一种经过化学改进的反冲洗模型，该模型考虑了化学反应与物理去除之间的协同效应

《Journal of Water Process Engineering》：A chemically enhanced backwash model considering the synergistic effect of chemical reaction and physical removal

建立了考虑化学反应与物理去除协同作用的化学增强回洗（CEB）耦合动力学模型，通过0.1μm PAN膜污染实验验证模型预测跨膜压的准确性（R2≥0.9504，σ≤2.90%）。研究表明，化学去除效率随NaOCl浓度增加而提升，物理去除效果随流速提高增强，膜污染过程分为快速压降（0

　　

赵俊玲|王战|刘国亮|王周

北京工业大学材料科学与工程学院绿色催化与分离重点实验室，中国北京 100124

摘要

目前，尚无模型能够同时考虑化学增强反冲洗（CEB）过程中化学反应与物理去除的协同效应。本文基于这种耦合机制建立了一个新的CEB模型，并系统研究了在不同CEB条件（持续时间、NaOCl浓度和流速）下，瞬时跨膜压强（p(t)）和可用膜面积比（A(t)/A?）的动态变化。该模型利用被酵母悬浮液污染的0.1 μm PAN膜，在恒定流速交叉流过程（R2 ≥ 0.9504，σ ≤ 2.90%）中，能够精确预测p(t)的变化。在CEB过程中，物理去除和化学去除同时发生：较高的NaOCl浓度增强了化学去除效果，而较高的流速则增强了物理去除效果。此外，根据转变点时间（ta）（从孔隙开启到滤饼去除的阶段），p(t)的变化可以分为两个阶段：在第一阶段（0 < t < ta），p(t)迅速下降；在第二阶段（t ≥ ta），p(t)的下降速率放缓并趋近于p_steady。同时，以Xη + XV - WX ≥ 1.5作为评估指标，确定了最佳的CEB条件。为了验证该模型的适用性，还使用了不同的膜（0.1 μm PES、PAN和PVDF膜）、污染物（酵母悬浮液、BSA溶液和AS悬浮液）、化学试剂（NaOCl、NaBO?和H?O?）以及多次CEB循环实验。因此，该模型为恒定流速交叉流过程中的工业CEB过程提供了理论基础。

术语表

符号说明

A(t)A(t)/A?A-poreA-cakeB-poreB-cakeCCDF

A?	初始可用膜面积（m2）
t时刻的可用膜面积（m2）
可用膜面积比
膜孔中的原始污染物
膜表面的原始污染物
与化学试剂反应的膜孔中的污染物
与化学试剂反应的膜表面的污染物
化学试剂的初始浓度（wt%）
CEB过程中污染物去除的驱动力

假设

在模型开发过程中采用了以下假设： ① 化学试剂浓度恒定：由于CEB持续时间较短，假设化学清洁剂的浓度保持不变[18]。 ② 无再沉积：脱落的污染物被CEB溶液立即清除，不会重新沉积在膜表面[27]。 ③ 剪应力均匀：假设水力剪应力在膜内壁均匀分布

材料与方法

实验中使用的0.1 μm聚醚砜（PES）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚丙烯腈（PAN）膜由北京安德膜技术有限公司提供。DI水来自Milli-Q水系统（Millipore，法国）。实验中使用的化学试剂包括次氯酸钠（NaOCl，分析级，北京化学厂）、过硼酸钠（NaBO?，分析级，北京化学厂）和过氧化氢（H?O?，分析级）。

膜污染机制及CEB转变点的确定

酵母悬浮液（平均粒径4.8 μm）/ AS悬浮液（平均粒径38.5 μm）/ BSA溶液（平均粒径0.4 μm）的粒径远大于PAN微滤膜的孔径（0.1 μm），这表明酵母悬浮液/AS悬浮液/BSA溶液在过滤过程中的污染机制为滤饼过滤。此外，由于污染物（酵母悬浮液/AS悬浮液/BSA）的堵塞作用，孔隙堵塞也起到了重要作用。

结论

基于CEB过程中物理去除与化学反应的耦合机制，建立了一个新的动力学模型，用于描述被酵母悬浮液污染的0.1 μm PAN膜上p(t)的变化。同时，还定量分析了有效膜面积比（A(t)/A?）、瞬时总阻力（R_total(t)）、瞬时滤饼过滤阻力（R_cake(t)）、瞬时孔隙堵塞阻力（R_pore(t)）以及最佳的CEB条件。

CRediT作者贡献声明

赵俊玲：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、可视化、验证、软件使用、方法论、数据分析、概念构建。 王战：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、资金获取、概念构建。 刘国亮：撰写 – 审稿与编辑。 王周：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：22478011）的支持。