電場強(qiáng)化錯(cuò)流膜過濾技術(shù)可有效改善膜污染和置、機(jī)理、外加電場及影響滲透通量的因素這4個(gè)方面進(jìn)濃差極化對(duì)錯(cuò)流過濾帶來的不利影響。就電場膜過濾裝行綜述。目前研制的新型附加電場中空纖維膜組件克服了傳統(tǒng)膜過濾組件的缺點(diǎn).顯示出很大的工程應(yīng)用前景。

錯(cuò)流膜過濾技術(shù)被廣泛應(yīng)用于分離和去除原水中的懸浮微小物質(zhì)。但是，由于膜污染及濃差極化導(dǎo)致膜通量下降，成為該技術(shù)廣泛應(yīng)用的制約因素。膜污染是一個(gè)物理、化學(xué)、生物過程相互作用的復(fù)雜現(xiàn)象，Yamamura通過用微濾膜過濾地表水的試驗(yàn)后得出膜污染的機(jī)理：含鐵化合物、碳水化合物或蛋白質(zhì)等相對(duì)較大的顆粒會(huì)覆蓋膜表面或縮小膜孔;而小分子顆粒(如含錳化合物或腐殖酸)會(huì)進(jìn)一步堵塞這些變小后的膜孔，最終導(dǎo)致膜表面形成不可逆的膜污染。而一般進(jìn)水懸浮物質(zhì)和膜都是帶有電荷的，這些電荷之間相互作用使顆粒沉積下來，也會(huì)產(chǎn)生膜污染。

在處理含有親水基團(tuán)的大分子物質(zhì)時(shí)，膜表面會(huì)產(chǎn)生凝膠層，不僅造成膜濾速率迅速衰減，而且還會(huì)縮短膜的使用壽命，是導(dǎo)致分離效率降低、限制膜過濾優(yōu)勢發(fā)揮的內(nèi)在因素。為了更好地強(qiáng)化錯(cuò)流過濾，國內(nèi)外研究者從各種角度出發(fā)來克服膜污染和濃差極化給過濾帶來的不利影響。主要方法有：邊界層控制、亂流發(fā)生、膜材料改進(jìn)、結(jié)合外場(如磁場、電場等。

結(jié)合電場的錯(cuò)流膜過濾技術(shù)，即電場膜技術(shù).被廣泛應(yīng)用于反沖洗水脫鹽，皮革廢水、紡織廢水的脫色，水果汁、發(fā)酵(蛋白)液的凈化等領(lǐng)域。1977年Henry用電場錯(cuò)流微濾高嶺土懸浮液和油污廢水，并建立了一套關(guān)于膜理論的數(shù)學(xué)模型：1994年J.Jurado利用激湍旋渦流動(dòng)附加直流電場的方法進(jìn)行血液蛋白回收：1996年Jagannadh和Muralidhare關(guān)于電動(dòng)方法控制膜污染進(jìn)行了綜述;2005年JOKim等發(fā)現(xiàn)將電場用于微濾預(yù)處理，可使?jié)B透通量增加、原水中活性細(xì)菌減少，并且節(jié)省絮凝劑用量：2007年B.Sarkar等進(jìn)行附加電場錯(cuò)流超濾合成水果汁的試驗(yàn)，提出一種量化通量和凝膠層厚度的模型。本文將從電場膜過濾裝置、過濾機(jī)理、外加電場以及滲透通量的影響因素這4個(gè)方面對(duì)電場膜技術(shù)展開論述。

1電場膜過濾裝置

1．1板框式過濾

板框式膜組件如圖1。電極分別加在膜兩側(cè)，兩電極之間分為過濾循環(huán)與漂洗循環(huán)，其中過濾循環(huán)在膜兩側(cè)的進(jìn)料通道和滲流通道中進(jìn)行。由于電極上會(huì)發(fā)生一些電化學(xué)反應(yīng)。因此可以在兩電極內(nèi)側(cè)分別形成隔室來防止由此而導(dǎo)致的流態(tài)變化l6]，這些隔室由離子交換膜隔開。由于原水中的雜質(zhì)粒子通常帶負(fù)電荷，故將陽極置于進(jìn)水端，陰極置于出水端。為了避免過濾時(shí)進(jìn)料通道內(nèi)離子濃度逐漸增加．將陰離子交換膜置于陽極端而陽離子交換膜置于陰極端。

1．2管式過濾裝置

管式膜組件如圖2。電場加在外圍電極和中心電極之間，外圍電極通常由不銹鋼制成，作為陰極；中心陽極為棒狀電極，根據(jù)Bowen等[7]的研究，最好的陽極材料為鈦涂層，如鉑涂鈦材料。當(dāng)膜由導(dǎo)電材料制成時(shí)，可用膜直接作陰極，此時(shí)，膜間阻力會(huì)減小，這樣的系統(tǒng)在維持相同場強(qiáng)的條件下能耗較少。Wakeman等。通過分析流動(dòng)速率和電場剖面計(jì)算出顆粒在板框式膜組件中的運(yùn)動(dòng)軌跡，比較了平板電場和管式膜中的輻射電場的效率，結(jié)果表明輻射電場的效率較高。

l-3中空纖維管式膜過濾

由于上述板框式和管式膜組件一般只能裝填一張膜，過濾面積難以提高，商冉等設(shè)計(jì)出一種新型附加電場的中空纖維膜組件(ElectricHollowFiberMembraneModule，E—HFM)，如圖3。在該裝置中，中心陽極為惰性鈦合金材料，外圍陰極采用不銹鋼材料制成。中空纖維膜絲用環(huán)氧樹脂AB膠固定。均勻分布于陽極和陰極之間。該裝置具有裝填密度高、有效膜表面積比率高、耐高壓且不需要支撐材料等優(yōu)勢，與上述兩種膜組件相比具有更廣泛的工程應(yīng)用前景。

2電場膜過濾機(jī)理

電場膜過濾在理論上可認(rèn)為是錯(cuò)流過濾與附加電場共同作用的結(jié)果。外加電場會(huì)引起一些電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)，其中電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)包括電泳和電滲：電化學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為氧化與還原反應(yīng)，并伴隨有焦耳熱和氣泡等。

2．1電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)

2．1．1電泳現(xiàn)象

水中雜質(zhì)顆粒一般是帶負(fù)電荷的，施加電場后這些微粒朝背離膜表面的方向發(fā)生電泳遷移，從而避免了在膜上沉積。圖4表示在板框式膜組件中置人電極后，原水中帶電顆粒朝向陽極的電泳遷移現(xiàn)象。在該過程中，溶液主體流產(chǎn)生的流體壓力差使微粒向膜面沉積，形成沉積層；由于沉積層微粒濃度要高于主體流，形成的濃差極化層使得這些微粒又背離膜面進(jìn)行反向擴(kuò)散。當(dāng)電場達(dá)到一定強(qiáng)度．電泳遷移和反向擴(kuò)散將與微粒向膜面的沉積運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡，這時(shí)膜表面的沉積層可能消失。因此，電泳遷移現(xiàn)象能防止膜污染。

帶電顆粒在單位電場強(qiáng)度下的電泳速度(cm／s)稱為電泳遷移率up(cm2／(V?S))，二者可由MarianSmoluchowskiI公式進(jìn)行計(jì)算：

up=P／E=108／叼(1)

式中：——帶電顆粒的Zeta電位，mV；

——溶液介電常數(shù)，F(xiàn)／m：

——溶液黏度，Pa?S；

——過濾裝置中所施加的電場強(qiáng)度．V／emo

從公式(1)可看出，對(duì)于某種特定的原水，水中帶電顆粒的Zeta電位和所施加電場是影響顆粒電泳遷移率的關(guān)鍵因素。Zeta電位是表征水中膠體懸浮物質(zhì)帶電性能的重要參數(shù)．主要受溶液pH值、離子強(qiáng)度等的影響。對(duì)于蛋白酵母懸浮液，其Zeta電位的變化是通過羧基和氨基的離子化電離給出CO0一或NH+來實(shí)現(xiàn)的，使得低pH值下的蛋白質(zhì)分子帶正電荷，而高pH值下帶負(fù)電荷。離子強(qiáng)度對(duì)Zeta電位的影響主要是通過壓縮顆粒雙電層結(jié)構(gòu)【l2]，天然水體中存在的Ca、M，能在一定程度上改變水中雜質(zhì)顆粒的電負(fù)性，使得顆粒Zeta電位升高。當(dāng)溶液電導(dǎo)率較低時(shí)，隨著離子強(qiáng)度的增大．雜質(zhì)顆粒Zeta電位呈下降趨勢。根據(jù)一些學(xué)者的研究，溶液中Zeta電位較高的組分(<一30mV)是形成膜污染的主要物質(zhì)，而由公式(1)可知這些物質(zhì)較其他組分具有較高的電泳速度．因此是容易通過電泳遷移去除的，進(jìn)一步說明電泳能起到減緩膜污染的作用。

2．1．2電滲現(xiàn)象

附加電場后膜過濾通量將會(huì)得到增強(qiáng)，這是由于滲透于濾膜孔隙中的溶液定向透過膜孑Ll，產(chǎn)生了與原主體滲流同向的電滲流[4-15一l。由于電滲流的作用，膜孑L內(nèi)的過濾阻力降低，新的膜過濾阻力R(ca)減少為：

R=R／[(五：。+)／：

式中：——無附加電場時(shí)的膜過濾阻力，cm一；

——無附加電場時(shí)的膜過濾通量，mL／(em?s)；

——電滲流所引起的膜通量增加量，mL／(em?s)。

過濾某時(shí)刻．通量值J(mL／(cm?S))通過串聯(lián)阻力公式計(jì)算：

J=1000△n(R+Rr+)(3)

式中：△P——膜濾過程中跨膜壓力，kPa；

——沉積層過濾阻力，cm-1；

——濃差極化層過濾阻力，cm-1。

由公式(2)，附加電場引起的電滲流使得膜孔內(nèi)的過濾阻力減?。划?dāng)電場達(dá)一定強(qiáng)度后，大部分帶負(fù)電的雜質(zhì)顆粒通過電泳遷移脫離膜表面．使得整個(gè)過濾過程沉積層阻力和濃差極化層阻力，降低，由公式(3)，在相同跨膜壓力下，由于過濾總阻力(尺+尺，+)的減小，膜過濾通量將大幅增加。Chaung等…]認(rèn)為，當(dāng)膜表面尚有沉積層和濃差極化層時(shí)，過濾通量主要通過電泳得到增強(qiáng)，電滲并不如電泳作用明顯：而當(dāng)電場強(qiáng)度增大到臨界值(見3．1節(jié))，沉積層和濃差極化層消失時(shí)，過濾通量則僅由電滲作用得到提高。但根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的不同，一些帶正電荷和電中性的顆粒物質(zhì)會(huì)有堵塞膜孔的趨勢，而削弱電滲流的作用。反而使膜過濾阻力增大，過濾通量降低。經(jīng)一些學(xué)者的研究，與電泳速度。的影響因素一致，電滲流引起的膜通量增加量主要受顆粒Zeta電位和電場強(qiáng)度的影響。

2．2電化學(xué)效應(yīng)

電化學(xué)反應(yīng)是在電極上發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的化學(xué)過程，反應(yīng)類型取決于進(jìn)水物質(zhì)和進(jìn)水條件?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為：

陰極還原反應(yīng)：

2H20+2e一H2+20H

Mc+ne一Mc

陽極氧化反應(yīng)：

2H2O_02+4H++4e

Ma一+Ma+ne

Mc、Ma分別表示陰極和陽極材料。根據(jù)一些學(xué)者的研究『l4]，溶液密度大、導(dǎo)電率高時(shí)電極上氧化與還原反應(yīng)程度高，而為了保證電場膜過濾的有效運(yùn)行，原水的電導(dǎo)率范圍僅限于0．10～10mS／cm。由于高電導(dǎo)率下電泳作用將受到抑制，因此電化學(xué)和電泳是不可兼得的兩個(gè)作用。電化學(xué)反應(yīng)一般伴隨著焦耳熱的產(chǎn)生，認(rèn)為焦耳熱使得待濾液的溫度升高，粘度將會(huì)隨之降低。電極上水的電解產(chǎn)生O和H，在一定程度上能加快膜過濾速度并微略提高沉積層上濾餅的殘留水分，也可能擾亂膠體懸浮液的流態(tài)，導(dǎo)致顆粒在短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)。在氣體產(chǎn)生的同時(shí)，由于水電解產(chǎn)生H或OH一，使得溶液pH值發(fā)生一定改變，可能對(duì)雜質(zhì)顆粒的Zeta電位進(jìn)行微略改性，從而影響其電泳速度。

3外加電場

3．1臨界場強(qiáng)

臨界場強(qiáng)是指所有顆粒移向膜一側(cè)的凈速率為零時(shí)的電場強(qiáng)度[6_。當(dāng)電場強(qiáng)度小于臨界值時(shí)，顆粒電泳遷移與反向擴(kuò)散速度之和小于流體壓力差引起的遷移速度．膜面不斷有顆粒沉積；當(dāng)電場強(qiáng)度大到一定值，電泳遷移與反向擴(kuò)散速度之和等于流體壓力差引起的遷移速度，顆粒懸浮于主體液中，膜面沒有顆粒沉積，此時(shí)的電場強(qiáng)度為臨界場強(qiáng)。臨界場強(qiáng)是一種非常理想的狀態(tài)，它可以減緩膜污染程度。延長膜的使用壽命。

臨界場強(qiáng)由下式計(jì)算]：=L6cal／(4)

式中：——在給定跨膜壓力下，濃差極化層和沉積層消失時(shí)的通量值，mL／(cmz?S)。在電場膜過濾中，所施加電場強(qiáng)度大于臨界場強(qiáng)時(shí)，膜污染程度能得到減輕．但膜過濾通量能否得到提高，還取決于原水水質(zhì)特性。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在過濾初始階段，所施加電場強(qiáng)度小于臨界值時(shí)，滲透通量隨著場強(qiáng)增大而呈曲線上升。這可能是原水中顆粒開始凝結(jié)或顆粒與膜面之間的靜電力所致。而GCCYang等l21]發(fā)現(xiàn)．當(dāng)場強(qiáng)超過臨界值時(shí)，由于膜面沒有濾餅作為保護(hù)層．中性小分子微粒在膜孔內(nèi)聚集．導(dǎo)致膜孑L堵塞，膜阻力增大，滲透通量逐漸下降。

3．2間斷脈沖電場

由于外加連續(xù)電場需要較高能耗，電極反應(yīng)程度高，對(duì)處理具有較高電導(dǎo)率和較高熱敏度的原水有很大局限性。有研究者提出使用間斷脈沖電場，它是在濾室內(nèi)加電場一定時(shí)間后，停止加電一段時(shí)間，而后再加電場n由于形成沉積層需要一定時(shí)間，因此可以改變不同加電、停電的時(shí)間間隔，來改變膜濾速率，控制膜污染現(xiàn)象的發(fā)生。

用0．18m的聚偏氟乙烯膜，在流體壓差為0．12MPa，主體流量為36L／h，電場強(qiáng)度為60V／cm的條件下，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．015％的SiO懸浮液，分別采用10s／10s(即加電10S，停電10S)、3min／3min、6min／6min、10min／10min的間斷加電方式進(jìn)行膜濾試驗(yàn)，得出各試驗(yàn)在第50min的過濾速率值(此時(shí)速率已達(dá)初始穩(wěn)定)及各工況下的平均電功率值。研究發(fā)現(xiàn)：在臨界場強(qiáng)以上施加間斷電場時(shí)，其過濾濾速介于該恒定場強(qiáng)的穩(wěn)定過濾速率及不加電場的穩(wěn)定過濾速率之間，且加電頻率越高，穩(wěn)定膜濾速率越高，獲得單位體積濾液電功率的比耗越低。B．Sarkar等[18]通過試驗(yàn)研究質(zhì)量濃度為3kg／m，果膠和糖度為120Brix蔗糖的混合物，當(dāng)跨膜壓力為360kPa，錯(cuò)流速率為0．12m／s，連續(xù)場強(qiáng)為1000V／m時(shí)，滲透通量由6．5L／(m?h)升高到25．2L／(m?h)，系統(tǒng)所需電耗為0．83kW?h／m；而達(dá)到同樣通量，脈沖電場(電場啟閉時(shí)間比為3：

1)所需能耗為0．65kW?h／m，。連續(xù)電場下的電極反應(yīng)使陰極生成過量OH一和H，OH一隨滲流帶出，導(dǎo)致出水pH值升高，而膜附近釋放出氣體會(huì)降低滲透通量。試驗(yàn)中，當(dāng)連續(xù)恒定場強(qiáng)為500V／m，滲流出水pH值由3．97升高到4．6，而相同場強(qiáng)啟閉時(shí)間比為3：l的脈沖電場，出水pH值僅升高到4．4，故相比連續(xù)場強(qiáng)模式能削弱pH值升高對(duì)溶液產(chǎn)生的不利影響。

4滲透通量的影響因素

影響電場下膜過濾通量的4個(gè)主要方面為：進(jìn)水懸浮物的性質(zhì)(如粒徑、Zeta電位、濃度等)；電壓(電場強(qiáng)度)；跨膜壓力；錯(cuò)流速率。

4．1進(jìn)水懸浮物的性質(zhì)

HMHuotari等[zU認(rèn)為當(dāng)顆粒粒徑很小(<30nm)時(shí)．由于布朗運(yùn)動(dòng)．這些顆粒將會(huì)以較小的速率向膜表面遷移，膜污染程度較輕．通量衰減幅度減慢；當(dāng)顆粒粒徑在0．1一lNLm時(shí)．隨著錯(cuò)流速率增加，顆粒以紊流擴(kuò)散的形式向膜表面遷移．此時(shí)通量反而會(huì)降低。

顆粒Zeta電位要受到溶液pH值、離子濃度等影響。Cornelissen等_l6在過濾油狀乳液的過程中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，第一組油滴Zeta電位小于一5mV，在15kV／m的電場下．通量只能從35L／(m?h)增至70L／(m?h)，另一組油滴Zeta電位較高：一67mV，僅在2．4kV／m的場強(qiáng)下通量即由75L／(m2?h)升高到350L／(m?h)在恒定場強(qiáng)下，滲透通量與進(jìn)料濃度呈反比。這是由于較高的濃度使得濃差極化現(xiàn)象明顯導(dǎo)致滲透壓力增大，因此降低了滲透通量。

4．2電壓(電場強(qiáng)度)

WengYH等用氯化鈉作為電解質(zhì)來研究電場對(duì)于過濾通量的影響，氯化鈉溶液的電導(dǎo)率為100I．zS／cm，以無外加電場時(shí)溶液的過濾通量為標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：過濾通量增加量(即滲透通量)隨電壓的增大而增大。在25、50、75和100V的電壓下，通量增加率分別為4％、7％、l1％、18％，基本與所施加電壓大小呈線性增長的趨勢當(dāng)施加場強(qiáng)接近臨界值時(shí)，膜過濾氯化鈉溶液的通量接近于無外加電場時(shí)過濾去離子水時(shí)的通量。

4．3跨膜壓力

當(dāng)電場膜過濾的跨膜壓力低于使通量達(dá)到極限值的壓力時(shí)，過濾通量隨著跨膜壓力的增大而增加。但在較高跨膜壓下過濾，膜面的沉積層生成較快，這樣，通量會(huì)很快達(dá)到極限值(極限通量)。GCCYang等[21通過試驗(yàn)，作出電場強(qiáng)度為ll0V／CB(臨界場強(qiáng))，錯(cuò)流速率為l7．36cm／s時(shí)，跨膜壓力分別為68．9、137．8、275．6kPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的通量變化曲線，發(fā)現(xiàn)：壓力為275．6kPa時(shí)有最大的初始通量1．9mL／(cm?min)，但10min之后很快衰減至0．9mL／(cm?min)，20min后其對(duì)應(yīng)的通量為三者中最小。故得出結(jié)論：即使在臨界場強(qiáng)下進(jìn)行過濾，高跨膜壓也不能提高過濾速率，由于膜面并沒有濾餅形成，此時(shí)濾速降低可能是因?yàn)橐恍┬》肿游⒘６氯四た住?/p>

4．4錯(cuò)流速率

滲透通量與錯(cuò)流速率呈正比，這是由于較高的錯(cuò)流速率產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流。顆粒反向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致膜面顆粒濃度較低．膜污染得到減緩，從而通量得到提高。工程中錯(cuò)流速率一般取為0．1m／s，以此降低能耗。

5結(jié)語

(1)電場膜過濾裝置一般分板框式和管式，新型的附加電場中空纖維膜組件(E—HFM)克服了傳統(tǒng)膜過濾組件過濾面積小、效率低下等缺點(diǎn)，顯示出很大的工程應(yīng)用前景。

(2)電場膜過濾在理論上可認(rèn)為是錯(cuò)流過濾與附加電場共同作用的結(jié)果。外加電場會(huì)引起電泳和電滲等電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)以及電化學(xué)效應(yīng)。其中電泳是防止顆粒在膜面沉積．進(jìn)而減緩膜污染和提高膜通量的一個(gè)主要因素。

(3)外加直流電場分連續(xù)電場和脈沖電場。過濾過程中．持續(xù)的直流電場會(huì)有更高的滲流穩(wěn)定速率，但采用加電、停電的脈沖模式，停電時(shí)沉積層還沒來得及在膜面形成．使得脈沖電場下濾速衰減得慢，且能節(jié)省單位體積濾液的電功率比耗。因此，脈沖電場作為一種節(jié)省電耗的模式正日益得到推廣。

(4)電場膜過濾中通量的變化主要取決于4個(gè)方面：進(jìn)水懸浮物的性質(zhì)、電場強(qiáng)度、跨膜壓力和錯(cuò)流速率。當(dāng)顆粒具有較高Zeta電位、外加場強(qiáng)及跨膜壓力接近l臨界值、錯(cuò)流速率較高時(shí)，過濾達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的通量會(huì)得到提高。

(5)電場膜技術(shù)不僅能有效防止膜污染，延長膜的使用壽命；還能極大地降低膜阻力。增加膜通量，顯示出誘人的應(yīng)用前景。在今后的應(yīng)用過程中以下幾個(gè)問題尚需進(jìn)一步地深入研究：①裝置設(shè)計(jì)問題。裝置設(shè)計(jì)影響到電流在整個(gè)裝置中的分布，進(jìn)而影響過濾過程中的能耗，合理的設(shè)計(jì)同時(shí)還能防止電極腐蝕，使電極上生成氣泡和一些干擾物質(zhì)的現(xiàn)象得到消除，是具有開發(fā)潛力的一項(xiàng)研究；②電極反應(yīng)問題。陽極氧化是否可以用來進(jìn)一步去除原水中的有機(jī)污染物，以及電極反應(yīng)對(duì)于膜過濾中流態(tài)的影響亟待全面和深入的研究。