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发表于 2006-1-2 19:16:32
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膜分离技术的缺憾与改进( 2 )
分离技术中，浓缩度的高低反映出该分离技术的效率。
膜分离的优势是可以对大于膜孔径的悬浮物有近100%的截留（暂不谈论RO过程对溶质离子的截留）。
其缺憾是浓度极化制约了终极浓缩物的浓度和膜污染造成的通量下降。
为此现有超滤技术中必须对应不同的工作条件，制定不同的工艺参数。
现有的膜超滤过程中正确的掌握和执行操作参数对超滤系统的长期、安全和稳定运行是极为重要的。
一般讲来，操作参数
主要包括：流速、压力、压力降、浓水排放量、回收比和温度等。
流速
流速是指料液在膜表面上流动的线速度，是超滤系统中一项重要的操作参数。流速太快，不但会造成料液的浪费和产生过大的压力降，而且还加速了超滤膜分离性能的衰退。反之，如果流速过慢，容易产生浓差极化现象，即影响了透液性能，又会使透液量下降。最佳流速的选择，通常是依据实验来确定的。膜组件的构型不同，所需要的流速不一样，另外，流速大小的确定，还要考虑料液的浓度，浓度越大，则流速也应当大。流速控制得当，有助于充分发挥膜的分离性能和延长膜的使用寿命。即便是相同构型的组件，处理不同的料液，要求的流速也可能相差甚远。
操作压力
超滤的工作压力范围约为0．1—0．7MPa，是泛指在超滤定义域内，处理料液通常所使用的工作压力。分离不同分子量的物质，需要选用相应截留分子量的超滤膜，则操作压力也有所不同。需要截留物质的分子量越小，选择膜的截留分子量也小，则所需要的工作压力就比较高。在允许的工作压力范围内，压力越高，膜的透水量就越大。但压力又不能过高，以防产生膜被压密的现象。
压力降
组件的进、出口之间的压力差称为压力降(也称为压力损失)。它与供料液量、流速及浓液排放量是密切相关的。供料液量大、浓缩液排放量大、流速快，则压力降也就越大。压力降大，说明处于下游的膜未达到所需要的工作压力，因而直接影响到组件的透液能力。因此，实际应用中，尽量控制压力降值不要过大。随着运转时间的延长，由于污垢的积累而增加了液流的阻力，使得压力降增大，当压力降值高出初始值O．05MPa时，应当进行清洗，疏通。
回收比和浓缩液排放量
在超滤系统中，回收比与浓缩液排放量是一对相互制约的因素。回收比是指透过液量与供给料液量之比率，浓液排放量是指未透过膜而排出的液量。因为供给料液量等于浓缩液与透过液量之和，所以如果浓缩液排放量大，回收比就小，同样的理由，如果回收比大，则浓缩液排放量就小。
从上述参数中可以看出，浓缩液浓度的提高受许多因素的制约，仅依靠膜分离技术是无法解决的。
离心沉降分离技术仍旧是目前在生物分离中应用较成熟的分离技术，即使在城市污水处理中它也是当前主要的快速澄清方式。
离心沉降分离的优势：
1， 可大规模的连续生产。
2， 浓缩物中含液量低。
3， 设备占用空间小，技术成熟、管理方便。
要了解离心沉降分离技术，必须要知道离心力场的基本特性
离心机在运行过程中产生的离心加速度和重力加速度的比值，称为该离心机的分离因数Fr。
式中 r——离心机转鼓半径，m；
ω——转鼓的角速度，1／s；
n——转鼓的转速，r／min。
(1) 分离因数是离心机分离能力的主要指标，分离因数Fr愈大，物料所受的离心力亦大，分离效果就好。对于小颗粒，液相粘度大的难分离悬浮液，需采用分离因数大的离心机加以分离。
目前工业用离心机的分离因数Fr，值由数百到数十万。
一般三足式过滤离心机Fr为500～1000；
卧式螺旋卸料沉降离心机Fr为1500—4000，特殊的有6000—10000(国外)；
碟式离心机Fr为8000～10000；
管式离心机Fr为10000～250000。
(2) 分离因数Fr与离心机的转鼓半径r成正比，与转鼓转速n的平方也成正比，因此提高转鼓转速比增大转鼓半径对分离因数Fr的影响要大得多。分离因数Fr的极限值取决于转鼓材料的机械强度，一般超高速离心机的结构特点是小直径、高转速。
二、沉降速度υg根据斯托克斯定律，在R e < 0．2时，颗粒在溶液中的沉降速度υg与下列因素有关：
式中
υg-----颗粒在液相中的沉降速度，m／s；
d------颗粒直径，m；
-----颗粒密度
----液体密度
μ——液体粘度， Pa·s；
g——重力加速度
从上式可以看出，颗粒的沉降速度υg 与颗粒的直径成平方关系，与颗粒和液体的密度差成正比，与液体粘度成反比。 如果在离心力场中，则颗粒的沉降速度为：
在分离过程中，颗粒的沉降速度 越大，分离效果就越显著，斯托克斯定律表明了分离效果与物性参数的基本关系。
离心沉降分离技术虽然浓缩度要比膜分离技术高。在悬浮物（主要指和水密度相差不大的有机物和生物物质），大于0.5微米的悬浮液分离时，离心沉降分离有一定的优势，悬浮物小于0.5微米时离心分离的困难就明显增加了，当悬浮物<0.1微米时就只能在实验室里用用超高速离心机进行小量的间歇性分离，对于小于0.01微米的悬浮物，离心沉降分离就无能为力了。但如果能使悬浮液中含有的细微分散的个体能聚集起来时, 必然能加快聚集后悬浮物（浓度层）的沉降速度，而膜分离时膜截留形成的浓度层，就是一个分散悬浮物的聚集过程，这个过程必然能加快聚集后悬浮物（浓度层）的沉降速度，当聚集的悬浮物密度越高（浓度层的浓度越高），其沉降速度也就会越高。如果膜的透过液流方向和重力沉降方向相反，当浓度层的沉降速度大于膜透过液的流速时，浓度层就会从膜面脱落向重力方向沉降。 在离心力场内这个过程将会得到强化。浓度层在沉降过程中因所处半径的增大,沉降力增加,浓度层会进一步得到浓缩，这就能得到终极浓度高于膜面浓度的效果，而且膜面最大浓度还可以通过调节转速来控制和调节。
现已有供实验室做分析、试验用的和离心分离技术结合的分离设备，如在台式离心机上使用的超滤管，用于分离血液制品的《带有滤芯的离心转筒》（中国发明专利CN 1131729C）。但以上设备只能小量的间歇性的使用，要使离心沉降分离和膜分离有机的结合起来，可以大容量的在工业化连续生产中应用还要做很多工作。
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