電場強化錯流膜過濾技術可有效改善膜污染和置、機理、外加電場及影響滲透通量的因素這4個方面進濃差極化對錯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膜過濾組件的缺點.顯示出很大的工程應用前景。
錯流膜過濾技術被廣泛應用于分離和去除原水中的懸浮微小物質。但是，由于膜污染及濃差極化導致膜通量下降，成為該技術廣泛應用的制約因素。膜污染是一個物理、化學、生物過程相互作用的復雜現象，Yamamura通過用微濾膜過濾地表水的試驗后得出膜污染的機理：含鐵化合物、碳水化合物或蛋白質等相對較大的顆粒會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)會進一步堵塞這些變小后的膜孔，最終導致膜表面形成不可逆的膜污染。而一般進水懸浮物質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，也會產生膜污染。
在處理含有親水基團的大分子物質時，膜表面會產生凝膠層，不僅造成膜濾速率迅速衰減，而且還會縮短膜的使用壽命，是導致分離效率降低、限制膜過濾優勢發揮的內在因素。為了更好地強化錯流過濾，國內外研究者從各種角度出發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、亂流發生、膜材料改進、結合外場(如磁場、電場等。
結合電場的錯流膜過濾技術，即電場膜技術.被廣泛應用于反沖洗水脫鹽，皮革廢水、紡織廢水的脫色，水果汁、發酵(蛋白)液的凈化等領域。1977年Henry用電場錯流微濾高嶺土懸浮液和油污廢水，并建立了一套關于膜理論的數學模型：1994年J.Jurado利用激湍旋渦流動附加直流電場的方法進行血液蛋白回收：1996年Jagannadh和Muralidhare關于電動方法控制膜污染進行了綜述;2005年JOKim等發現將電場用于微濾預處理，可使滲透通量增加、原水中活性細菌減少，并且節省絮凝劑用量：2007年B.Sarkar等進行附加電場錯流超濾合成水果汁的試驗，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、過濾機理、外加電場以及滲透通量的影響因素這4個方面對電場膜技術展開論述。
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，兩電極之間分為過濾循環與漂洗循環，其中過濾循環在膜兩側的進料通道和滲流通道中進行。由于電極上會發生一些電化學反應。因此可以在兩電極內側分別形成隔室來防止由此而導致的流態變化l6]，這些隔室由離子交換膜隔開。由于原水中的雜質粒子通常帶負電荷，故將陽極置于進水端，陰極置于出水端。為了避免過濾時進料通道內離子濃度逐漸增加．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Bowen等[7]的研究，最好的陽極材料為鈦涂層，如鉑涂鈦材料。當膜由導電材料制成時，可用膜直接作陰極，此時，膜間阻力會減小，這樣的系統在維持相同場強的條件下能耗較少。Wakeman等。通過分析流動速率和電場剖面計算出顆粒在板框式膜組件中的運動軌跡，比較了平板電場和管式膜中的輻射電場的效率，結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，商冉等設計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勢，與上述兩種膜組件相比具有更廣泛的工程應用前景。
2電場膜過濾機理
電場膜過濾在理論上可認為是錯流過濾與附加電場共同作用的結果。外加電場會引起一些電動力學效應、電化學效應，其中電動力學效應包括電泳和電滲：電化學效應表現為氧化與還原反應，并伴隨有焦耳熱和氣泡等。
2．1電動力學效應
2．1．1電泳現象
水中雜質顆粒一般是帶負電荷的，施加電場后這些微粒朝背離膜表面的方向發生電泳遷移，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象。在該過程中，溶液主體流產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行反向擴散。當電場達到一定強度．電泳遷移和反向擴散將與微粒向膜面的沉積運動達到平衡，這時膜表面的沉積層可能消失。因此，電泳遷移現象能防止膜污染。
帶電顆粒在單位電場強度下的電泳速度(cm／s)稱為電泳遷移率up(cm2／(V•S))，二者可由MarianSmoluchowskiI公式進行計算：
up=P／E=108／叼(1)
式中：——帶電顆粒的Zeta電位，mV；
——溶液介電常數，F／m：
——溶液黏度，Pa•S；
——過濾裝置中所施加的電場強度．V／emo
從公式(1)可看出，對于某種特定的原水，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鍵因素。Zeta電位是表征水中膠體懸浮物質帶電性能的重要參數．主要受溶液pH值、離子強度等的影響。對于蛋白酵母懸浮液，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+來實現的，使得低pH值下的蛋白質分子帶正電荷，而高pH值下帶負電荷。離子強度對Zeta電位的影響主要是通過壓縮顆粒雙電層結構【l2]，天然水體中存在的Ca、M，能在一定程度上改變水中雜質顆粒的電負性，使得顆粒Zeta電位升高。當溶液電導率較低時，隨著離子強度的增大．雜質顆粒Zeta電位呈下降趨勢。根據一些學者的研究，溶液中Zeta電位較高的組分(<一30mV)是形成膜污染的主要物質，而由公式(1)可知這些物質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，進一步說明電泳能起到減緩膜污染的作用。
2．1．2電滲現象
附加電場后膜過濾通量將會得到增強，這是由于滲透于濾膜孔隙中的溶液定向透過膜孑Ll，產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：——無附加電場時的膜過濾阻力，cm一；
——無附加電場時的膜過濾通量，mL／(em•s)；
——電滲流所引起的膜通量增加量，mL／(em•s)。
過濾某時刻．通量值J(mL／(cm•S))通過串聯阻力公式計算：
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的過濾阻力減小；當電場達一定強度后，大部分帶負電的雜質顆粒通過電泳遷移脫離膜表面．使得整個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…]認為，當膜表面尚有沉積層和濃差極化層時，過濾通量主要通過電泳得到增強，電滲并不如電泳作用明顯：而當電場強度增大到臨界值(見3．1節)，沉積層和濃差極化層消失時，過濾通量則僅由電滲作用得到提高。但根據進水水質的不同，一些帶正電荷和電中性的顆粒物質會有堵塞膜孔的趨勢，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。經一些學者的研究，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電位和電場強度的影響。
2．2電化學效應
電化學反應是在電極上發生電子轉移的化學過程，反應類型取決于進水物質和進水條件。化學反應方程式為：
陰極還原反應：
2H20+2e一H2+20H
Mc+ne一Mc
陽極氧化反應：
2H2O_02+4H++4e
Ma一+Ma+ne
Mc、Ma分別表示陰極和陽極材料。根據一些學者的研究『l4]，溶液密度大、導電率高時電極上氧化與還原反應程度高，而為了保證電場膜過濾的有效運行，原水的電導率范圍僅限于0．10～10mS／cm。由于高電導率下電泳作用將受到抑制，因此電化學和電泳是不可兼得的兩個作用。電化學反應一般伴隨著焦耳熱的產生，認為焦耳熱使得待濾液的溫度升高，粘度將會隨之降低。電極上水的電解產生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，導致顆粒在短時間內凝結。在氣體產生的同時，由于水電解產生H或OH一，使得溶液pH值發生一定改變，可能對雜質顆粒的Zeta電位進行微略改性，從而影響其電泳速度。
3外加電場
3．1臨界場強
臨界場強是指所有顆粒移向膜一側的凈速率為零時的電場強度[6_。當電場強度小于臨界值時，顆粒電泳遷移與反向擴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；當電場強度大到一定值，電泳遷移與反向擴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，此時的電場強度為臨界場強。臨界場強是一種非常理想的狀態，它可以減緩膜污染程度。延長膜的使用壽命。
臨界場強由下式計算]：=L6cal／(4)
式中：——在給定跨膜壓力下，濃差極化層和沉積層消失時的通量值，mL／(cmz•S)。在電場膜過濾中，所施加電場強度大于臨界場強時，膜污染程度能得到減輕．但膜過濾通量能否得到提高，還取決于原水水質特性。通過試驗發現：在過濾初始階段，所施加電場強度小于臨界值時，滲透通量隨著場強增大而呈曲線上升。這可能是原水中顆粒開始凝結或顆粒與膜面之間的靜電力所致。而GCCYang等l21]發現．當場強超過臨界值時，由于膜面沒有濾餅作為保護層．中性小分子微粒在膜孔內聚集．導致膜孑L堵塞，膜阻力增大，滲透通量逐漸下降。
3．2間斷脈沖電場
由于外加連續電場需要較高能耗，電極反應程度高，對處理具有較高電導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，它是在濾室內加電場一定時間后，停止加電一段時間，而后再加電場n由于形成沉積層需要一定時間，因此可以改變不同加電、停電的時間間隔，來改變膜濾速率，控制膜污染現象的發生。
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，電場強度為60V／cm的條件下，對質量分數為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的間斷加電方式進行膜濾試驗，得出各試驗在第50min的過濾速率值(此時速率已達初始穩定)及各工況下的平均電功率值。研究發現：在臨界場強以上施加間斷電場時，其過濾濾速介于該恒定場強的穩定過濾速率及不加電場的穩定過濾速率之間，且加電頻率越高，穩定膜濾速率越高，獲得單位體積濾液電功率的比耗越低。B．Sarkar等[18]通過試驗研究質量濃度為3kg／m，果膠和糖度為120Brix蔗糖的混合物，當跨膜壓力為360kPa，錯流速率為0．12m／s，連續場強為1000V／m時，滲透通量由6．5L／(m•h)升高到25．2L／(m•h)，系統所需電耗為0．83kW•h／m；而達到同樣通量，脈沖電場(電場啟閉時間比為3：
1)所需能耗為0．65kW•h／m，。連續電場下的電極反應使陰極生成過量OH一和H，OH一隨滲流帶出，導致出水pH值升高，而膜附近釋放出氣體會降低滲透通量。試驗中，當連續恒定場強為500V／m，滲流出水pH值由3．97升高到4．6，而相同場強啟閉時間比為3：l的脈沖電場，出水pH值僅升高到4．4，故相比連續場強模式能削弱pH值升高對溶液產生的不利影響。
4滲透通量的影響因素
影響電場下膜過濾通量的4個主要方面為：進水懸浮物的性質(如粒徑、Zeta電位、濃度等)；電壓(電場強度)；跨膜壓力；錯流速率。
4．1進水懸浮物的性質
HMHuotari等[zU認為當顆粒粒徑很小(<30nm)時．由于布朗運動．這些顆粒將會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；當顆粒粒徑在0．1一lNLm時．隨著錯流速率增加，顆粒以紊流擴散的形式向膜表面遷移．此時通量反而會降低。
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行對比試驗，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的場強下通量即由75L／(m2•h)升高到350L／(m•h)在恒定場強下，滲透通量與進料濃度呈反比。這是由于較高的濃度使得濃差極化現象明顯導致滲透壓力增大，因此降低了滲透通量。
4．2電壓(電場強度)
WengYH等用氯化鈉作為電解質來研究電場對于過濾通量的影響，氯化鈉溶液的電導率為100I．zS／cm，以無外加電場時溶液的過濾通量為標準，試驗結果顯示：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施加場強接近臨界值時，膜過濾氯化鈉溶液的通量接近于無外加電場時過濾去離子水時的通量。
4．3跨膜壓力
當電場膜過濾的跨膜壓力低于使通量達到極限值的壓力時，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，通量會很快達到極限值(極限通量)。GCCYang等[21通過試驗，作出電場強度為ll0V／CB(臨界場強)，錯流速率為l7．36cm／s時，跨膜壓力分別為68．9、137．8、275．6kPa時所對應的通量變化曲線，發現：壓力為275．6kPa時有最大的初始通量1．9mL／(cm•min)，但10min之后很快衰減至0．9mL／(cm•min)，20min后其對應的通量為三者中最小。故得出結論：即使在臨界場強下進行過濾，高跨膜壓也不能提高過濾速率，由于膜面并沒有濾餅形成，此時濾速降低可能是因為一些小分子微粒堵塞了膜孔。具體參見http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。
4．4錯流速率
滲透通量與錯流速率呈正比，這是由于較高的錯流速率產生強制對流。顆粒反向擴散運動加劇，導致膜面顆粒濃度較低．膜污染得到減緩，從而通量得到提高。工程中錯流速率一般取為0．1m／s，以此降低能耗。
5結語
(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)克服了傳統膜過濾組件過濾面積小、效率低下等缺點，顯示出很大的工程應用前景。
(2)電場膜過濾在理論上可認為是錯流過濾與附加電場共同作用的結果。外加電場會引起電泳和電滲等電動力學效應以及電化學效應。其中電泳是防止顆粒在膜面沉積．進而減緩膜污染和提高膜通量的一個主要因素。
(3)外加直流電場分連續電場和脈沖電場。過濾過程中．持續的直流電場會有更高的滲流穩定速率，但采用加電、停電的脈沖模式，停電時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，且能節省單位體積濾液的電功率比耗。因此，脈沖電場作為一種節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個方面：進水懸浮物的性質、電場強度、跨膜壓力和錯流速率。當顆粒具有較高Zeta電位、外加場強及跨膜壓力接近l臨界值、錯流速率較高時，過濾達到穩定時的通量會得到提高。
(5)電場膜技術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，顯示出誘人的應用前景。在今后的應用過程中以下幾個問題尚需進一步地深入研究：①裝置設計問題。裝置設計影響到電流在整個裝置中的分布，進而影響過濾過程中的能耗，合理的設計同時還能防止電極腐蝕，使電極上生成氣泡和一些干擾物質的現象得到消除，是具有開發潛力的一項研究；②電極反應問題。陽極氧化是否可以用來進一步去除原水中的有機污染物，以及電極反應對于膜過濾中流態的影響亟待全面和深入的研究。
