平板陶瓷膜過濾面積和形狀及抽水口對水通量檢測的影響

蔡曉峰，秦玉蘭，李文東，何江，朱江全，冉健輝

（廣西碧清源環保投資有限公司，梧州543000）

1 前言

隨著我國對節能減排和環境保護的日益重視，在各行業的發展中，綠色低碳的先進生產工藝和技術不斷涌現，陶瓷膜作為一種先進的新材料，在其中起著重要的作用。陶瓷膜是采用無機非金屬材料經特殊工藝制備而成的非對稱膜，在陶瓷膜的膜壁內密布微孔，在壓力作用下，料液或氣體中的小分子物質（或液體、氣體）透過膜，大分子物質（或固體）被膜截留，從而達到分離、濃縮、純化和環保的目的。平板陶瓷膜是陶瓷膜中的一類品種，目前大量應用于污水處理和飲用水處理，是一類新型環保材料和產品，隨著對陶瓷膜材料技術和應用技術的研發深入，其應用領域正在不斷地擴大。

陶瓷膜最基本的功能是過濾分離，因此，陶瓷膜的過濾孔徑和過濾通量是最基本也是最重要的技術指標。陶瓷膜的過濾通量可分為氣體通量和液體通量，兩者可相互參考，但不可替代。氣體通量可以在陶瓷膜過濾孔徑檢測中完成，液體通量則需單獨進行檢測，一般用純水通量來表征標定。目前，在各級陶瓷膜產品標準中，對陶瓷膜純水通量的檢測條件僅限定了檢測所使用的壓力差（抽吸力），沒有限定檢測樣品的面積和形狀及其抽水口。檢測樣品的面積和形狀及其抽水口對純水通量的檢測結果是否有影響，本文對此進行初步的研究分析。

2 實驗

2.1 實驗裝備

陶瓷膜檢測樣品，鋼尺，TDF380W 型水泵（不銹鋼變頻觸控增壓泵，口徑25mm，額定功率0.38kW，額定流量3.5m3/h，最高揚程35m，頻率50—60Hz），XJ008 型計時器，TCS—100 型電子臺秤，Φ5mm 膠管及連接器，水池，容器。

2.2 實驗過程

2.2.1 樣品制備

取相同過濾孔徑和孔徑分布的氧化鋁平板陶瓷膜板，切割成不同規格尺寸，封裝成不同過濾面積和抽水口的檢測樣品元件。樣品元件的外形和陶瓷膜孔徑及其分布分別見圖1 和圖2。

圖1 平板陶瓷膜檢測樣品示例

圖2 陶瓷膜檢測樣品的孔徑分布圖

圖3 平板陶瓷膜水通量檢測裝置系統

圖4 平板陶瓷膜過濾面積與水通量的關系

2.2.2 水通量檢測

將檢測樣品以及各檢測裝備按圖三所示連接組裝成檢測系統。先測量陶瓷膜樣品的有效過濾面積，將檢測的陶瓷膜樣品的抽水口通過連接器連接抽吸膠管，陶瓷膜樣品的平面呈水平狀浸沒在水池中，膜面與水面間距0.3m，將水泵的抽吸力控制在-0.09MPa，水溫控制在25℃，抽水10min，膜板和管道內氣體排空后，通過排水膠管收集過濾2min 的水量在容器中，稱取所收集的過濾水的重量，稱取過濾2min 的水重5 次，取平均值，換算為水的體積。

各個平板陶瓷膜樣品的檢測條件和操作相同。

3 數據分析

3.1 純水通量計算公式

T＝W/S

式中，T 是純水通量，單位m3/m2·h，W 是在0.1MPa抽吸力下，單位時間內平板陶瓷膜檢測樣品過濾水的體積，單位m3/h，S 是檢測樣品的有效過濾面積，單位m2。

從計算公式來看，只要測出在規定的壓力差下，單位時間內過濾水的體積，測出陶瓷膜檢測樣品的過濾面積，就能計算出平板陶瓷膜樣品的純水通量。

3.2 影響過濾水量的因素

影響陶瓷膜過濾水量的因素可以大致分為三大類：陶瓷膜材料類因素、陶瓷膜過濾元件設計類因素以及陶瓷膜過濾水通量的檢測條件類因素，具體分析如下：

（1）陶瓷膜過濾孔徑及其分布情況?？讖皆酱?，孔徑分布范圍越寬，過濾水量越大。

（2）陶瓷膜的通孔孔隙率。通孔孔隙率越高，過濾水量越大。

（3）陶瓷膜材料的親疏水性和平滑性。親疏水性決定表面張力，陶瓷膜材料與過濾液體之間的表面張力越小，平滑性合適，液體越易滲入，過濾水量越大。

（4）陶瓷膜的厚度和孔徑梯度。陶瓷膜的膜層越薄，孔徑梯度合理，過濾阻力越小，過濾水量越大。

（5）陶瓷膜的有效過濾面積和形狀。面積越大，過濾水量越多。形狀上使抽吸通道短直和分布均衡，有利于提高過濾水量。

（6）陶瓷膜內抽吸通道數量、截面形狀和截面面積。該因素影響較復雜，另做研究討論。

（7）陶瓷膜上抽水口的數量和位置。該因素影響較復雜，一般來說，抽水口數量多，抽水口在陶瓷膜上分布均勻，則抽吸效率高，過濾水量大。

（8）過濾時陶瓷膜兩側的壓力差。壓力差（抽吸力）越大，過濾水量越大。

（9）水泵的額定功率和額定流量。功率和流量大，抽水能力強，過濾水量大。

（10）過濾水的溫度和潔凈度。溫度越高，粘度越小，潔凈度越高，陶瓷膜的污堵少，過濾水量越大。

（11）過濾時陶瓷膜和管道內的氣泡。由于陶瓷膜板和管道內存在氣體，剛開始抽吸水時，會有氣泡抽出來，氣泡越多，占據的空間體積越大，減小水泵的抽吸力，過濾水量越小。

（12）陶瓷膜的過濾時間。過濾時間長，過濾孔洞被污堵的程度增高，過濾水量減小。

（13）膜池中水給陶瓷膜的水壓。陶瓷膜平放時，陶瓷膜浸沒的越深，外部水壓越大，給陶瓷膜提供了外界的附加抽吸力，過濾水量增大。

（14）陶瓷膜與水泵之間的高度差。由于受水泵揚程的影響，導致過濾水量發生變化。

（15）水泵進水與出水管道口徑和長度、彎頭數量。管道口徑與水泵功率不匹配以及管道長短和彎頭數量，會影響抽吸能力，導致過濾水量發生變化。

由上可見，目前所能考慮到的影響陶瓷膜過濾水量的具體因素有15 種之多，每種因素都值得進行深入詳細地研究。本實驗中，只改變平板陶瓷膜的過濾面積、形狀和抽水口位置及數量，其它13 種因素保持不變。

3.3 實驗結果

按照前文2.2.2 中描述的檢測方法和檢測條件，對不同規格的陶瓷膜樣品進行水通量測試計算，所得測試數據和計算結果見表1。

表1 平板陶瓷膜水通量檢測計算結果

3.4 影響分析

3.4.1 檢測樣品面積對水通量的影響

根據樣品1、2、3、4、5（寬度、厚度相同）測試結果繪制圖四，由圖四可知，檢測樣品的過濾面積對陶瓷膜水通量的檢測結果有很大的影響，在相同抽吸力的條件下，面積越大，檢測的水通量越小。

根據樣品7 和樣品2、4 的測試結果對比可知，同時抽吸兩塊樣品的水通量比單獨抽吸其中一塊樣品（2 或4）的水通量要小，比單獨抽吸的兩塊樣品的水通量平均值（0.8940）更?。ㄐ?5.7%）。這也是陶瓷膜過濾面積變化對水通量影響的另一種體現。

3.4.2 檢測樣品的形狀對水通量的影響

根據樣品4、6 測試結果繪制圖5，由圖5 可知，在過濾面積相當的情況下（0.1525—0.1500m2），平板陶瓷膜樣品的長寬比對陶瓷膜水通量的檢測結果有一定影響，樣品6 的水通量小于樣品4（小9.3%）。過濾面積相同時，長寬比越大，檢測的水通量越小。

圖5 平板陶瓷膜長寬比與水通量的關系

3.4.3 檢測樣品的抽水口位置和數量對水通量的影響

根據樣品2、8 測試結果和樣品1、7 測試結果繪制圖6，由圖6 可知，在兩端設置抽水口（樣品8）的水通量比一端設置抽水口（樣品2）的水通量要大29.3%。

圖6 平板陶瓷膜抽水口的數量與水通量的關系

根據樣品7 和樣品1 測試結果對比可知，樣品7 測試用了兩個抽水口，分別在兩塊陶瓷膜板上，雖然樣品7中的兩塊膜板的過濾面積之和（0.485m2）略小于樣品1（0.5m2），但它的水通量大于樣品1（大30%），這說明同時抽吸兩塊膜板的水通量比單獨抽吸一塊面積相當的膜板的水通量要大，這也以另一種方式證明陶瓷膜抽水口位置和數量的變化對水通量的檢測有影響。

3.4.4 影響原因分析

由以上檢測結果和影響分析可知，平板陶瓷膜檢測樣品的過濾面積、形狀和抽水口的數量及位置對其水通量的檢測結果都有不同程度的影響。產生這些影響的核心原因是抽吸時陶瓷膜層壓力差的變化。當抽力恒定時，膜過濾面積大，作用于陶瓷膜層上的每個過濾微孔上的壓力就越小，抽吸力變小了，每個微孔的過濾流量會減小，而當過濾面積的增大彌補不了由于每個微孔上抽吸力的減小所造成過濾流量的減小時，總的水通量就減小了。相反，當抽力恒定時，膜的過濾面積減小，作用于膜層上每個過濾孔的抽力就會增大，過濾流量會對應增加，當過濾流量的增加大于因面積的減小所帶來流量的減小時，總的水通量就增加了。

樣品的形狀會影響抽吸力的有效作用范圍，樣品過于細長，會增加抽吸阻力，導致作用于遠離抽吸口處的陶瓷膜孔的抽吸力降低，使檢測的水通量減小。

與形狀影響類同，樣品上抽水口的設置同樣會影響抽吸力的有效作用范圍，對檢測樣品而言，應該統一抽水口的數量和位置。

4 結論

在水泵抽吸力恒定的條件下，平板陶瓷膜檢測樣品的有效過濾面積、形狀和抽水口位置及數量對陶瓷膜純水通量指標的檢測結果有不同程度的影響，其中影響最大的是過濾面積。

為了使平板陶瓷膜純水通量指標的檢測結果具有可比性，在水通量的檢測方法和條件標準中，應對檢測樣品的面積、形狀和抽水口位置及數量進行限定。

純水通量作為陶瓷膜材料的技術指標，在檢測時，應該考慮檢測樣品的面積、形狀和抽水口位置及數量對檢測結果的影響；而純水通量作為具體的陶瓷膜過濾元件產品的技術指標則可以不限定這些影響因素，因為此時，水通量是作為陶瓷膜元件的一個整體綜合技術指標來進行評價和對比。

使用相同的陶瓷膜材料，通過對陶瓷膜元件產品的內外形狀、尺寸規格、抽水口等進行合理的設計，能夠有效提高陶瓷膜過濾元件的水通量，提高平板陶瓷膜的使用效率，減少陶瓷膜的使用數量，延長使用壽命，降低陶瓷膜的使用成本。