图2所示.采用双路高精密直流稳压电源(上海华阳电子仪器二厂),电压可调范围为0~60.0V.采用YB-150A精密压力表(上海荣华仪表厂).E-HFM直流电源进水出水原水箱精密压力表错流出水清水箱图2E-HFM实验系统流程Fig.2Schematicdiagramofthelaboratory-scaleE-HFMsystem1.2含腐殖酸原水的配制将0.200g腐殖酸(上海巨枫生化制品厂)溶解于10mLNaOH溶液(1mol/L),移至1000mL容量瓶后定容.磁力搅拌器搅拌24h,令其充分溶解.腐殖酸浓度0.20g/L.然后用孔径0.45µm的微滤膜过滤,去除其中不溶解杂质.再将其稀释至10L作为原水,腐殖酸浓度为20mg/L.多次配制的原水DOC平均值为7.500mg/L(7.056~7.908mg/L),25℃电导率平均值为63.00µS/cm(56.42~69.73µS/cm).1.3恒流量过滤实验调节管路中的闸阀使进水流量保持为1.32L/h.采用死端过滤模式,无反冲洗.维持操作条件不变,分别做无电场过滤和有电场过滤2组平行试验.每组试验更换清洁膜,以确保组件工况完全相同.无电场工况下跨膜压力变化较快,每15min记录1次跨膜压力;有电场工况下每30min记录1次跨膜压力.由于流量恒定,可以用跨膜压力表征膜污染的程度.E-HFMF运行过程中,由于电场吸附作用,膜壳内腐殖酸被吸附浓缩.组件每运行60min需排出膜壳内的浓水,否则膜壳内腐殖酸浓度过高,导致出水DOC增加明显.1.4样品分析用0.45µm微滤膜过滤待测水样后测定溶解性有机碳(DOC).溶解性有机碳分析采用TOC-VCPH总有机碳分析仪(日本岛津公司).电导率的测定采用AB30电导率仪(FisherScientific,2-Cell).将清洁膜丝以及不同程度污染的膜丝分别做SEM分析,观察膜孔堵塞程度以及附着在膜丝表面污染物的形态.小心地将被污染的膜丝从组件中取出,用去离子水冲洗表面,在阴凉处晾干后,采用XL-30ESEM环境扫描电子显微镜(Philips公司)进行SEM分析.2结果与讨论2.1E-HFMF中电场对膜污染的影响由图3可见,在1.32L/h恒定通量下,无电场作用的中空纤维微滤膜被腐殖酸污染,跨膜压力从0.0200MPa上升到0.0300MPa用了2h;而在1期商冉等：附加电场对中空纤维膜污染的减缓作用3E-HFMF中施加60V电压时,跨膜压力从0.0200MPa上升到0.0300MPa所用的时间延长至10h.施加电场后膜污染的速率变缓.倘若按照跨膜压力的增加幅度来决定膜的反冲洗时,使用电场作用的E-HFMF过滤的反冲洗间隔时间可以延长数倍.00.00500.01000.01500.02000.02500.03000.035001234567891011过滤时间(h)跨膜压力(MPa)60V电压无电场图3恒定流量下附加60V电压与无电压过滤腐殖酸溶液过程中跨膜压力变化Fig.3Effectofvoltage(60Vand0V)onthetransmembranepressureduringfiltrationofthehumicacidsolutionatconstantflux2.2电场强度和电泳迁移对膜污染的控制作用无论有无电场作用,在组件中取出的被污染膜丝表面均呈黄褐色.不同的是,有电场作用的E-HFMF中,膜丝表面颜色的深浅不同.靠近中央阳极的颜色较浅;而远离中央阳极的颜色较深.图4是有无电场作用条件下,过滤原水一定时间后,从装置中取出膜丝所拍摄的照片.颜色较浅的膜丝(图4b)上附着的污染物少于颜色较深的膜丝(图4c).而无电场作用时的膜丝(图4d)污染最重,膜表面的滤饼层最厚实.液体电导率和电流一定时,该电场中某一点的电场强度与该点距离圆柱中轴线的距离成反比.本装置中心阳极处电场强度是外侧阴极处电场强度的12.7倍.因此,组件中膜丝的污染程度与膜丝所处位置的电场强度密切相关,膜丝所处电场强度越大膜污染程度越轻.电场对膜污染的缓解作用是由于腐殖酸胶体在电场中发生电泳迁移现象.由于带负电荷的腐殖酸在电场中的电泳迁移,其在膜表面的沉积减少[2-4].带电颗粒物质在电场中的电泳速率v(cm/s)按式(1)计算:vEm=⋅式中:E为电场强度,V/cm;m为带电颗粒物质的电泳迁移率,cm2/(s⋅V).abcd图4中空纤维微滤膜的SEM照片(×20000)Fig.4SEMphotograghsofhollowfibermicrofiltration(×20000)a.清洁膜;b,c.施加60V电压的E-HFMF工作10h后的膜,其中,b.为中心阳极附近膜丝,c.为外侧阴极附近膜丝;d.无电压时工作3h后的膜4中国环境科学29卷原水中的腐殖酸在E-HFMF中的电泳迁移速率与电场强度成正比.带负电荷的腐殖酸在电场的作用下向中心阳极迁移过程中,所处的电场强度越来越大,因而电泳速率也越来越大.当水中的带电颗粒电泳迁移速率与由于压力过滤向膜表面迁移的速率相抵消时,其迁移速度为零,该位置的电场强度为组件的临界电场强度[5-6].电场强度高于临界电场强度时,电泳速率高于其由于压力向膜表面移动的速度,膜表面边界层的颗粒浓缩将得到缓解,膜污染得以减轻[7].电场中腐殖酸的电泳迁移现象不仅减少了其对膜的污染,而且减少了其穿透膜的几率[3-4],使E-HFMF对腐殖酸的去除率达到60%以上,而没有电场的HFMF过滤对腐殖酸的去除率仅为10%(图5).0102030405060708090100015304560过滤时间(min)腐殖酸去除率(%)E-HFMF,60VHFMF,0V图5恒定流量下附加60V电压与无电压过滤后腐殖酸的去除率Fig.5Effectofvoltage(60Vand0V)ontheremovalrateofhumicacidduringfiltrationatconstantflux2.3电场中腐殖酸的凝聚电场中腐殖酸发生絮凝作用.附加60V电压的E-H