無(wú)機(jī)陶瓷膜經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用,成為膜領(lǐng)域發(fā)展較為迅速、也是較有發(fā)展前景的品種之一。回顧無(wú)機(jī)膜迅速發(fā)展的20多年,無(wú)機(jī)陶瓷膜的研究主要包括膜的制備、分離膜的應(yīng)用以及膜催化等方面,其中液相過(guò)濾分離是無(wú)機(jī)膜主要的工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域。但是分離膜的應(yīng)用領(lǐng)域拓展遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的要求,主要是因?yàn)槠浒l(fā)展面臨著以下幾個(gè)問(wèn)題:一是膜應(yīng)用成本過(guò)高,導(dǎo)致很多應(yīng)用過(guò)程從技術(shù)上是完全可行的,但經(jīng)濟(jì)不占優(yōu)勢(shì),限制了這一新技術(shù)的推廣應(yīng)用;二是有限的膜品種與復(fù)雜的應(yīng)用過(guò)程的匹配問(wèn)題,導(dǎo)致膜污染嚴(yán)重,單位膜面積的處理能力有限;第三應(yīng)用體系的復(fù)雜性和處理要求的苛刻性,導(dǎo)致單一膜過(guò)程難以達(dá)到要求,要限制了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。因此降低成本、提高技術(shù)水平已成為促進(jìn)陶瓷膜發(fā)展的重要課題。
面向應(yīng)用體系的陶瓷膜過(guò)程設(shè)計(jì)主要包括膜微觀結(jié)構(gòu)、膜材料性質(zhì)、過(guò)程操作參數(shù)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)。無(wú)機(jī)陶瓷膜的分離性能與其結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)是密切相關(guān)的。多孔陶瓷膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括平均孔徑和孔徑分布、膜厚度、孔隙率、孔形狀、曲折因子等決定了膜的滲透分離性能;膜材料性質(zhì)包括膜的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、表面性質(zhì)及機(jī)械強(qiáng)度等,它們不僅影響膜的滲透分離性能,更與膜的使用壽命密切相關(guān);操作參數(shù)主要包括膜面流速、操作壓力、溫度等,影響膜過(guò)程的濃差極化程度和膜污染程度,對(duì)滲透通量和分離性能均有影響。
1 膜微觀結(jié)構(gòu)對(duì)滲透性能的影響
隨著無(wú)機(jī)陶瓷膜制備技術(shù)的發(fā)展,一方面陶瓷膜品種和規(guī)格增多,選擇余地增大;另一方面制備技術(shù)的可控性,使得進(jìn)行膜的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整成為可能。因此針對(duì)不同孔徑的膜對(duì)于同一體系的滲透性能存在的差異,膜的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)分離性能的研究越來(lái)越為人們所關(guān)注。
1.1 膜孔徑的影響
膜孔徑是影響膜通量和截留率等分離性能的主要因素。一般來(lái)說(shuō),孔徑越小,對(duì)粒子或溶質(zhì)的截留率越高,而相應(yīng)的通量往往越低。膜應(yīng)用中的膜選型就是要在保證截留率的基礎(chǔ)上使所選孔徑膜的通量較高。對(duì)于純?nèi)軇┙橘|(zhì)而言,膜孔徑越大,通量越高。但在實(shí)際體系分離中,由于吸附、濃差極化、堵塞等膜污染現(xiàn)象的影響,實(shí)際體系過(guò)濾滲透通量值很少能與膜的純水滲透通量值相比擬。在某些情況下,還會(huì)出現(xiàn)膜自身阻力與膜污染阻力總和較小、膜通量較高的較優(yōu)膜孔經(jīng)。
孔徑在0.2~3μm范圍內(nèi)的Al2O3微濾膜過(guò)濾卵清蛋白質(zhì)時(shí),隨孔徑增大,膜通量并非線(xiàn)性增加,在0.8μm左右為較高通量,孔徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致膜的嚴(yán)重堵塞,通量反而下降,因而只有合適的孔徑與體系粒子大小相匹配時(shí),膜才會(huì)有較高的膜通量。在陶瓷膜處理印鈔廢水也出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。
1.2 膜厚度的影響
膜厚度對(duì)膜性能的影響主要表現(xiàn)在滲透通量上,由于膜厚度的增加,必然使流體透過(guò)的路程增加,因此過(guò)濾阻力增加,通量下降。童金忠在操作壓力0.11MPa,流速0.6m/s,溫度298K條件下進(jìn)行鈦白粉廢水微濾實(shí)驗(yàn)中考察了不同厚度的膜對(duì)滲透通量的影響,膜的純水通量隨著膜厚的增加線(xiàn)性減小,過(guò)濾通量卻是24μm厚的膜較高,43μ厚的膜次之,13μm、65μm厚的膜通量大致相同。而滲透通量隨時(shí)間的變化情況,膜越厚,初始通量越小,但隨時(shí)間衰減較為緩慢;而較薄的膜初始通量較高,但在初始階段衰減較快,之后變化趨于平緩。
1.3 膜孔隙率的影響
孔隙率高的膜具有較多的開(kāi)孔結(jié)構(gòu),所以在相同的孔徑下具有高的滲透通量。一般來(lái)說(shuō),多孔無(wú)機(jī)膜特別是陶瓷膜,其膜層的孔隙率在20%~60%之間,支撐體孔隙率高于分離層,對(duì)微濾膜而言,孔隙率一般大于30%。
針對(duì)以上現(xiàn)象,一些學(xué)者嘗試從理論上構(gòu)建結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系而建立面向應(yīng)用過(guò)程的膜微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。Belfort等人在考慮膜組件優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)提出了關(guān)注膜微觀結(jié)構(gòu)的影響,但是由于流場(chǎng)流型和傳遞擴(kuò)散方程計(jì)算復(fù)雜,雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)很容易得到 的預(yù)測(cè)結(jié)果,但是很少有公司采用這種膜組件的設(shè)計(jì)方法。徐南平等人提出了面向應(yīng)用過(guò)程的陶瓷膜材料設(shè)計(jì)理論研究方法,針對(duì)具體應(yīng)用體系,利用模型預(yù)測(cè)選擇較優(yōu)結(jié)構(gòu)的膜,根據(jù)陶瓷膜結(jié)構(gòu)控制理論將其制備出來(lái),較優(yōu)結(jié)構(gòu)的膜在較優(yōu)操作條件下應(yīng)用將較大程度地發(fā)揮膜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。這種新的膜應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法在鈦白粉顆粒懸浮液體系得到了驗(yàn)證,并且進(jìn)行了不同粒徑分布和膜孔徑分布的模擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn),為更好地掌握陶瓷膜過(guò)濾過(guò)程奠定了基礎(chǔ)。
2 膜材料性質(zhì)的研究
膜材料的親水性和膜表面荷電性對(duì)實(shí)際體系的分離性能有很大影響,膜表面的電化學(xué)性質(zhì)會(huì)對(duì)膜和流體之間的作用本質(zhì)和大小產(chǎn)生影響,從而影響溶劑和溶質(zhì)(或大分子/顆粒)通過(guò)膜的滲透通量。通常表征膜表面電化學(xué)性質(zhì)是膜的ζ電勢(shì)和等電點(diǎn),也有用表面電荷和零電荷點(diǎn)等來(lái)表征。
Elzo等在研究荷電情況對(duì)膜過(guò)濾性能影響中,用電泳法測(cè)定的制膜粉體的ζ電勢(shì)作為膜的ζ電勢(shì)。但由于制膜粉體不是膜本身,其表面性質(zhì)可能與膜的不同,而膜粉碎的顆粒由于產(chǎn)生超額表面電荷也使結(jié)果復(fù)雜化,甚至無(wú)法保證這些顆粒的表面性質(zhì)能夠代表膜的活性層。Mullet等對(duì)復(fù)合陶瓷膜的表面電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究,采用電滲法測(cè)定了片狀膜的ζ電勢(shì),并與表面電荷密度測(cè)定獲得的等電點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。在NaCl的兩種離子強(qiáng)度下等電點(diǎn)都為4.7,NaSO4和CaCl2溶液中等電點(diǎn)分別為4.2和5.7,未發(fā)生Na+、Cl-的特征吸附,而Ca2+和SO42-在膜表面有特征吸附,會(huì)影響膜的分離性能。
Szymczyk等測(cè)定了不同pH、離子強(qiáng)度、離子種類(lèi)下的復(fù)合片狀陶瓷膜的ζ電勢(shì),與含氧化鋁、氧化鈦的復(fù)合膜比較,添加氧化硅(9%)導(dǎo)致等電點(diǎn)由6.5變?yōu)?.5,這是因?yàn)槎趸柙黾恿四け砻娴乃嵝蕴卣?。Bouguen等人采用共價(jià)接枝法將Ti轉(zhuǎn)接到ZrO2膜上,使其等電點(diǎn)降低到5.0左右。
Ricq等研究了一系列孔徑的陶瓷膜的流動(dòng)電勢(shì)和離子傳輸,發(fā)現(xiàn)即使對(duì)于孔徑為140nm的無(wú)機(jī)膜,離子的透過(guò)率也不是100%。Mullet等測(cè)定片狀陶瓷膜的零電荷點(diǎn),并計(jì)算了膜表面電荷密度的 值。圍繞膜的表面電勢(shì)問(wèn)題,也有研究者開(kāi)展了一些理論研究以對(duì)微孔膜的表面電性質(zhì)進(jìn)行分析計(jì)算。
Moritz等人就無(wú)機(jī)膜表面電性對(duì)超濾的影響進(jìn)行了考察,分別是ZrO2、TiO2、α-Al2O3和γ-Al2O34種無(wú)機(jī)膜在葡聚糖等體系進(jìn)行過(guò)濾實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)不同材料的無(wú)機(jī)膜表面電性不一樣,導(dǎo)致滲透通量有明顯差異;在不同的pH下,由于膜的電荷發(fā)生變化,結(jié)果滲透通量也相差很大。
3 溶液性質(zhì)對(duì)膜過(guò)程的影響
溶液性質(zhì)是指溶液粘度、pH、離子強(qiáng)度、電解質(zhì)成分等。這些性質(zhì)直接影響到與之接觸的膜的表面性質(zhì),同時(shí)溶液性質(zhì)的變化還會(huì)改變其中所含的待分離的顆?;虼蠓肿尤苜|(zhì)的性質(zhì),造成膜與溶劑、與顆粒/溶質(zhì)等之間的作用發(fā)生變化,從而影響到膜的分離性能。
一般認(rèn)為,pH及離子強(qiáng)度的變化會(huì)改變體系性質(zhì)如膠體顆粒的電荷,特別在等電點(diǎn)附近,使膠體顆粒趨向于沉淀和不穩(wěn)定。例如蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)下的溶解度較低,傾向于增加在膜表面的吸附,所以在蛋白質(zhì)的過(guò)濾過(guò)程中,一般在等電點(diǎn)時(shí)通量較低,在這許多的生物、蛋白質(zhì)等大分子體系的過(guò)濾過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象;而在一些無(wú)機(jī)顆粒體系的過(guò)濾過(guò)程中,在等電點(diǎn)由于顆粒的絮凝效應(yīng)使得過(guò)濾通量反而較大。另外因pH等的變化會(huì)改變膜的電性質(zhì),如大多數(shù)陶瓷膜在中性水溶液中帶凈負(fù)電荷,如通過(guò)控制膜的ζ電勢(shì),可以顯著引起膜對(duì)蛋白質(zhì)混合物的選擇性提高。而膜ζ電勢(shì)的變化,會(huì)使流體通過(guò)膜孔時(shí)產(chǎn)生的電粘滯效應(yīng)變化而影響膜通量。
溶液中的無(wú)機(jī)離子會(huì)對(duì)膜過(guò)濾(特別在蛋白質(zhì)過(guò)濾過(guò)程中)產(chǎn)生重要影響。一方面,一些無(wú)機(jī)鹽復(fù)合物會(huì)在膜表面或膜孔內(nèi)直接吸附與沉積,或使膜對(duì)蛋白質(zhì)的吸附增強(qiáng)而污染膜;另一方面,無(wú)機(jī)鹽改變 溶液離子強(qiáng)度,影響到蛋白質(zhì)溶解性、構(gòu)型與懸浮狀態(tài),使形成的沉積層疏密程度改變,從而對(duì)膜過(guò)濾性能產(chǎn)生影響。如Yoon等在厭氧無(wú)機(jī)膜生物反應(yīng)器的膜污染研究中發(fā)現(xiàn),由于進(jìn)料厭氧消化后NH4+、PO43-濃度升高,同時(shí)pH值升高,使MgNH4PO4·6H2O的溶解度下降,發(fā)生了該無(wú)機(jī)鹽在膜孔內(nèi)外的沉積,因此嚴(yán)重影響了膜通量,采用無(wú)顆粒的酸性消化液進(jìn)行反向進(jìn)料,可以改善膜通量,但不能解決根本問(wèn)題,仍需酸的清洗。
Hoogland等研究了膠體顆粒體系的過(guò)濾過(guò)程中pH值對(duì)膜通量的影響,采用Al2O3膜對(duì)20g/L的SiO2懸浮體系進(jìn)行過(guò)濾,結(jié)果表明在pH值小于2的條件下,膜通量較高,這與SiO2的等電點(diǎn)為2是一致的,但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在較高pH下,膜通量又增大,這是顆粒電勢(shì)高、排斥力大導(dǎo)致了濾餅層變薄所致。Bowen等考察了二氧化鈦懸浮液通過(guò)氧化鋁微濾膜的過(guò)濾過(guò)程中,硝酸鉀溶液濃度和pH值的變化引起的膜通量和過(guò)濾阻力的變化,離子強(qiáng)度增大,膜通量增大;pH增大,膜通量減小。對(duì)離子強(qiáng)度的影響,從顆粒粒徑的變化得到很好的解釋?zhuān)煌琾H下,懸浮體系的粒徑分布變化不大,對(duì)多峰寬粒徑分布來(lái)說(shuō),很可能其中小顆粒(較小絮凝的)有較大遷移速率(相應(yīng)有較大的ζ電勢(shì))。這些顆粒有較大的電動(dòng)反向傳遞能力,導(dǎo)致了它們對(duì)沉積層的滲透性能貢獻(xiàn)的減少,而使膜通量升高。
Moosemiller等報(bào)道,無(wú)顆粒的電解質(zhì)溶液在Al2O3和SiO2膜的等電點(diǎn)附近時(shí)滲透通量較大。Nazzal等對(duì)pH和離子強(qiáng)度對(duì)陶瓷膜過(guò)濾電解質(zhì)溶液、二氧化硅顆粒懸浮液及腐殖酸溶液的影響進(jìn)行了比較研究,采用的是等電點(diǎn)為8.3左右的0.8μm孔徑的α-Al2O3陶瓷膜。研究表明,無(wú)顆粒的電解質(zhì)溶液過(guò)濾時(shí),膜通量隨pH增大而減小,未出現(xiàn)等電點(diǎn)時(shí)膜通量較大的情況;離子強(qiáng)度增大,膜通量也有所減小。這用電粘滯效應(yīng)無(wú)法解釋?zhuān)瑥哪た妆砻娴目购怆x子成分變化進(jìn)行了解釋?zhuān)J(rèn)為在大于等電點(diǎn)的pH值時(shí),膜孔表面相應(yīng)的抗衡離子主要是帶有水化層的陽(yáng)離子,其半徑較大,對(duì)滲透液流動(dòng)產(chǎn)生拽力要大于低于等電點(diǎn)pH值時(shí)占擴(kuò)散層主要成分的陰離子所產(chǎn)生的拽力。這種效應(yīng)的數(shù)值說(shuō)明擴(kuò)散層中抗衡離子對(duì)膜通量的影響在從孔壁到大于Debye長(zhǎng)度的范圍內(nèi),SiO2懸浮液過(guò)濾時(shí),沉積顆粒的電性質(zhì)變化對(duì)膜滲透性能的影響很小,相應(yīng)的滲透通量隨pH、離子強(qiáng)度的變化與無(wú)顆粒的相似,只是由于孔的堵塞,通量值有所下降。而腐殖酸溶液過(guò)濾時(shí),由于吸附污染使膜通量下降且改變了膜表面性質(zhì),因此腐殖酸存在,膜通量對(duì)pH的變化不明顯。
Huisman研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)NaCl濃度為0.1mol/L時(shí),氧化鋁陶瓷微濾膜(0.2μm)的水通量增加了8%。這是由于離子強(qiáng)度增大后,膜的ζ電勢(shì)下降、雙電層變薄所帶來(lái)的表觀粘度下降所致,即電粘滯效應(yīng)下降。Iritani等研究 pH值、NaCl等溶液環(huán)境對(duì)金紅石型二氧化鈦微濾的影響,研究認(rèn)為,懸浮液由于pH變化引起顆粒間的靜電作用的改變決定了濾餅的性質(zhì),在等電點(diǎn)附近,濾餅平均孔隙率較大,平均過(guò)濾比阻較小,因此通量較高,不過(guò)其采用的過(guò)濾方式是終端過(guò)濾。
Kwon等在不同粒徑的聚苯乙烯乳膠懸浮液的過(guò)濾研究認(rèn)為,離子強(qiáng)度對(duì)臨界通量有顯著的影響,在離子強(qiáng)度低于10-1.5mol/L以下,臨界通量下降;而高于該離子強(qiáng)度后,臨界通量增大。前者是因?yàn)殡x子強(qiáng)度增大,顆粒表面電勢(shì)值減小,擴(kuò)散層變薄,濾餅中顆粒結(jié)合更緊、阻力增大所致,后者是因?yàn)殡x子強(qiáng)度的進(jìn)一步增大后,顆粒發(fā)生了凝聚,使臨界通量增大。
Elzo等研究了pH、離子強(qiáng)度以及鹽的價(jià)態(tài)對(duì)陶瓷膜過(guò)濾SiO2顆粒懸浮液時(shí)通量的影響。采用了0.2μm的氧化鋁膜,顆粒粒徑為0.5μm,結(jié)果表明,在高pH值、低鹽濃度下,膜通量較高;而在高鹽濃度、低pH值、Ca2+存在下,膜通量較低。測(cè)定了膜和顆粒的ζ電勢(shì)分析認(rèn)為,這一現(xiàn)象主要是因?yàn)轭w粒與顆粒之間的排斥力變化對(duì)濾餅阻力的影響所導(dǎo)致。
Huisman在對(duì)SiO2懸浮體系的微濾過(guò)程研究中認(rèn)為,即使在pH變化使膜的電勢(shì)由正變負(fù)時(shí),顆粒、陶瓷膜的電勢(shì)對(duì)過(guò)濾的臨界通量都沒(méi)有影響。臨界通量隨剪切力增大而增大,隨懸浮液濃度增大而減小。此時(shí)流體的水力作用的影響比顆粒與膜之間的作用力影響大。
由于體系的復(fù)雜性,目前對(duì)體系性質(zhì)對(duì)膜過(guò)程的影響并沒(méi)有 的規(guī)律,甚至有一些互相矛盾的報(bào)道,因此這部分工作還有待于進(jìn)一步研究。
4 操作參數(shù)對(duì)分離過(guò)程的影響
操作條件的優(yōu)化是膜應(yīng)用過(guò)程研究的另一個(gè)重要方面。不同操作條件(過(guò)膜壓差、膜面流速和溫度等)對(duì)膜分離性能的影響很顯著。所有膜應(yīng)用過(guò)程都應(yīng)該工作在較優(yōu)操作條件下,操作條件的滲透通量臨界值為研究者們所關(guān)注。Wang等人在作軋鋼廢水中試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),過(guò)膜壓差增大到0.2MPa時(shí),滲透通量逐漸增大;超過(guò)0.2MPa時(shí),滲透通量有變小的趨勢(shì)。過(guò)膜壓差對(duì)于這種乳化油體系存在臨界值。Zhao等人在用陶瓷膜處理鈦白廢水體系時(shí)也發(fā)現(xiàn)這種臨界值現(xiàn)象,操作壓差在0.2MPa出現(xiàn)較大值,膜面流速在3.0m/s也有這種較大值。Baker等和Hoogland等用0.2μm的“Ceraflo”管式陶瓷膜對(duì)中值粒徑1.5μm和3.2μm、濃度18g/L的二氧化硅懸浮液進(jìn)行錯(cuò)流過(guò)濾,認(rèn)為污染主要是顆粒在膜表面形成濾餅層,濾餅層的比阻隨操作壓力出現(xiàn)一個(gè)較小值。
一般情況下,溫度的升高,會(huì)使溶液粘度下降,懸浮顆粒的溶解度增加,傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)增大,可以促進(jìn)膜表面溶質(zhì)向主體運(yùn)動(dòng),減薄了濃差極化層,從而提高過(guò)濾速度,增加膜通量。稀溶液過(guò)濾時(shí),通量隨溫度的變化可由粘度與溫度的關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)。對(duì)于稀溶液的過(guò)濾,Cheryan等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度從303K上升到318K時(shí)使?jié)B透通量提高了1倍;Bhave等在油水分離中發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度從293K上升至323K時(shí)膜通量增加了2倍。當(dāng)過(guò)濾過(guò)程屬濃差極化控制,溫度對(duì)膜通量的影響將取決于液相傳質(zhì)系數(shù)和粘度之間的關(guān)系。此時(shí)粘度與過(guò)濾通量的關(guān)系是非線(xiàn)性的。Deschampes在催化劑回收中發(fā)現(xiàn),溫度升高,通量升高比預(yù)計(jì)的還要高,認(rèn)為是溫度升高使大分子物質(zhì)形成的動(dòng)態(tài)膜減薄所致??傊疁囟壬咄鼓ね可撸捎谀ね可邔p少單位產(chǎn)量所需的膜面積,從而降低投資成本;不過(guò)升高溫度也會(huì)使能耗增加,增加操作成本;而且對(duì)于易變性的體系(如蛋白質(zhì))反而不宜升溫。
5 結(jié)語(yǔ)與展望
根據(jù)以上分析,在膜的應(yīng)用過(guò)程中,不同因素對(duì)膜過(guò)濾性能的影響是非常復(fù)雜的,單一因素的分析達(dá)不到對(duì)過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的,要建立按應(yīng)用過(guò)程的需要進(jìn)行材料設(shè)計(jì)與過(guò)程優(yōu)化的目的,必須建立膜材料結(jié)構(gòu)(包括表面性質(zhì))、性能(應(yīng)用)與制備(生產(chǎn))之間的關(guān)系,其關(guān)鍵問(wèn)題是:材料的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,材料結(jié)構(gòu)與制備過(guò)程的關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo),需要解決一系列的基礎(chǔ)問(wèn)題,如基于膜材料結(jié)構(gòu)與功能的集成過(guò)程優(yōu)化、微尺度材料加工理論與方法、基于材料微結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)機(jī)理、基于材料性質(zhì)的傳質(zhì)機(jī)理與平臺(tái)技術(shù)、分子與界面作用機(jī)理、應(yīng)用過(guò)程中材料微結(jié)構(gòu)的演變等,這些都將成為今后膜領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。