论文部分内容阅读
超滤是膜分离技术的一种，现已广泛应用于乳品工业中，特别是乳蛋白浓缩物（MPC）的制备。超滤在应用的过程中，存在一个关键问题——膜污染，这一现象会使得阻力增加，导致渗透通量衰减，从而限制了超滤技术在大规模生产中的应用。因此，膜污染问题得到了广泛关注，膜污染成为研究者关注的焦点之一，探讨与膜污染有关的基础理论以及清洗方面的研究具有重要意义。目前，我国还没有MPC的规模化生产，因此关于膜污染的理论和清洗方法的研究也鲜有报道。本研究中，利用不同的传统污染模型的概念，针对MPC生产中膜污染的具体情况，对超滤过程中由于蛋白质污染导致的通量衰减问题进一步进行了研究，在已有模型的基础上进行改进和结合，推导出更有效的数学模型，将理论得到的模型同在多种试验条件下进行的超滤的试验结果进行对比，验证该模型的有效性；同时选取多种清洗剂对污染膜进行清洗，通过对比通量恢复率（WFR），获得各清洗剂的最佳浓度、最佳时间以及最佳温度。具体研究内容与结果如下：1.对原料乳进行离心脱脂，研究原料乳中脂肪含量对超滤的影响，试验结果为：原料乳脂肪含量对膜通量、膜污染程度以及蛋白（干基）含量均有显著影响（P<0.05）；经脱脂后，原料乳的脂肪含量为0.0365%，超滤过程中膜通量为9.39L/m2·h23.96L/m2·h，工作2h后纯水通量为67.28L/m2·h，为超滤前的42.48%。2.在经典污染模型的基础上，结合推导模型的理论研究。具体模型为：（1）膜孔堵塞模型第一阶段，孔径堵塞是控制过滤阻力的主要因素。推导得到渗透通量的表达公式：在该方程式中，由于滤饼层的存在，Pmf不等于Δ P，且随着时间变化。因此，需要确定滤饼层中的压力分布，加入滤饼层模型。（2）可压缩滤饼层模型在膜孔堵塞之后，滤饼层开始在膜表面形成，且滤饼层引起的压力开始在渗透过程中占据主导，我们将这一阶段定义为模型的第二阶段。通过运算得到体积分数分布，渗透通量和可压缩饼层高度都形成关于时间t的函数。如下：渗透时间t和滤液体积V之间的关系可以用Δ ti和Δ Vi求和法计算。膜的通量（J0=ΔP/ηRm）受不同的膜阻力影响：3.不同操作条件下的超滤试验结果及其与模型预测的对比，试验结果为： tJ0/V值在实验开始时逐渐增加，显示为膜孔堵塞主导的时期。之后， tJ0/V值明显增加，这是滤饼层开始形成，并成为主导因素的标志。最后， tJ0/V逐渐平缓。可看出结果与预测重叠明显，特别是渗透过程后期。且两次重复试验误差在初期小于20%，后期小于10%。参数拟合中，两次重复试验间α的误差小于20%，Rp0和υ小于10%，渗透通量预测结果的误差在最初小于20%，之后小于10%。且该模型在20%的变化范围内足够稳定。4.计算试验中相同水平上的拟合参数的平均值用以研究跨膜压力及料液流速对超滤过程的影响。试验结果为：当跨膜压力增加时，膜孔堵塞因数α随之有小幅增加，滤饼层移动速率ν有轻微的减小趋势，而Rp0有小幅增加，因此跨膜压力并非越大越好，滤饼层形成后，跨膜压力的增大对渗透通量增加并没有作用；流速加快时，膜孔堵塞因数α略微增加，滤饼层移动速率ν随料液流速的加快有所增加，而初始污染阻力Rp0有小幅下降，因此，增加料液流速可减小膜污染。5.根据污染物的成分及PES膜的特性，选择以下五种清洗剂：氢氧化钠、盐酸、次氯酸钠、十二烷基磺酸钠（SDS）和碱性蛋白酶。试验结果为：（1）清洗效果最好的清洗剂是氢氧化钠，WFR最高可达79.2%，其次是碱性蛋白酶、次氯酸钠和SDS，最高WFR分别为69.1%、62.6%、46.1%，盐酸溶液的清洗效果是最差的，最高WFR仅有39.1%；（2）氢氧化钠、盐酸、次氯酸钠、SDS、碱性蛋白酶的最佳清洗浓度分别为：0.5-0.7%、0.3%、250ppm、0.1%、0.2%。（3）最佳清洗时间：盐酸是30min、氢氧化钠和次氯酸钠是40min、碱性蛋白酶和SDS为40-50min；（4）五种清洗剂的最佳清洗温度均为45℃。（5）复合清洗剂的清洗效果好于单一清洗剂，0.5%氢氧化钠和250ppm次氯酸钠组合效果最好，WFR可以达到96.8%。