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《南京工业大学》 2002年
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陶瓷膜成套装备与工程应用技术的研究

邢卫红  
【摘要】: 本文以提高膜渗透通量、降低陶瓷膜设备的运行成本为目标,以亚微米、纳米粒子的固液分离以及医药、生化工业的发酵液除菌分离为应用背景,分析了无机陶瓷膜在液相分离领域的应用现状,提出了以强化陶瓷膜过程为手段,解决膜应用过程中的成套装备问题,以实现陶瓷膜在相关领域的工程应用。 在强化陶瓷膜过程的研究中,系统考察了湍流促进器结构、形状对膜的强化过程,认为缠绕式湍流促进器可显著提高膜的渗透通量,降低膜污染,并对其强化机理进行了阐述;研究反冲过程对膜系统的作用机理,并优化了反冲操作条件,为反冲技术的在陶瓷膜工程中的应用奠定了基础。 在膜污染和清洗方法研究中,针对油田采出水这一复杂体系,采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDX)研究膜表面和断面污染物的形态和成分;采用电渗法和电泳法测定膜材料和废水之间的电位变化关系,认为硫和硅等在膜面发生特征吸附,导致膜污染加重,并随着污染物的累积,导致渗透通量持续下降;采用膜面预处理减弱特征吸附,可有效抑制膜污染的形成;采用酸、表面活性剂、碱并配以合适的脉冲清洗,有效恢复膜的渗透通量。通过对膜污染机理和清洗方法的研究,为陶瓷膜成套装置的长期稳定运行提供了保证。 在亚微米、纳米粒子的固液分离过程中,针对颗粒体系的微滤过程,考察膜孔径、膜厚度等结构参数对膜通量的影响,结合阻力模型分析计算了颗粒体系膜污染的形成过程,认为颗粒体系微滤污染主要由堵塞和滤饼两部分组成;通过对钛白粉水洗液废水处理以及纳米TiO_2粉体的洗涤浓缩过程的研究,建立了粉体洗涤过程的数学模型,优化了洗水过程;设计了年生产500吨的纳米TiO_2生产过程中的陶瓷膜洗涤成套装置,实现了反冲过程的系统控制和洗水方式的自动控制,该装置已稳定运行两年,取得了很好的经济和社会效益,本研究结果已在钛白粉废水处理、纳米粉体的生产中推广应用。 在医药、生化工业的发酵液除菌分离中,对陶瓷膜用于肌苷发酵液的处理进行了深入的研究,开发出絮凝预处理和陶瓷膜分离结合的肌苷除杂新工艺。实验表明,ZrO_2膜处理肌苷发酵液的合适条件为pH=3、操作压力为0.1MPa、膜面流速3m/s、温度大于70度,此时可以获得平均渗透通量150L/m~2h,但由于酸性条件、高温下肌苷降解,导致肌苷收率有所降低,但仍高于传统肌苷提取方法得到的收率;为进一步提高肌苷得率,缩短提取工序,实验研究了絮凝剂预处理发酵液,解决碱性条件下由于蛋白析出导致膜污染加重的问题,研究表明采用CaCl_2絮凝并调节pH=11,可以获得平均渗透通量为180L/m~2h,肌苷得率大于95%;比较了三种肌苷提取工艺得到的产品质量,采用预处理与陶瓷 南京工业大学博士学位论文 膜分离结合的除杂工艺得到的粗昔质量与陶瓷膜分离、离子交换及活性炭吸附 工艺生产的粗普质量相当,均优于传统的提取工艺;设计了每小时处理12一巧 吨肌普发酵液的陶瓷膜成套装置,采用部分内循环的方式降低设备的能耗,简 化了肌昔提取方式,提高了产品的收率和得率,由于减少离子交换和活性炭吸 附,使得工厂废水排放量降低30一40%,降低酸、碱用量,有利于环境保护。 该应用技术和成套装备己在食品、生物化工、医药工业推广应用。 综上所述,通过对陶瓷膜强化过程、膜污染和清洗方法的研究,亚微米、 纳米粒子的固液分离以及医药、生化工业的发酵液除菌分离等行业的成套陶瓷 膜装置的建设和应用技术的开发,极大地推动陶瓷膜技术的发展,夯实了我国 陶瓷膜工程应用的基础,促进了相关行业的技术进步。
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