超聲強化膜分離技術(shù)

5.6超聲強化膜分離技術(shù)超聲波是指頻率在20kHz?10MHz的聲波，它可以在氣體、液體或固體中傳播。當超聲波在液體中傳播時，超聲波與液體之間的相互作用主要依靠其空化現(xiàn)象。所謂超聲空化現(xiàn)象，是指液體中微小空化泡(真空泡或含氣體和蒸汽的氣泡)在聲波作用下的振蕩、生長、收縮直至崩潰的一系列過程?？栈荼罎r，形如一個局部過熱點，在極短時間內(nèi)(<10us),在泡內(nèi)產(chǎn)生5000K的高溫和50MPa的高壓，并伴生強烈的沖擊波和速度達110m/s左右的微射流。超聲波的這種空化作用給媒介帶來巨大的機械效應(yīng)和熱效應(yīng)等。5.6.1超聲強化膜處理過程的原理在超聲波輻射下的超濾與微濾過程中，超聲空化所產(chǎn)生的微射流和沖擊波等可以促進液流與顆粒的宏觀運動，使顆粒易于被液流帶走，避免了顆粒的沉積，有效地減緩濃差極化現(xiàn)象及濾餅層的形成，使邊界層阻力及濾餅阻力顯著減小。同時，空化泡崩潰時產(chǎn)生足夠的能量，克服了物質(zhì)與膜之間的作用力，減弱了溶質(zhì)的吸附和膜孔的堵塞，從而抑制膜污染。此外，超聲波的空化作用使膜表面的溶質(zhì)濃度減少，降低了溶質(zhì)的滲透壓，抑制了由濃差極化引起的滲透壓升高，也有益于膜通量的增加。對于膜蒸餾、膜吸收等傳質(zhì)膜分離過程，超聲波對過程的強化也主要是由其空化作用所致。首先，微射流、沖擊波和聲沖流等引起液流宏觀湍動，使邊界層減薄，湍流主體中的渦流擴散加強，同時也造成了邊界層內(nèi)的局部湍動，使邊界層中的分子擴散轉(zhuǎn)變?yōu)闇u流擴散，最終使物質(zhì)與界面間的對流傳質(zhì)加強；其次，微射流和沖擊波等對液.固界面有沖擊作用，進而使相界面得以更新，加快了液流內(nèi)部的物質(zhì)傳遞；最后，微射流和沖擊波等也在膜微孔內(nèi)產(chǎn)生微擾作用，使微孔內(nèi)物質(zhì)擴散得到加強。超聲波的上述效應(yīng)均對傳質(zhì)膜分離過程起到了強化作用。(劉麗英，丁忠偉，常李靜等超聲波技術(shù)強化膜分離過程的研究進展化工進展200827(1)：32-33)。5.6.2超聲強化膜處理過程的模型超聲強化膜處理模型是在錯流膜濾的理論模型上加人了超聲作用結(jié)果，影響超聲強化的因素，除了聲波的效果外，其他基本與錯流膜濾過程的影響因素相同。研究者經(jīng)常采用的兩種描述超聲輔助膜濾過程的模型為串聯(lián)阻力模型和薄膜理論。5.6.2.1串聯(lián)阻力模型Ap在串聯(lián)阻力模型中，膜通量(J)基于達西定理的理論基礎(chǔ)：J=—門Rt式中：J——膜通量；△p——操作壓力；——水力粘度系數(shù)；Rt——膜濾過程中的總阻力?？傋枇捎赡ぷ枇?、凝膠層阻力和膜污染導致的阻力組成，前兩者是可逆的，顆粒沉積導致的膜污染形成的阻力不能為反沖洗所消除：Rt=Rm+Rr+Rf式中：Rm——膜阻力；R^—凝膠層阻力；R；—膜污染引起的阻力；超聲作用可以去除大部分濾餅層從而降低R值;膜阻力R需要經(jīng)過純水實驗計算得出；r mRf需要將已形成的濾餅層去除后得到。5.6.2.2薄膜理論模型 ? . …Cw在高進水濃度或完全截流的情況下，利用薄膜理論可以得出：Jkln式中：Cw——溶質(zhì)在膜表面的濃度；C一主體溶液的濃度。5.6.3影響超聲強化膜技術(shù)的主要因素5.6.3.1超聲頻率與強度超聲頻率與強度是研究者比較關(guān)心的超聲強化膜濾的重要因素，多年的研究成果基本上已得出了較為成熟的結(jié)論。許多研究表明，超聲波頻率越低，強化膜過濾的效果越明顯，膜清洗的效果也越好。究其原因，有研究認為高頻率的超聲波減少了空化效應(yīng)的產(chǎn)生，降低了空化效果的強度。在高頻率的超聲作用下，溶液被稀薄和壓縮的頻率加大，導致循環(huán)周期縮短，產(chǎn)生的空化泡大小不夠而不能達到擾動溶液的目的。所以空化泡不能產(chǎn)生足夠的能量，不足以帶走膜表面的顆粒，導致強化膜濾的性能降低。超聲強度是指單位面積上的超聲功率，聲強大小直接影響空化作用的效果。一般來說，超聲強度越大，導致的聲化學效應(yīng)越強烈°Lamminen等認為隨著超聲強度的增加，空化泡的數(shù)量增多，尺寸變大，形成了更強的聲壓。但是，因為能形成的空化泡有限，有一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，通量和聲強的關(guān)系在高強度范圍內(nèi)并非呈現(xiàn)線性。另有研究認為若聲強過高，空化泡生長過大甚至連接成片，在聲源表面形成一道聲屏障，阻止了聲波的傳播，使得遠離聲源處聲強減弱，反而降低了空化強度。超聲強度過高可能會導致膜的損壞或者縮短膜的使用壽命。5.6.3.2溫度超聲強化作用與溫度有關(guān)，溫度升高，液體的黏度及表面張力下降，或者使蒸汽壓增大，在液體中容易產(chǎn)生空化泡。大量研究都證實了，超聲輔助膜濾效果隨溫度的升高而增加。但是，溫度的升高會減弱空化泡崩潰時的作用效果。在膜清洗實驗中最顯著的空化現(xiàn)象在60-70°C時產(chǎn)生，在溫度低于40°C或高于85°C時減弱為原來的一半引。Li等在利用超聲輔助膜清洗時，也發(fā)現(xiàn)當溫度從23C升高至40C，膜通量有下降趨勢。這主要是隨溫度的升高超聲空化的強度減弱的原因，超聲輔助膜清洗主要歸功于超聲產(chǎn)生的空化泡在膜表面破裂引起的擾動，但溫度的升高會提高水蒸氣的飽和蒸汽壓，導致空化泡破裂產(chǎn)生的沖擊波強度減弱。5.6.3.3操作壓力一些研究表明，在低壓下超聲輔助膜濾的效果更佳。操作壓力對超聲的影響要從兩個方面考慮，一方面，壓力的升高會引起超聲波的空化減弱，另一方面，高壓會導致膜表面超聲的不均勻程度提高，膜表面損壞部分和未受超聲作用部分也會增多，使超聲輔助膜濾的效果變差。而對過濾而言高壓會引起濾餅層壓縮的加劇，使通量下降。5.6.3.4溶液性質(zhì)溶液的性質(zhì)，如溶質(zhì)濃度、顆粒大小、溶液粘度系數(shù)、pH等因素，對超聲強化膜濾的效果也有較顯著的影響。在溶液濃度很高的情況下，沒有超聲輔助的膜濾效果很差，加入超聲后膜通量可大幅度提高。但是，相對于濃度較高的情況，超聲作用在濃度較低的溶液中時，對膜通量的提升率更大。其原因為高顆粒濃度的溶液會形成更強大的聲阻，提高聲波傳遞過程中衰減程度。Chen等在陶瓷膜過濾硅膠溶液的實驗中得出了相似的結(jié)論，溶液濃度從0.1g/L提高到1.8g/L時，膜通量的恢復(fù)程度從92%下降到34%。溶液中顆粒的尺寸及濃差極化的程度對超聲的作用也有一定影響。在顆粒足夠小，在膜表面不發(fā)生濃差極化現(xiàn)象時，加入超聲對膜濾效果沒有影響。當溶液中顆粒尺寸較大，膜截留顆粒較多的情況下，超聲可以有效的提高膜通量。Chen等在實驗中發(fā)現(xiàn)用超聲恢復(fù)被1.561pm的硅膠溶液污染的陶瓷膜，通量恢復(fù)率可達到75%±7%，而0.22pm和0.161Mm的溶液通量恢復(fù)率只有43%+0.4%和40%±9%。另有研究利用兩種模型模擬了水流運動和顆粒運動的關(guān)系。假設(shè)顆粒均為圓形，均勻分布于受超聲作用的水中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲能很容易的使各種大小的顆粒(1-100Mm)發(fā)生共振，而低頻的振動(1kHz)比高頻的(100kHz)更易于引起大顆粒的共振。超聲在水中形成空化泡需要在稀薄溶液時產(chǎn)生負壓，需要克服分子間的結(jié)合力，所以空化泡難以在高粘度或高表面張力的液體中產(chǎn)生。有研究表明，當溶液粘度從1cP升高到4cP時，超聲對膜通量的改善效果大幅度下降。溶質(zhì)的不同物理化學性質(zhì)可能導致超聲對溶質(zhì)結(jié)構(gòu)造成影響，從而在處理效果上產(chǎn)生差異。Chai等發(fā)現(xiàn)超聲處理對相對分子質(zhì)量較高的葡聚糖溶液有較大的影響，膜的滲透通量顯著提高；而對水和小分子量的葡聚糖溶液則影響較小，其原因在于超聲波能有效強化邊界層中的傳質(zhì)，高分子量的葡聚糖溶液濃差極化現(xiàn)象嚴重，因而對其作用更明顯。Maskooki和Popovic的研究也表明，當處理含蛋白質(zhì)的溶液時，超聲有使其變性的作用，加入適量的EDTA溶液或適當?shù)南礈靹r，超聲將強化蛋白質(zhì)和EDTA或洗滌劑分子的相互作用，提高去除的效果。5.6.3.5錯流速度膜表面溶液濃度受到錯流速度的影響，在未加入超聲時，膜通量的大小一般與錯流速度成正比關(guān)系，加入超聲后錯流速度的影響被大大削弱。Kobayashi等采用三種不同錯流速度(0.2,0.29,0.38m/s)對超聲輔助超濾進行研究，超聲頻率為40kHz。當沒有超聲作用時，膜的極限滲透通量不受錯流速度的影響，加入超聲后，錯流速度為0.38m/s時膜的極限滲透通量最大。Li等利用尼龍膜做了類似的實驗，結(jié)果表明，超聲對膜的清洗效果不會隨錯流速度的升高而減弱。5.6.3.6超聲作用方式從時間上分類，可將超聲作用方式分為持續(xù)和脈沖兩種。Simon等研究了連續(xù)和脈沖輸入超聲波對溶液滲透通量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然兩種模式都能使?jié)B透通量增加，但連續(xù)聲場更為有效，而當脈沖施加超聲波時，需經(jīng)歷20min時間才能恢復(fù)到使用連續(xù)聲場輻射時相應(yīng)的滲透通量。但是脈沖輸入超聲波有利于能源的節(jié)省，王三反等糾采用每5?10min超聲作用1min的間歇超聲作用方式，膜清洗效果與連續(xù)作用基本相當，但可節(jié)約80%—90%超聲能耗。Mikko實驗發(fā)現(xiàn)，附加1秒開、1秒關(guān)的脈沖超聲場，在同樣的強度下，膜通量要略低于持續(xù)聲場，但電能的消耗卻下降了一半。脈沖開關(guān)的頻率越高膜的清洗效果越好，Cai副等在實驗中發(fā)現(xiàn)1秒開、5秒關(guān)和1秒開、9.9秒關(guān)的脈沖方式所達到的膜沖洗效果相當，而1秒開、1秒關(guān)的效果比前兩者高出40%。從傳播方向上分類，可將超聲作用方式分為三種。其一超聲波傳播方向與膜垂直，與出水方向一致；其二超聲波傳播方向與膜垂直，但與出水方向相反；其三，超聲波傳播方向與膜平行，與出水方向垂直。Kobayashi等經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，附加超聲場后對膜通量增加的影響，第一種情況最為明顯，第三種情況次之，第二種情況最次?；旌项l率的作用方式也能提高膜通量的恢復(fù)效果。利用28kHz、45kHz和100kH三種不同頻率超聲在30min內(nèi)交替切換，比三種頻率超聲單獨作用的膜通量恢復(fù)率高50%至200%不等。超聲發(fā)生器與膜的距離也是超聲強化膜濾過程的影響因素之一，在控制膜污染的過程中，其主要影響的是膜通量的恢復(fù)程度和膜的損壞狀況。Chen叫等在陶瓷膜過濾硅膠溶液的實驗中，采用1.7cm、2.6cm和3.5cm這三種不同距離，對膜通量的恢復(fù)狀況進行了觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用粒徑為1.56mm硅膠溶液膜通量恢復(fù)程度從97%下降到60%，采用粒徑為0.22mm硅膠溶液膜通量恢復(fù)程度從59%下降到29%，表明膜通量的恢復(fù)程度隨距離的增加而減弱。實驗采用的超聲發(fā)生器空化范圍為1.5cm，當發(fā)生器與膜的作用距離縮短到空化范圍之內(nèi)的1.3cm時，陶瓷膜產(chǎn)生破裂。5.6.3.7不同清洗劑的介入在超聲輔助膜清洗中，清洗劑種類或濃度的不同也產(chǎn)生不同的效果。Popovicl等利用低頻(35kHz)超聲輔助清洗被蛋白質(zhì)乳液污染的陶瓷管式膜，實驗了NaOH及兩種混合洗滌劑(P3-Ultrasil67和P3-Ultrasil69)所產(chǎn)生的影響。實驗發(fā)現(xiàn)當采用0.2%和1.0%的NaOH溶液時，加入超聲比不加超聲膜通量恢復(fù)率分別提高70%和120%,此外還發(fā)現(xiàn)低濃度的NaOH溶液更適合于此種膜的清洗，0.2%和1.0%的NaOH溶液與超聲復(fù)合作用可恢復(fù)膜通量78±3.4%和65.9%±3%。超聲輔助膜清洗中使用兩種洗滌劑的實驗也得出了相似的結(jié)果，相較于0.5%P3-Ultrasil67+0.8%P3-Ultrasil69和0.75%P3?Ultrasil67+1.2%P3-Ultrasil69兩種濃度的洗滌劑，最低的(0.25%P3-Ultrasil67+0.4%P3-Ultrasil69)到達了最佳效果，膜通量恢復(fù)高達97.3±0.8%。不論洗滌劑的投加量多少，超聲的介入都可以改善清洗效果，比無超聲介入時提高1.7-2.3倍。根據(jù)Maskoo的理論，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因為，超聲的加入有助于洗滌劑與蛋白分子的相互作用，也可以使蛋白質(zhì)變性，更易于去除。晉衛(wèi)副等對比了2%檸檬酸、2%檸檬酸加超聲兩種不同情況對膜清洗的作用，膜通量恢復(fù)率分別為66.3%和81%。5.6.4超聲強化膜技術(shù)的應(yīng)用5.6.4.1超聲波輔助膜清洗當超聲波在液體中傳播時，超聲波與液體的作用會產(chǎn)生非熱效應(yīng)，表現(xiàn)為液體激烈而快速的機械運動與空化現(xiàn)象?？栈且后w中微小泡核的振蕩、生長、收縮及崩潰過程。當氣泡崩潰時，在極短時間內(nèi)，在泡內(nèi)產(chǎn)生5000K以上的高溫和大約5X107pa的高壓，并伴生強烈的沖擊波和速度達110m/s左右的極小“微射流噴嘴”，把水射到膜的表面上，產(chǎn)生的高能沖擊液對污垢層直接反復(fù)沖擊，破壞污物與清洗件表面的吸附；引起污物層的疲勞破壞而脫離，加之超聲音頻振動的協(xié)同作用氣泡還能“鉆入”裂縫作振動，使污垢脫落。同時超聲波在清洗液中傳播時產(chǎn)生正負交變的聲壓，由于非線形效應(yīng)在固體和液體界面上會產(chǎn)生高速的聲流和微聲流，一方面微聲流和聲流會把新鮮溶液帶到膜表面，溶解膜表面的顆粒，同時空蝕去除不溶解的污染物，減少膜表結(jié)垢。另一方面產(chǎn)生聲流和微聲流能夠直接破壞污物，除去或削弱邊界污層，增加攪拌、擴散作用。TakaomiKobayash等(TakaomiKobayashi,TsuyoshiKobayashi,YohoHosakaNobuyuki.Fujii,Ultrasound-enhancedmembrane-cleaningprocessesappliedwatertreatmentsinfluenceofsonicfrequencyonfiltrationtreatments,Ultrasonics,2003,41:185~190)首先研究了超聲處理對濾料的影響以及進料性質(zhì)、超聲頻率、聲強以及聲傳播方向?qū)δし蛛x和清洗的影響。研究者將膜安裝于不銹鋼制作的過濾裝置中，裝置下為濃縮液，上為透過液，將過濾膜固定浸入到超聲波清洗槽中，聲能轉(zhuǎn)換器在膜的濃縮液側(cè)且離膜面50mm處，以水作為傳聲介質(zhì)。TakaomiKobayashi等在進行不同頻率的超聲波對聚丙烯脂膜(PAN)超濾性能影響實驗中發(fā)現(xiàn)，頻率的改變對水的通量影響不大，而對1%的葡聚糖溶液，頻率低則通量大，達到穩(wěn)定通量所需的時間短，頻率高的超聲波(100kHz)，葡聚糖溶液的滲透通量則保持不變，也不受功率的影響；低頻超聲(28kHz,，45kHz)，隨著聲強的提高，通量增大；他們還觀察到，用低頻超聲波(如28kHz)輻射，水浴中出現(xiàn)空化現(xiàn)象，而對高頻超聲激如100kHz)，則沒有觀察到此現(xiàn)象，表明超聲波輻射引起的空化現(xiàn)象，是葡聚糖溶液滲透通量提高的主要因素。在考察超聲波傳播方向?qū)ζ暇厶侨芤簼B透通量的影響實驗中，TakaomiKobayashi等設(shè)計了三種方式：方式一膜平行于水平面，料液位于膜的下方，小分子物質(zhì)向上透過超濾膜，超聲波以垂直于膜面的方向向上輻射料液；方式二膜垂直于水平面料液自下而上輸送，超聲波位于膜的下方，其傳播方向與膜面平行，并均勻輻射料液和滲透液;方式三膜平行于水平面，料液位于膜的上方，小分子物質(zhì)向下透過超濾膜，超聲波以垂直于膜面的方向向上輻射透過液。結(jié)果顯示：三種方式超聲波輻射強化膜過濾，其滲透通量均比未經(jīng)輻射的有顯著提高。當超聲傳播方向與透過液穿過膜的方向一致時，膜通量提高最大。XijunChai等(XijunChai,TakaomiKobayashi,NobuyukiFujii,Ultrasoundassociatedcleaningofpolymericmembranesforwatertreatment,Sep.Pufif.Technol,1999,15:139-146(ChaiXJ,KobayashiT,FujiiN,JournalofMembranescience,1998,148(1):129~135)利用相同裝置研究了低頻(45kHz)的超聲波輻射對1%葡聚糖溶液透過PAN膜的錯流超濾性能的影響。發(fā)現(xiàn)超聲處理對分子量較高的葡聚糖溶液有較大的影響，滲透通量顯著提高：而對水和小分子量的葡聚糖則影響較小。XijunChai等研究者還利用GPC凝膠滲透色譜法考察了超聲波對葡聚糖分子的影響，發(fā)現(xiàn)若將超聲波探頭直接放置于溶液中，可導致葡聚糖的降解；若超聲波是穿過超濾裝置外壁而輻射到超濾組件中的葡聚糖溶液，則葡聚糖分子量幾乎不變。Masselinlsabelle(Masselinlsabelle,ChasserayXavier,DurandBourlieretal.JournalofMembranescience,2001,181(2):213~220)等通過47kHz超聲波對聚合膜聚磯膜(PES)、聚丙烯脂膜(PAN)與聚乙烯氟膜(PVDF)進行清洗實驗，考察了超聲波清洗后膜的通量恢復(fù)和損傷情況。他們以47kHz的超聲波對浸泡于去離子水中的上述膜進行2h的輻射，實驗結(jié)果表明，對PES100膜，經(jīng)超聲輻射，其純水通量的變化為原來的100倍左右，而膜的擴散曲折率參數(shù)的變化率值也從150%至500%，顯示此種膜已受到廣泛的破壞。掃描電鏡來觀察PES100膜，可見多處鄰近的膜孔之間相連通，形成長條的裂紋，膜的孔徑分布也向孔徑增大的方向移動。實驗中PAN和PVDF膜的擴散曲折率參數(shù)沒有變化，純水通量的變化率也較小從10%至100%，顯示超聲波對這兩種膜的影響較小且清洗效果較好，電鏡觀察，僅膜的邊緣部分受到輕微的破壞。SimonA和LPenpenic等人(Simon,A,Penpenic.L,Gondrexon.N,Acomparativestudybetweenclassicalstirredandultrasonically-assisteddead-endultrafiltration,UltrasonicsSonochemistryet.2000,4:183~186)將超聲波探頭設(shè)置于超濾室內(nèi)，以20kHz超聲波對PBTK膜進行了2h的輻射，經(jīng)掃描電鏡觀察也沒有發(fā)現(xiàn)膜表面有任何破壞的跡象，表明超聲波對這種膜材料沒有影響?？梢?，超聲波能顯著改善超濾過程的分離效能，但由于在一定頻率下超聲波可能會破壞膜材料本身的結(jié)構(gòu)，因此使用超聲波清洗時須格外慎重。芮延年，郭旭紅等(芮延年，郭旭紅，劉文杰等超聲振動強化膜分離過程機理的研究。環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備.2002,6.)在對染料廢水的膜分離實驗中主要探討了超聲振動對膜反洗周期的影響，同時就振動頻率、頻幅和聲壓與透水率之間的關(guān)系進行了研究。試驗表明，當超聲頻率較低時，對提高膜的反洗周期影響較小，而當超聲頻率超過15kHz時，反洗周期成線性增長。聲強達到80W/m2時透水率達到最大值。當再提高聲強透水率反而下降，聲壓過高時膜分離試驗裝置出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象。另外，通過頻率對膜的破壞性試驗發(fā)現(xiàn)，適當?shù)念l率是可以提高膜的透水率，當頻率過高時反而影響膜的透水率。當頻率＞50kHz時，膜體出現(xiàn)破裂跡象。張國俊，劉忠洲(張國俊,劉忠洲超濾膜的超聲波助清洗研究.環(huán)境科學,2003.24(6):129~134)在考察了超聲波清洗對平板超濾膜損傷的前提下，提出采用低功率超聲波清洗超濾污染膜，通過被印鈔擦版廢液污染的超濾中空纖維膜組件進行的超聲波清洗實驗的研究表明，超聲波對膜的損傷程度與超聲波的功率大小密切相關(guān)，超聲波功率大于30W后，超濾膜的截留率下降明顯，特別是在超聲波功率大于50W后，實驗中可用肉眼觀察到膜表面的針孔現(xiàn)象。因此，在采用超聲波來清洗超濾膜或用超聲波作為強化滲透的一種手段時，超聲波對膜的損傷作用是一個不可忽視的問題。但是可以采用低功率的超聲波清洗，如超濾膜在經(jīng)20W功率的超聲波作用后，截留率保持不變，而膜通量卻略有上升。實驗證明了運用低功率超聲波來恢復(fù)超濾膜滲透通量和采用超聲清洗的可行性。迪莉拜爾?蘇力坦，莫罹，黃霞等(迪莉拜爾?蘇力坦，莫罹，黃霞，PAC-MBR組合工藝中膜污染及清洗方法的研究給水排水.2003,29(5):1~4.)在膜法水處理技術(shù)中，對超聲波清洗以減少膜污染，快速恢復(fù)膜比通量進行了初步的研究。由于超聲波能在清洗溶液中形成極大的擾動，并伴有強大的沖擊波和微射流，能與污染膜充分接觸和作用，較常規(guī)的物化清洗方法效果更好，可使膜比通量恢復(fù)54%。Kobayashi等用聚颯超濾膜過濾蛋白豚時，在超聲頻率為28kHz、功率為8-33W范圍內(nèi)研究了超聲對超濾過程的影響。結(jié)果表明超聲能有效去除蛋白豚對聚颯膜的污染，強化超濾過程。Chai等在不同的超聲頻率和功率下對蛋白豚超濾研究也說明超聲具有在線防垢作用。(邱運仁，張啟修.超濾過程膜污染控制技術(shù)研究進展[J],現(xiàn)代化工,2002,22(2):18-21)王曉麗，高博，傅學起(王曉麗，高博，傅學起超聲波處理對微濾膜損傷的影響膜科學與技術(shù)20051225(6)：7-10)研究40kHz超聲波處理對0.45“m的聚醚颯膜(PES)、混纖膜(CN—CA)、尼龍膜(N6)等幾種微濾膜的影響。采用微濾膜的水通量和濃度為4g/L的大豆分離蛋白溶液截留率的變化以及SEM的觀察評價超聲波處理對其結(jié)構(gòu)的影響。實驗結(jié)果表明：超聲波處理有時會對膜造成損傷。超聲波強度的增加，對微濾膜的結(jié)構(gòu)的損傷也會增加，因而超聲波處理用于膜污染控制和清洗前，先要確定對微濾膜無損傷的超聲波的參數(shù)(超聲波的強度、超聲波處理時間)；膜器外殼的材質(zhì)會影響超聲波的能量傳遞。超聲波透過塑料器皿的能量可能低于不銹鋼器皿，因而將膜置于塑料器皿內(nèi)時，膜對超聲波處理的耐受時間延長。5.6.4.2超聲波強化膜分離過程超聲波強化膜分離過程的應(yīng)用主要集中在超濾與微濾方面，在死避靜態(tài))過濾與錯流過濾中均有廣泛應(yīng)用。Juang等(JuangRS.LinKHFluxrecoveryintheultrafiltrationofsuspendedsolutionswithultrasound[J]J.Membr.Sci2004,243:115-124)將超聲波探頭置于超濾室內(nèi)，對強化死端超濾過程進行了研究，實驗裝置如圖1所示。研究了在不同頂端高度W時純水通量歹與超聲功率P的變化關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論H為何值，均隨P的增加而線性增加，但增加幅度不同，以H=65mm時增幅最大。在此基礎(chǔ)上，采用超聲波分別對Cu-PEl和W/O溶液的超濾通量恢復(fù)進行了研究，表明超聲波是恢復(fù)超濾通量的理想方法，尤其對低污染潛質(zhì)的Cu-PEI溶液更為有效。Simon等(SimonA.PenpenicL.GondrexonNAcomparativestudybetweenclassicalstirredandultrasonically-assisteddead-endultrafiltration[J]ultrason.sonochem2000,7:183-186)比較了超聲強化和傳統(tǒng)的磁力攪拌強化葡聚糖溶液死端超濾的效果，認為在超聲場中超聲波引起的湍動以及空化的機械效應(yīng)作用于流體，起到了類似于機械攪拌的作用，從而提出了假想的“超聲攪拌”概念；且超聲功率越強，混合作用效果越好，膜滲透通量越大。在另一實驗中，Simon等(SimonA.GondrexonNLow-frequencyultrasoundtoimprovedead-endultrafiltrationperformance[J]Sep.Sci.Technol.2000,35(16):2619-2637)又比較了連續(xù)和脈沖輸入超聲波對溶液滲透通量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然兩種模式都能使?jié)B透通量增加，但連續(xù)聲場更為有效，而當脈沖施加超聲波時，需經(jīng)歷20min時間才能恢復(fù)到使用連續(xù)聲場輻射時相應(yīng)的滲透通量。Chai與Kobayashi等(KobayashiT.ChaiX.FujiiNUltrasoundenhancedcross-flowmembranefiltration[J]Sep.Purif.Technol,1999,17:31-40)(.ChaiX.KobayashiT.FujiiNUltrasoundeffectoncross-flowfiltrationofpolyacrylonitrileultrafiltrationmembranes[J]J.Membr.Sci.1998,148:129-135)對超聲強化葡聚糖的錯流超濾過程進行了系統(tǒng)的研究，分別考察了料液性質(zhì)(葡聚糖的濃度)、超聲頻率、聲強以及聲波傳播方向等因素對膜滲透通量及截留率的影響，其實驗流程如圖2所示。研究了超聲波輻射不同相對分子質(zhì)量的1%葡聚糖溶液透過PAN膜的錯流超濾性能,發(fā)現(xiàn)超聲處理對相對分子質(zhì)量較高的葡聚糖溶液有較大的影響，滲透通量顯著提高；而對水和小分子量的葡聚糖溶液則影響較小，其原因在于超聲波能有效強化邊晃層中的傳質(zhì)，高分子量的葡聚糖溶液濃差極化現(xiàn)象嚴重，因而對其作用更明顯。研究者還利用GPC凝膠滲透色譜法考察了超聲波對葡聚糖分子的影響。結(jié)果表明，超聲導致了玻璃燒瓶中葡聚糖的降解，而不銹鋼過濾器中的葡聚糖相對分子質(zhì)量幾乎不變，研究者認為可能是由于不銹鋼材料對超聲波有一定屏蔽作用，使超聲強度有所下降所致。Muthukumaran等（MuthukumaranS.KentishSE.AshokkumarMMechanismsfortheultrasonicenhancementofdairywheyultrafiltration[J]J.Membr.Sci.2005.258:106-114）研究了激湍器（加填充物）與超聲聯(lián)合作用強化乳品錯流超濾過程的機理，結(jié)果顯示，超聲以及與填充物的聯(lián)合作用均顯著提高了滲透通量，在實驗范圍內(nèi)，超聲單獨作用時的增強因子為1.2?1.7，而與填充物聯(lián)合作用時的增強因子為1.8?2.2；通過對跨膜壓力差、溫度等因素對超聲強化的影響研究以及對凝膠極化模型的計算，確定出該過程的強化機理：在填充物存在條件下，超聲強化主要在于聲沖流造成的湍流以及超聲振蕩，抑制了初始蛋白質(zhì)的沉積并減弱了濾餅的生長，同時也降低了濾餅的壓密性，大大降低了過濾阻力，使通量顯著增大。夏之寧、郭寶元、桑雪梅等（夏之寧、郭寶元、桑雪梅等超聲波對染料膜滲透的影響化學研究與應(yīng)用199911（3）：272-275）考察了不同分子量的染料，漠百里酚蘭和染料廢水等在超聲作用下，通過醋酸纖維素膜的透水率與透鹽率。發(fā)現(xiàn)超聲在膜分離中有明顯的加速傳質(zhì)和去“濃差般化”作用，可以提高膜的分離效率。在超聲波對溶劑（水）滲透的影響試驗中，在溫度為27^，附加壓力為5.5kg/cm2下，測定透水率u；然后，施加超聲波，再進行透水率的對比測定。結(jié)果示出超聲波對水滲透速率有明顯提高，有超聲波作用時的滲透率是無超聲波作用時的2倍左右；在超聲波對溶質(zhì)滲析影響的試驗中，在溫度為27r，附加壓力為15kg/cm2下，測定滲透率u，滲透前溶液的吸光度A為0.202，測定有無超聲波條件下的染料廢水滲透能力。結(jié)果顯示，有超聲波作用時的滲透率是無超聲波作用時滲透率的1.5倍；而其對透鹽率的影響更大，其截留率分別是94%和67%有超聲波作用時的滲透濃度是無超聲波作用時的5.5倍。吳克宏，唐建偉，倪中華等人（吳克宏，唐建偉，倪中華等超聲波強化陶瓷膜分離實驗研究膜科學與技術(shù)2009.429（2）：90-92）研究了在頻率為21kHz功率為20w的