一种采用介电电泳技术强化渗透膜过滤能力的方法

摘要

本发明涉及一种采用介电电泳技术强化渗透膜过滤能力的方法，步骤是：⑴采用微滤技术分离悬浮液，采用介电电泳渗透膜组件进行过滤；⑵当连续施加介电电泳力，即电压300V，频率200kHz，连续施加并不间断供电，在六个小时内，膜透过量稳定在出事透过量的82%以上；⑶间断施加介电电泳，供电5分钟，停止15分钟，按此频率反复循环，电压300V，频率200kHz。本发明施加介电电泳可既消除膜污染的问题，且能耗低，操作成本低，与工业经常使用的反冲洗技术相比，介电电泳增强膜的使用无需停止渗透膜过滤工艺的工作。

说明书

技术领域

本发明属于分离技术领域，涉及减少甚至消除在渗透膜工艺中发生的膜污染和堵膜现象 以达到强化渗透膜工艺，尤其是一种采用介电电泳技术强化渗透膜过滤能力的方法。

背景技术

渗透膜分离技术在近30年中由于其操作方便、工艺设备紧凑、分离效率高、能耗低等优 点而迅速发展成为工业中多相（主要于固液，固气和液液等）分离的重要工艺方法。然而， 在渗透膜过滤工艺中，膜污染这个不可避免的问题始终存在，且已成为这项工艺于实际应用 中的一个致命缺点。膜污染是由于膜表面和膜孔中由于微粒、胶体粒子、溶质分子或细菌、 病毒等的沉积或孳生而导致的膜孔堵塞或变小，造成过膜阻力的增大，从而使膜透过量下降、 减少膜的使用寿命等后果。例如，在固液分离中经常使用的超/微滤膜，其膜透过量由于膜污 染会在近一个小时的工作之后减少约50%；而由于固体小颗粒的吸附和堵塞，这种污染甚至 不可逆。在纳滤和反渗透膜等用于液液分离中，除了由于浓差极化所产生的凝胶层会在膜表 面形成一个不可透层从而极大增大了膜阻力和透过压的要求，这种膜污染可以通过膜清洗而 除去，称为可逆污染。

工业上经常用来清洗膜污染的方法主要分为物理清洗和化学清洗。化学清洗是通过药剂 的使用以将不溶污染物溶解并冲洗出膜组件。然而，化学清洗不仅由于药剂的使用而增加过 滤工艺的操作成本，而且由于酸性或碱性药剂的使用而对膜造成损害且造成污染。物理清洗 主要包括低压高流速清洗、等压冲洗、反冲洗、负压清洗、机械刮除等方法。工业中普遍使 用的是高速反冲洗和气水反冲洗工艺。然而，这两种工艺都必须在清洗过程中停止膜过滤工 艺，且需要高压和高于产水量两到三倍的水用于冲洗，而耗能高，用水量大。

超声波被认为可以实现防止膜污染的一个方法。然而，由于高强度超声波对渗透膜所造 成的侵蚀和破坏，以及庞大的超声波生成系统阻碍了其在工业上的应用。基于电泳原理的电 子渗透膜于上世纪七十年代由Manegold等提出，并由Henry等通过实验证实其可行性。然而， 这种方法不适于用于多离子复杂性的工业条件，而且其高能耗也阻碍了它在工业上的广泛使 用。除此之外，裸电极在电泳的使用也提高了短路的可能及电击的危险，以及电极上发生的 电化学反应不仅会导致PH值变化，甚至于生成有毒或污染环境的化学副产品。

发明内容

本专利的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种采用介电电泳技术强化渗透膜过 滤能力的方法，以减少甚至消除在渗透膜工艺中发生的膜污染和堵膜现象，达到强化渗透膜 过滤能力的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种采用介电电泳技术强化渗透膜过滤能力的方法，步骤是：

⑴采用微滤技术分离悬浮液，采用介电电泳渗透膜组件进行过滤；

⑵当连续施加介电电泳力，即电压300V，频率200KHZ，连续施加并不间断供电，在六个 小时内，膜透过量稳定在出事透过量的82%以上；

⑶间断施加介电电泳，供电5分钟，停止15分钟，按此频率反复循环，电压300V，频 率200KHZ。

而且，所述介电电泳渗透膜组件为阴性介电电泳渗透膜组件或阳性介电电泳渗透膜组件。

而且，所述阴性介电电泳渗透膜组件是在由ABS所构成的主骨架前后两面均对称安装渗 透膜，圆柱形叉指电极横向固装在主骨架内；所述阳性介电电泳渗透膜组件是在由ABS所构 成的主骨架内横向贯通安装渗透膜，圆柱形叉指电极横向安装在主骨架内的渗透膜上。

而且，所述渗透膜包括中空纤维膜。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将介电电泳技术用于渗透膜多相（固液，固气和液液）分离过滤工艺，无论是 在渗透膜过滤分离固液，固气还是液液混合相中发生的分离渗透膜污染，都是固体微粒（微 粒，胶体微粒，溶质结晶体，细菌，和不溶有机物液滴及大分子有机物）相对于连续相（液 体或气体）存在，由于固体微粒与其所悬浮的连续相的介电极化能力的不同，介电电泳力将 或者将固体微粒推离电极或者将固体微粒吸附在电极上，以减少甚至消除膜污染的问题，提 高渗透膜使用寿命，提高渗透膜膜透过量。

2、本发明在保持渗透膜过滤工艺的正常工作的同时，无须添加额外物质例如化学药剂或 大量的水，能够减少甚至消除渗透膜过滤工艺中的膜污染和堵膜现象所造成的膜使用寿命降 低和膜透过量下降的问题，降低减少和消除渗透膜污染问题所消耗的能量和成本。

3、本发明间断施加介电电泳可既消除膜污染的问题，且能耗低，操作成本低，与工业经 常使用的反冲洗技术相比，介电电泳增强膜的使用无需停止渗透膜过滤工艺的工作。

附图说明

图1是本发明阴性介电电泳力在渗透膜过滤工艺上对固体微粒的作用示意图；

图2是本发明阳性介电电泳力在渗透膜过滤工艺上对固体微粒的作用示意图；

图3是本发明与无介电电泳工艺的产品水流量对比图；

图4是本发明与反冲洗工艺的耗能比较图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不限于下述实施方式， 任何在本实施例原理上所做的改变或替代方案，均落入本发明要求保护的范围之中。

实施例1：

一种采用介电电泳技术强化渗透膜过滤能力的方法，步骤是：

⑴采用微滤技术分离5克每升的粘土在水中的悬浮液，由圆柱形电极组成的叉指电极结 构安装在微滤渗透膜之下。由于粘土的介电极化能力远小于水，表现出阴性介电电泳性质， 使得粘土小颗粒（大部分微粒直径在100纳米左右）被推离微滤渗透膜以达到减少膜污染的 作用，如图1所示。

⑵当连续施加介电电泳力，即电压300V，频率200KHZ，连续施加并不间断供电，在六个 小时内，膜透过量稳定在出事透过量的82%以上，而无介电电泳的微滤渗透膜的透过量仅能 达到的45%，如图3所示。

⑶间断施加介电电泳，即不连续供电的断续供电方式，供电5分钟，停止15分钟，按此 频率反复循环，电压300V，频率200KHZ，其强化微滤膜过滤的作用没有降低但降低了能耗。 与反冲洗相比较，在达到相同的渗透膜使用寿命的延长程度情况下，使用间断介电电泳的耗 电量仅为反冲洗的十分之一，而且使用间断介电电泳无须中断过滤工艺，所以与反冲洗工艺 比较，相同的时间中，间断介电电泳增强膜过滤工艺可以提供更高的滤过液产量，如图4所 示。

实施例2：

一种采用介电电泳技术强化渗透膜过滤能力的方法，步骤是：

⑴采用微滤技术分离金属颗粒5克每升的在水中的悬浮液，由圆柱形电极组成的叉指电 极结构安装在微滤渗透膜之中。由于金属颗粒的介电极化能力远大于水，表现出阳性介电电 泳性质，使得金属小颗粒（大部分微粒直径在100纳米左右）被极化后产生介电电泳特有的 链效应，会因聚集产生体积变大，在重力作用及间断施加介电电泳的作用下迅速下沉，从而 达到减少微滤渗透膜污染的作用。如图1所示。

其余步骤同于实施例1。

对于本发明所使用的阴性介电电泳渗透膜组件，是在由ABS所构成的主骨架前后两面均 对称安装渗透膜，圆柱形叉指电极横向固装在主骨架内，见图1的结构简图。

对于本发明所使用的阳性介电电泳渗透膜组件，是在由ABS所构成的主骨架内横向贯通 安装渗透膜，圆柱形叉指电极横向安装在主骨架内的渗透膜上，见图2的结构简图。

上述渗透膜也包括中空纤维膜。

本发明技术适用于渗透膜多相（固液，固气和液液）分离过滤工艺的强化。

本发明涉及的介电电泳概念及工作原理是：

介电电泳（Dielectrophoresis）技术已经被成功的应用于生物医学工业来分离、富积、 捕获微粒和细胞。该技术描述的是位于非匀称电场的中性微粒由于介电极化的作用而产生的 平移运动。产生在微粒上的偶极矩可以由两个相同带电量但极性相反的电荷来表示，当它们 在微粒界面上不对称分布时，产生一个宏观的偶极矩。当这个偶极矩位于不匀称电场中，在 微粒两边的局部电场强度的不同产生一个净力，称为介电电泳力（FDEP）。由于悬浮于媒介中 的微粒与媒介有着不同的介电能力（介电常数），微粒会被向或者更强的电场强度的方向移动， 称为阳性介电电泳，或者更弱的电场强度的方向移动，称之为阴性介电电泳。

无论是在渗透膜过滤分离固液，固气还是液液混合相中发生的分离渗透膜污染，都是固 体微粒（微粒，胶体微粒，溶质结晶体，细菌，和不溶有机物液滴及大分子有机物）相对于 连续相（液体或气体）存在。在这样的一个系统中，由于固体微粒与其所悬浮的连续相的介 电极化能力的不同，介电电泳力将固体微粒推离电极或者将固体微粒吸附在电极上，表现出 或者阴性介电电泳性质或者阳性介电电泳性质。

当固体微粒的介电极化能力弱于连续相时，即当阴性介电电泳现象发生时，由于大于重 力和透过压差作用在微粒上的力的介电电泳力将微粒推离电极而使得固体颗粒无法靠近渗透 膜，从而无法吸附或沉积在渗透膜表面和膜孔中以达到消除膜污染的作用，如图1a所示。

当固体微粒的介电极化能力强于连续相时，固体微粒由于阳性介电电泳现象而吸附在电 极上从而同样使渗透膜上没有固体颗粒吸附或沉淀。此时，通过间断地施加介电电泳所需的 电场，瞬间的介电电泳力的消逝会使微粒受到一个被推离电极的释放力，从而将吸附在电极 上的微粒推离电极以达到减少甚至消除膜污染的作用，如图1b所示。

以微滤用于分离5克每升的粘土在水中的悬浮液为例，由圆柱形电极组成的叉指电极结 构安装在微滤渗透膜之下。由于粘土的介电极化能力远小于水，所表现出阴性介电电泳性质， 使得粘土小颗粒（大部分微粒直径在100纳米左右）被推离渗透膜以达到减少膜污染的作用。 当连续施加介电电泳力，在六个小时的实验中，膜透过量稳定在初始透过量的82%以上；而 无介电电泳的微滤仅能达到45%，如图2所示。如果间断施加介电电泳，其作用没有降低而 降低了能耗。与反冲洗相比较，在达到相同的渗透膜使用寿命的延长程度情况下，使用间断 介电电泳的耗电量仅为反冲洗得十分之一，而且使用间断介电电泳无须中断过滤工艺，所以 与反冲洗工艺相比，相同的时间中，间断介电电泳增强膜过滤工艺可以提供更高的滤过液产 量，如图3所示。

由于介电电泳力的作用，渗透膜工艺中可能发生的膜污染问题可以被遏制，其能耗比传统工 艺低，且无需停止过滤工艺，无需添加化学物质降低操作成本且无造成污染的风险。