陶瓷微滤膜过滤亚微米级悬浮液的研究
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由式 (2) 知, 当开始用纯水测膜透水率时, R f 为 0, 则有: J 0 = ∃p ΛR m 0。 在膜运行污染后测膜纯水透过率为
J=
∃p Λ(R m 1 +
Rf)
(3)
设 Λ 在测试中不变, R m 1≈ R m 0 = R m , 可得
J 0 J = (R m + R f ) R m
(4)
减小。当过滤的是胶体或微米级颗粒时, 由于起截 留作用的陶瓷膜易于发生堵塞, 使膜渗通量降低
图 1 终端过滤和动态过滤
更为明显, 这种具有终端类型的流动, 从根本上使传统过滤成为间歇过程。为限制滤饼增长, 减小膜渗通
量随时间的下降, 可使料浆以很高的循环流速平行流过膜表面, 冲走被膜截留下的聚集在膜表面上的颗
摘 要: 文章采用陶瓷微滤膜新技术, 分离微米、亚微米级A l (O H ) 3 和 Zr (O H ) 4 悬浮液, 实验结果表明其固液分离效率与操 作性能均明显优于目前工业生产上普遍使用的各种传统分离技术, 为陶瓷微滤膜在化学液相反应制备超细陶瓷微粉生产工 艺的推广应用提供了科学依据。 关键词: 陶瓷微滤膜; 微米、亚微米级颗粒; 固液分离; 氢氧化铝; 氢氧化锆 中图分类号: TB 303 文献标识码: A 文章编号: 100325060 (2000) 0120104204
第 23 卷第 1 期 2000 年 2 月
合 肥 工 业 大 学 学 报 (自然科学版)
JOU RNAL O F H EFE I U N IV ER S IT Y O F T ECHNOLO GY
V o l. 23№1 Feb. 2000
陶瓷微滤膜过滤亚微米级悬浮液的研究
范文元, 许煜汾
(合肥工业大学 化学工程学院, 安徽 合肥 230009)
小分子物质可通过, 大分子物质则被截留, 实现它
们之间的分离。 图 1 所示为膜分离的终端过滤和
动态过滤两种主要类型[ 2 ]。
传统的过滤过程, 料浆是以流入过滤介质
(膜) 为其流动终端 (D ead end) 而进行的操作。 这
样在操作压力保持不变下, 由于过滤滤饼的不断
增厚, 使流动阻力增加, 膜渗透通量就会随时间而
本文采用陶瓷微滤膜分离新技术处理上述固液非均相系[1], 其分离效率与操作性能均明显优于目 前工业生产上普遍使用的各种传统分离技术。
收稿日期: 1999210217 基金项目: 安徽省“九五”科技攻关项目 (961203021) 作者简介: 范文元 (1928- ) , 男, 合肥工业大学教授, 硕士生导师; 许煜汾 (1932- ) , 女, 合肥工业大学教授, 硕士生导师.
第 1 期 范文元, 等: 陶瓷微滤膜过滤亚微米级悬浮液的研究
107
3. 4 膜污染程度的测定 由上述结果, 根据式 (3) 和式 (6) 计算得 R m、R f 值列于表 3。
表 2 012 Λm 孔径膜的通量
料 浆
Zr (O H ) 4 A l (O H ) 3
通 量 (L ·m - 2·h)
图 2 溶剂传递阻力示意图
形成的阻力 (R s, R cp , R a) ; 另一部分为膜孔堵塞阻力 (R p )。由于动态过滤实际是一个稳态过程, 所以对于
106
合肥工业大学学报 (自然科学版) 2000 年第 23 卷第 1 期
一定的系统和操作条件下与膜和滤饼厚度有关的 R m , R c 都将保持一个常数, 而表示膜污染程度的 R f 可 通过测定纯水透过率, 然后定义一比值或膜阻力增大系数表示其膜污染程度。 212 膜阻力增大系数的确定
J0
J
1 278
16914
1 278
17815
料 浆 Zr (O H ) 4 A l (O H ) 3
表 3 膜污染情况
Rm m- 1
Rf m- 1
2116×1011 11190×1011
2116×1011 13130×1011
k 5151 6116
上述结果表明, 本实验使用的微滤膜管其膜孔径为 012 Λm , 料液中颗粒平均粒径为 015 Λm , 可见
使用小孔径膜的污染阻力主要是以颗粒沉积在膜表面形成滤饼层为主。
3. 5 膜的再生与反冲有效性的考察
实验表明反冲压力是影响反冲效果的关键因素, 直接关系到膜通量的恢复率。不同反冲压力下膜通
量随时间的变化曲线和反冲后膜通量的恢复程度见图 4。
从图 4 可见, 不同反冲压力下的通量随时间
的衰减情况不同, 在 0122 M Pa 反冲压力下, 经过
以铵明矾或氯氧化锆为原料, 氨水为沉淀剂进行化学液相沉淀法制备超细A l2O 3 和 ZrO 2 陶瓷微粉 生成的前驱物A l (O H ) 3 或 Zr (O H ) 4 均为微米、亚微米颗粒悬浮液, 对于这种固液非均相系的分离极为 困难, 传统的沉降方法几乎无法使用; 以滤布为过滤介质的各类过滤技术, 如果操作压力差保持不变, 其 过滤速率将随着过滤滤饼不断增厚或者微细颗粒堵塞过滤介质通过而迅速下降, 因而分离效率很低。微 米、亚微米级的固液分离已成为当前工业生产上影响产品收率及产品质量的薄弱环节。
表 1 料浆的种类和性质
料 浆 Zr (O H ) 4 A l (O H ) 3
d 50 Λm 016 018
pH 8～ 9 7～ 8
实验包括正常过滤操作、反冲操作及膜通量的测定。
31211 过滤操作
来 自上游反应器的 A l (O H ) 3 或 Zr (O H ) 4 的料液, 进 入贮槽 1, 经离心泵打入膜组件 3 中进行错流过滤, 滤液由
Rf =
Rm
J0J
J
= Rm
k
(5)
令 k = J 0 - J , 称 k 为膜阻力增大系数, 是一个无因次值, k 值的大小反映了膜污染程度的大小, 也
J
表明了膜通量衰减的多少 。
3 实验内容、结果及讨论
311 实验材料及装置
陶瓷微滤膜管尺寸为 40 mm ×1 000 mm , 带有 7 个星 形孔管, 表面涂覆一层 ZrO 2 微孔膜, 过滤面积 0133 m 2, 膜孔 径 012 Λm , 由南京化工大学提供。 实验装置由两个功能单元 组成: 膜通量的测定和气相液反冲, 如图 3 所示。 312 实验方法
Research on separa ting subm icro particle suspen s ion s w ith ceram ic m icrof iltra tion m em branes
FAN W en2yuan, XU Yu2fen
(Schoo l of Chem ical Eng ineering, H efei U n iversity of T echno logy, H efei 230009, Ch ina)
5 个反冲周期, 最高恢复通量的降低及每个周期
内通量随时间的衰减都很明显。在 0152 M Pa 下,
最高恢复通量变化已不大。 故从安全操作和节能
角度考虑, 过分提高反冲压力希望能获得更高的
恢复通量是不可取的。 本体系反冲压力可选择在
014～ 015 M Pa。
3. 6 与传统板框压滤机过滤操作相比较
下降是可行的, 但各项阻力难以定量计算。 本文处理的 A l (O H ) 3、Zr (O H ) 4 胶悬体, 可
将上式简化为
J=
∃p Λ(R m +
Rf)
=
∃p Λ(R m + R c +
R p)
(2)
式中 R f 为污染阻力, 由两部分构成, 一部分为滤 饼阻力 (R c) , 包括浓差极化和膜表面吸附沉积等
图 3 微滤实验装置流程图 1. 料液贮槽 2. 离心泵 3. 流量计 4. 膜组件 5. 滤液旁通管
313 膜通量 J 0 及 J 的测定 操作条件为 25 ℃, 011 M Pa, 初始流量 01018 L s, 纯
Байду номын сангаас
水粘度和滤液粘度分别为 1130×10- 3 Pa·s 和 0195×10- 3 Pa·s 时, 测得膜的通量列于表 2。
律为基础, 得出膜通量 J 的表达式为驱动力 ∃p 和传输过程中整体平衡阻力的比值[3]。
J=
Λ(R m +
∃p Ra + Rs+
R cp +
R p)
(1)
式中 Λ—— 溶液的粘度
R m、R s、R cp —— 膜本身、凝胶层及浓差边
界层阻力
R a、R p —— 吸附污染及孔堵塞引起的阻力 该式可定性地解释膜通量随运行时间延长而
陶瓷微滤膜装置属动态过滤, 具有过滤、洗涤
连续化操作功能, 而板框压滤机属终端过滤为间
歇式操作。故在处理同种物料量时, 前者过滤面积
为 0133 m 2, 过滤沉涤同时进行达 1316 h, 沉涤水 用量为 111 m 3, 且经过一定的浓缩达到雾化干燥
组件壳侧出口流出, 截留液循环流回贮槽。流速及过滤压差
由阀门V 1、V 2 调节控制, 流速由流量计读数换算而得, 过滤 压力由进口压力 p 1、出口压力 p 2 及渗透侧压力 p 3 计算而 得, 膜通量 J 采用秒表、量筒测定一定时间内滤液体积计算
而得。
31212 反冲操作
关 闭阀门 ∗ 2, 迅速打开阀门 ∗ 1, 使高压气体压缩旁通 管中滤液, 进行反冲, 一定时间后, 迅速关闭阀门 ∗ 1, 随后 立即打开阀门 ∗ 2 放空, 关闭阀门V 2 待稳定后测定通量。反 冲时间是指气体反冲旁通管中滤液开始到气体放空泄压持 续的时间, 由秒表测定, 反冲压力由 p 3 减去 p 1、p 2 的均值获 得。 反冲操作主要用于对膜通量的恢复。
Abstract: A novel techno logy ba sed on ceram ic m icrofilt ra t ion m em b rane is u sed to sep a ra te the su sp ended so lu t ion com po sed of A l (O H ) 3 and Zr (O H ) 4 p a rt icles of m icrom eter and subm icrom eter g rade. T he resu lt s show tha t the sep a ra t ion efficiency by u se of th is k ind of techno logy ha s app reciab le advan tages over o ther conven t iona l techno log ies, w h ich a re being u sed in the p resen t indu st ries. T he study herein m ay p rovide a scien t ific p roof fo r the ex ten sive app lica t ion s of the ceram ic m icrofilt ra t ion m em b rane to the m anufactu re of ceram ic pow ders by chem ica l liqu id p ha se react ion s. Key words: ceram ic m icrofilt ra t ion m em b ranes; m icro to subm icro p a rt icles; liqu id2so lid sep a ra t ion; A l (O H ) 3; Zr (O H ) 4
J=
∃p Λ(R m 1 +
Rf)
(3)
设 Λ 在测试中不变, R m 1≈ R m 0 = R m , 可得
J 0 J = (R m + R f ) R m
(4)
减小。当过滤的是胶体或微米级颗粒时, 由于起截 留作用的陶瓷膜易于发生堵塞, 使膜渗通量降低
图 1 终端过滤和动态过滤
更为明显, 这种具有终端类型的流动, 从根本上使传统过滤成为间歇过程。为限制滤饼增长, 减小膜渗通
量随时间的下降, 可使料浆以很高的循环流速平行流过膜表面, 冲走被膜截留下的聚集在膜表面上的颗
摘 要: 文章采用陶瓷微滤膜新技术, 分离微米、亚微米级A l (O H ) 3 和 Zr (O H ) 4 悬浮液, 实验结果表明其固液分离效率与操 作性能均明显优于目前工业生产上普遍使用的各种传统分离技术, 为陶瓷微滤膜在化学液相反应制备超细陶瓷微粉生产工 艺的推广应用提供了科学依据。 关键词: 陶瓷微滤膜; 微米、亚微米级颗粒; 固液分离; 氢氧化铝; 氢氧化锆 中图分类号: TB 303 文献标识码: A 文章编号: 100325060 (2000) 0120104204
第 23 卷第 1 期 2000 年 2 月
合 肥 工 业 大 学 学 报 (自然科学版)
JOU RNAL O F H EFE I U N IV ER S IT Y O F T ECHNOLO GY
V o l. 23№1 Feb. 2000
陶瓷微滤膜过滤亚微米级悬浮液的研究
范文元, 许煜汾
(合肥工业大学 化学工程学院, 安徽 合肥 230009)
小分子物质可通过, 大分子物质则被截留, 实现它
们之间的分离。 图 1 所示为膜分离的终端过滤和
动态过滤两种主要类型[ 2 ]。
传统的过滤过程, 料浆是以流入过滤介质
(膜) 为其流动终端 (D ead end) 而进行的操作。 这
样在操作压力保持不变下, 由于过滤滤饼的不断
增厚, 使流动阻力增加, 膜渗透通量就会随时间而
本文采用陶瓷微滤膜分离新技术处理上述固液非均相系[1], 其分离效率与操作性能均明显优于目 前工业生产上普遍使用的各种传统分离技术。
收稿日期: 1999210217 基金项目: 安徽省“九五”科技攻关项目 (961203021) 作者简介: 范文元 (1928- ) , 男, 合肥工业大学教授, 硕士生导师; 许煜汾 (1932- ) , 女, 合肥工业大学教授, 硕士生导师.
第 1 期 范文元, 等: 陶瓷微滤膜过滤亚微米级悬浮液的研究
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3. 4 膜污染程度的测定 由上述结果, 根据式 (3) 和式 (6) 计算得 R m、R f 值列于表 3。
表 2 012 Λm 孔径膜的通量
料 浆
Zr (O H ) 4 A l (O H ) 3
通 量 (L ·m - 2·h)
图 2 溶剂传递阻力示意图
形成的阻力 (R s, R cp , R a) ; 另一部分为膜孔堵塞阻力 (R p )。由于动态过滤实际是一个稳态过程, 所以对于
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合肥工业大学学报 (自然科学版) 2000 年第 23 卷第 1 期
一定的系统和操作条件下与膜和滤饼厚度有关的 R m , R c 都将保持一个常数, 而表示膜污染程度的 R f 可 通过测定纯水透过率, 然后定义一比值或膜阻力增大系数表示其膜污染程度。 212 膜阻力增大系数的确定
J0
J
1 278
16914
1 278
17815
料 浆 Zr (O H ) 4 A l (O H ) 3
表 3 膜污染情况
Rm m- 1
Rf m- 1
2116×1011 11190×1011
2116×1011 13130×1011
k 5151 6116
上述结果表明, 本实验使用的微滤膜管其膜孔径为 012 Λm , 料液中颗粒平均粒径为 015 Λm , 可见
使用小孔径膜的污染阻力主要是以颗粒沉积在膜表面形成滤饼层为主。
3. 5 膜的再生与反冲有效性的考察
实验表明反冲压力是影响反冲效果的关键因素, 直接关系到膜通量的恢复率。不同反冲压力下膜通
量随时间的变化曲线和反冲后膜通量的恢复程度见图 4。
从图 4 可见, 不同反冲压力下的通量随时间
的衰减情况不同, 在 0122 M Pa 反冲压力下, 经过
以铵明矾或氯氧化锆为原料, 氨水为沉淀剂进行化学液相沉淀法制备超细A l2O 3 和 ZrO 2 陶瓷微粉 生成的前驱物A l (O H ) 3 或 Zr (O H ) 4 均为微米、亚微米颗粒悬浮液, 对于这种固液非均相系的分离极为 困难, 传统的沉降方法几乎无法使用; 以滤布为过滤介质的各类过滤技术, 如果操作压力差保持不变, 其 过滤速率将随着过滤滤饼不断增厚或者微细颗粒堵塞过滤介质通过而迅速下降, 因而分离效率很低。微 米、亚微米级的固液分离已成为当前工业生产上影响产品收率及产品质量的薄弱环节。
表 1 料浆的种类和性质
料 浆 Zr (O H ) 4 A l (O H ) 3
d 50 Λm 016 018
pH 8～ 9 7～ 8
实验包括正常过滤操作、反冲操作及膜通量的测定。
31211 过滤操作
来 自上游反应器的 A l (O H ) 3 或 Zr (O H ) 4 的料液, 进 入贮槽 1, 经离心泵打入膜组件 3 中进行错流过滤, 滤液由
Rf =
Rm
J0J
J
= Rm
k
(5)
令 k = J 0 - J , 称 k 为膜阻力增大系数, 是一个无因次值, k 值的大小反映了膜污染程度的大小, 也
J
表明了膜通量衰减的多少 。
3 实验内容、结果及讨论
311 实验材料及装置
陶瓷微滤膜管尺寸为 40 mm ×1 000 mm , 带有 7 个星 形孔管, 表面涂覆一层 ZrO 2 微孔膜, 过滤面积 0133 m 2, 膜孔 径 012 Λm , 由南京化工大学提供。 实验装置由两个功能单元 组成: 膜通量的测定和气相液反冲, 如图 3 所示。 312 实验方法
Research on separa ting subm icro particle suspen s ion s w ith ceram ic m icrof iltra tion m em branes
FAN W en2yuan, XU Yu2fen
(Schoo l of Chem ical Eng ineering, H efei U n iversity of T echno logy, H efei 230009, Ch ina)
5 个反冲周期, 最高恢复通量的降低及每个周期
内通量随时间的衰减都很明显。在 0152 M Pa 下,
最高恢复通量变化已不大。 故从安全操作和节能
角度考虑, 过分提高反冲压力希望能获得更高的
恢复通量是不可取的。 本体系反冲压力可选择在
014～ 015 M Pa。
3. 6 与传统板框压滤机过滤操作相比较
下降是可行的, 但各项阻力难以定量计算。 本文处理的 A l (O H ) 3、Zr (O H ) 4 胶悬体, 可
将上式简化为
J=
∃p Λ(R m +
Rf)
=
∃p Λ(R m + R c +
R p)
(2)
式中 R f 为污染阻力, 由两部分构成, 一部分为滤 饼阻力 (R c) , 包括浓差极化和膜表面吸附沉积等
图 3 微滤实验装置流程图 1. 料液贮槽 2. 离心泵 3. 流量计 4. 膜组件 5. 滤液旁通管
313 膜通量 J 0 及 J 的测定 操作条件为 25 ℃, 011 M Pa, 初始流量 01018 L s, 纯
Байду номын сангаас
水粘度和滤液粘度分别为 1130×10- 3 Pa·s 和 0195×10- 3 Pa·s 时, 测得膜的通量列于表 2。
律为基础, 得出膜通量 J 的表达式为驱动力 ∃p 和传输过程中整体平衡阻力的比值[3]。
J=
Λ(R m +
∃p Ra + Rs+
R cp +
R p)
(1)
式中 Λ—— 溶液的粘度
R m、R s、R cp —— 膜本身、凝胶层及浓差边
界层阻力
R a、R p —— 吸附污染及孔堵塞引起的阻力 该式可定性地解释膜通量随运行时间延长而
陶瓷微滤膜装置属动态过滤, 具有过滤、洗涤
连续化操作功能, 而板框压滤机属终端过滤为间
歇式操作。故在处理同种物料量时, 前者过滤面积
为 0133 m 2, 过滤沉涤同时进行达 1316 h, 沉涤水 用量为 111 m 3, 且经过一定的浓缩达到雾化干燥
组件壳侧出口流出, 截留液循环流回贮槽。流速及过滤压差
由阀门V 1、V 2 调节控制, 流速由流量计读数换算而得, 过滤 压力由进口压力 p 1、出口压力 p 2 及渗透侧压力 p 3 计算而 得, 膜通量 J 采用秒表、量筒测定一定时间内滤液体积计算
而得。
31212 反冲操作
关 闭阀门 ∗ 2, 迅速打开阀门 ∗ 1, 使高压气体压缩旁通 管中滤液, 进行反冲, 一定时间后, 迅速关闭阀门 ∗ 1, 随后 立即打开阀门 ∗ 2 放空, 关闭阀门V 2 待稳定后测定通量。反 冲时间是指气体反冲旁通管中滤液开始到气体放空泄压持 续的时间, 由秒表测定, 反冲压力由 p 3 减去 p 1、p 2 的均值获 得。 反冲操作主要用于对膜通量的恢复。
Abstract: A novel techno logy ba sed on ceram ic m icrofilt ra t ion m em b rane is u sed to sep a ra te the su sp ended so lu t ion com po sed of A l (O H ) 3 and Zr (O H ) 4 p a rt icles of m icrom eter and subm icrom eter g rade. T he resu lt s show tha t the sep a ra t ion efficiency by u se of th is k ind of techno logy ha s app reciab le advan tages over o ther conven t iona l techno log ies, w h ich a re being u sed in the p resen t indu st ries. T he study herein m ay p rovide a scien t ific p roof fo r the ex ten sive app lica t ion s of the ceram ic m icrofilt ra t ion m em b rane to the m anufactu re of ceram ic pow ders by chem ica l liqu id p ha se react ion s. Key words: ceram ic m icrofilt ra t ion m em b ranes; m icro to subm icro p a rt icles; liqu id2so lid sep a ra t ion; A l (O H ) 3; Zr (O H ) 4
