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2011年1月

传质理论研究进展

黄金金

指导老师：

肖国民教授

摘要：

文中重点介绍了超滤-微滤膜过理论模型、非牛顿液体膜堵塞过滤以及动态过滤等常规过滤理论的研究进展,评述了超滤-微滤膜过滤传质机理的动态,并介绍了动态薄层过滤新技术的研究发展。

关键词：

超滤-微滤；

传质理论；

非牛顿液体；

动态薄层过滤

一、超滤-微滤膜过滤传质理论

1.1过滤的基础模型

1.1.1　毛细管模型

毛细管模型:

认为滤饼或过滤介质内有许多与表面垂直的毛细管,悬浮液的过滤速率用Poiseuille方程表示[1]:

式中,为过滤速率,;

为滤液量,;

为过滤时间,;

为毛细管数目;

为毛细管半径,;

为过滤推动力,;

为滤液黏度,;

L为毛细管长度,。

1.1.2　渗透模型

渗透模型:

认为滤饼的结构同砂子层类似,都乱堆的多孔颗粒床结构,只是滤饼层更薄,固体粒更细小。

式中,为过滤面积,;

为渗透系数,。

1.2　过滤基本方程

1.2.1　Ruth的滤饼过滤方程

Ruth建议用单位质量滤饼的阻力表示滤饼的阻力,且将过滤介质的阻力折合成当量滤饼的阻力,解决了介质阻力的表示方法[1].

式中,为滤饼阻力,;

为过滤介质的阻力,;

为滤饼体积平均过滤比阻,;

为滤饼厚度,。

该式引入滤饼比阻概念,其大小表示过滤的难易程度,使过滤原理表达更为清晰,然而这个概念仍没有阐明滤饼的内部结构,也未对许多特定的问题作出解释。

1.2.2　Kozeny-Carman方程

Kozeny-Carman在研究流体通过滤饼层毛细管通道的当量直径时,引入了比表面积、滤饼孔隙率的概念,推导了包括滤饼孔隙率、比表面积的过滤速率及比阻的表达式[2]:

，

式中,为任意时间所对应的过滤速度,;

;

为Kozeny常数（=5±

10%）;

为固体颗粒的比表面积，。

1.3　膜过滤理论

1.3.1　超滤过程

1.3.1.1　凝胶极化模型

在超滤中,易出现浓差极化,对于大分子溶质,当膜面浓度上升到某一数值后,就会引起溶质在膜面的凝结,于是发生凝胶极化现象,最早解释超-微滤中极化效应的模型是凝胶极化模型[3],又称质量传递模型.膜过滤速率表示为[4]:

如果溶质分子在膜上完全被截留,则上式可简化为:

式中,;

D为扩散传质系数;

为浓度边界层厚度,m;

为滤液中溶质的浓度;

为膜表面溶质浓度;

为主体流浓度;

为膜表面饱和浓度.

在上式模型中没有压力项,因而模型仅仅在与压力无关的范围内是有效的.

1.3.1.2　渗透压模型

当溶质浓度过高时,就不能将渗透压忽略,渗透压模型假设,滤膜两侧的有效传质推动力会因渗透压差的存在而降低,渗透压模型的超滤速度表达式为[5]:

当则:

式中,是膜两侧溶剂的渗透压差,Pa;

为膜阻力,1/m;

μ为溶剂黏度,Pa·

s.

渗透模型假设在膜表面溶质的浓度是所有变量的函数,包括外加压力,但凝胶极化模型则假设溶质浓度与操作条件无关.渗透压模型在理论上是很有价值的,它考虑到了膜两侧化学位不同造成的渗透压对过滤推动力的影响,将操作压力与推动力分开;

同时,它适于求解任意时刻的过滤速率,不仅适用稳定阶段,也适用于衰减阶段.但其应用同样存在一些困难,如膜两侧溶剂渗透压差的求取等,目前还只能根据特定的实验数据与浓度进行关联,没有找出溶剂渗透压差的决定因素的定量关系,还无法从理论上预测计算,而且式中是随操作时间而变化的,并非纯膜阻力.

1.3.1.3　阻力模型

模拟常规的滤饼过滤理论,在研究超滤现象时,用一系列阻力之和来描述总的超滤阻力,从而提出了边界层阻力模型,其数学表达式为[5]:

式中,为累加阻力;

为浓差极化阻力;

为溶质层阻力;

为膜阻增加值;

为膜孔堵塞阻力;

为膜孔壁吸附阻力,单位均为;

或者将以表示,称为工作膜阻。

假定溶质阻力可借助于比阻来表示,并且与粒子的特性有关,则膜过滤速率可Kozeny-Carman方程表示[6]:

式中,为膜阻力;

为沉积溶质阻力;

为边界层阻力;

为单位膜面积上沉积溶质的质量,;

为在边界层上溶质滞流的质量,;

为沉积溶质的质量平均比阻,;

为在边界层上溶质的质量平均比阻,。

Ya等比较死端微滤（Dead-endMF）与错流微滤（Cross-flowMF）,而提出如下的阻力模型:

式中,为单位压强下沉积溶质比阻,,为可压缩性沉积溶质的压缩性指数.多数可压缩性沉积溶质的平均比阻与压强成指数函数关系,通常情况下,,不可压缩性沉积溶质的压缩性指数。

上述3个基本理论模型分别从不同的角度对超滤现象进行了探讨,但由于其本身理论的局限性,均没有从理论上真正找出过滤速率的决定因素.特别是没有考虑溶液浓度对于溶质持性的影响,溶质特性对于过滤速率的影响以及溶质、溶剂与膜相互作用等最基本的因素,均不能准确预测各种液-膜系的超滤性能,它们的应用都是建立在实验数据拟合基础上,以系数弥补了其理论缺陷.

二、动态薄层过滤新技术

所谓动态薄层过滤是与固定层滤饼过滤相对而言的。

在固定层滤饼过滤过程中，料浆所含颗粒与液体作垂直于过滤面的同向流动，而且以过滤面为其流动终端（Deadend）；

截留的颗粒形成不断增厚的固定滤饼层，绝大部分液体作为滤液排出。

这是工业上为获得大量固体状滤饼的最常用操社所用装置如板框压滤机、转鼓真空过滤机以及用各种卸料方式的离心过滤机均属这类。

动态薄层过滤即如前述，其操作原理属于平行于过滤面的流动从而限制了滤饼的增长，因此本质上是过滤增浓。

这对于不适合用固定层滤饼操作的难过滤物料.特别是某些具有流变性在转动条件下粘度变低的，采用动态薄层过滤操作则其增浓程度可以不亚于甚至超过一般固定层滤饼过滤达到的浓度，然而其过滤速率要大得多，可以数倍于甚至达到一个数量级，视不同物料的性质而定。

由于结构不同，对滤渣的洗涤也可连续化进行。

从这些特点分析，动态薄层过滤技术是值得推广的一项新技术。

动态薄层的形成与采用的装置类型有关。

现有类型基本分成两大类:

第一大类是由流体动力作用操作的，料浆在压差下靠平行于过滤面的流体剪切力进行过滤，此时剪切力限制了过滤面积存滤饼，而只能成为薄层。

在列管式过滤器的多孔直管中，或如Shriver式连续增浓过滤器中多孔螺旋道内津幼胶在连续回旋流动条件下过滤。

这种类型的操作功耗大，只能用于某些特殊物料。

第二大类是

在旋叶式或旋管式压滤机中靠旋转元件如带刮刀的旋转叶轮或旋转的圆网管带动料浆进行动态薄层过滤。

这两种形式的详细结构可参阅有关资料[7，8]，这里不赘述。

但有必要综述我们对动态薄层过滤的一些经验。

旋叶式压滤机的滤板为圆形，因此在机内料浆在叶轮旋转和流体剪切梯度影响下，每块滤板上颗粒层的径向分布成为不等厚的薄层，中心区转厚视旋叶刮刀与过滤介质的间隙（一般为3~5mm）而定，愈近外周边愈薄。

在料浆进口的稀浓度段，滤板周边区过滤面有时可成为无滤饼层区域形成“介质过滤”。

这样每块滤板上的过滤速率自中心区至周边区就有一个从低到高的分布[9]；

滤板愈大，周边区愈大。

这种差别是有利于大型化的。

由于滤室是串连在一根旋转轴上的，在轴

向上形成一个料浆自进口至出口的浓度梯度，过滤速率自进口至出口有一个由于浓度因素引起的高低差别。

随着过滤时间的延长，过滤介质内孔的堵塞和薄层滤饼的压密，平均过滤速率也有一个时间因素引起的衰减。

因此在操作一段时间后有必要在滤室内进行过滤介质的正面冲洗或自其背面进行反冲洗，使过滤介质再生达到基本恢复开始阶段的过滤速率。

总的来说，旋叶式压滤机在操作过程中虽然有各类因素引起的过滤速率差别或衰减，在掌握这些规律性的现象后，可以安

排一个最宜操作周期，使旋叶式压滤机成为一个稳定的连续密闭型的加压过滤装置。

旋叶式的一个主要操作参数是叶轮转速的选择，一般周边转速小于5m/s时，称为低剪切流动；

大于5m/s，近于10m/s时称为中等剪切流动，当10m/s以上至20m/s时称为高剪切流动。

选择的依据主要决定于料浆的性质和过滤要求；

转速愈大，过滤速率愈高，功耗愈大，最终须由经济效益决定。

在旋叶压滤机中叶轮转速能方便地从低到高进行调节。

在转速、料浆浓度、压力等主要操作参数一定的

条件下，动态薄层厚度可以始终保持平衡而不变。

前已述及，动态薄层过滤宜于处理的物料一般都属于几个微米级的或具有流变性的难过滤物料，而传统膜过滤中微孔膜所处理的粒度范围约为10μ~0.02μ，包括细微颗粒和胶体，这与动态薄层过滤的有一段交叉。

超滤处理的范围约为0.02μ~0.001μ，这已是分离溶液中大小分子的操作，因此能否把动态薄层过滤技术应用于传统的膜过滤成为一种新的动态膜滤技术，这就不是有些人认为的仅是同一机型上将普通过滤介质更换为膜的简单过程，再须从传统膜过滤存在的浓差极化和膜表面沉积两项影响膜滤速率的主要因素，用动态薄层过滤技术能施加多大影响才能证实。

研究工作证明，以高剪切流的动态过滤技术用于微孔膜或超滤膜操作，动态过滤技术对颗粒薄层过滤的影响也同样适用于膜滤，在高剪切流下影响尤其明显。

我们用超滤膜对脱脂乳液和乳清蛋白粉溶液.用微孔滤膜（核孔膜、均质纤维素膜等）对味精发酵液、蛋白酶和淀粉酶发酵液作了动态过滤条件转速度等参数对极化和膜表面沉积的影响，提高剪切流动速度达10m/s时，显著地降低了浓差极化作用和膜表面的沉积层厚度，但对膜污垢无显著改善。

我们用多层阻力理论总结了这项工作[10]，证实了动态膜滤技术是解决传统膜滤速率不高的有效措施之一。

根据我们和国外的实践证明.，高剪切流的动态膜滤技术具有以下特点:

（1）对料浆中的固形物内含（可以是大小分子的溶质、菌体、残渣等）不很敏感，只要把其中粗硬的颗粒、杂物（如包装物的绳头残片等）预先分开以保护滤膜。

（2）动态膜滤过程中，对于最细微粒也不必用絮凝剂或助滤剂。

（3）进料泵的荷载原则上只相当于滤液流量，在整个系统中这项耗能并非是主要白勺。

（4）可以一机多用，更换过滤介质即可用于微孔过滤、超滤、悬浮液的增浓或料液澄清。

滤液清澈，质量高。

（5）与传统膜滤对比，产品回收率极高，大大降低进料的循环量。

国外资料[5]还表明，由于时间因素引起的速率衰减很小，几乎接近于零。

在10~20m/s的高剪切速度下，动态膜滤速率较传统膜滤超过一个数量级，可达100-1000l/m2·

h。

对此，我们尚无此经验，可能由于处理的物料不同，膜的材质不同和转速尚未用到高范围所造成。

关于动态膜滤的应用场合，国外资料中很少报导。

仅从资料[11]中报导了旋叶式CROT装置，这是由瑞士ASEABrownBovery（ABB）所制造的。

其圆形滤室可自l~40个之间任意选用（每个滤室有两个过滤面），滤室直径自500-1000mm，因此提供的总过滤面积介于0.5-60m2之间。

膜滤速率可由小型试验装置确定，用作微孔膜及超滤膜过滤速率，在高剪切流条件下可达100~1000l/m2·

h之间。

据ASEA报导，这种装置已在核燃料工业湿法研磨物料过程中回收并浓缩二氧化铀，在造纸工业用超滤膜自漂白纸浆废水中回收纤维，另外这种装置对油一水混合液或乳浊液，不论来自舱底或海洋钻井平台的油水，或机械厂的冷却用乳浊液废水都