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超滤系统详解

超滤膜在水处理应用中的工艺,超滤膜的透水能力随着温度的升高而增大,一般水溶液其粘度随着温度而降低,从而降低了流动的阻力,相应提高了透水速率。在工程设计中应考虑工作现场供给液的实际温度。

前处理超滤法在水处理及其他工业净化、浓缩、分离过程中,可以作为工艺过程的预处理,也可以作为工艺过程的深度处理。在广泛应用的水处理工艺过程中,常作为深度净化的手段。根据中空纤维超滤膜的特性,有一定的供水前处理要求。因为水中的悬浮物、胶体、微生物和其他杂质会附于膜表面,而使膜受到污染。由于超滤膜水通量比较大,被截留杂质在膜表面上的浓度迅速增大产生所谓浓度极化现象,更为严重的是有一些很细小的微粒会进入膜孔内而堵塞水通道。另外,水中微生物及其新陈代谢产物生成粘性物质也会附着在膜表面。这些因素都会导致超滤膜透水率的下降以及分离性能的变化。同时对超滤供水温度、PH值和浓度等也有一定限度的要求。因此对超滤供水必须进行适当的预处理和调整水质,满足供水要求条件,以延长超滤膜的使用寿命,降低水处理的费用。

A
微生物(细菌、藻类)的杀灭:

当水中含有微生物时,在进入前处理系统后,部分被截留微生物可能粘附在前处理系统,如多介质过滤器的介质表面。当粘附在超滤膜表面时生长繁殖,可能使微孔完全堵塞,甚至使中空纤维内腔完全堵塞。微生物的存在对中空纤维超滤膜的危害性是极为严重的。除去原水中的细菌及藻类等微生物必须重视。在水处理工程中通常加入NaClO、O3等氧化剂,浓度一般为1~5mg/l。此外,紫外杀菌也可使用。在实验室中对中空纤维超滤膜组件进行灭菌处理,可以用双氧水(H2O2)或者高锰酸钾水溶液循环处理30~60min。杀灭微生物处理仅可杀灭微生物,但并不能从水中去除微生物,仅仅防止了微生物的滋长。

B
降低进水混浊度:

当水中含有悬浮物、胶体、微生物和其他杂质时,都会使水产生一定程度的混浊,该混浊物对透过光线会产生阻碍作用,这种光学效应与杂质的多少,大小及形状有关系。衡量水的混浊度一般以蚀度表示,并规定1mg/lSiO2所产生的浊度为1度,度数越大,说明含杂量越多。在不同领域对供水浊度有不同的要求,例如,对一般生活用水,浊度不应大于5度。由于浊度的测量是把光线透过原水测量被水中颗粒物反射出的光量、颜色、不透明性,颗粒的大小、数量和形状均影响测定,浊度与悬浮物固体的关系是随机的。对于小于若干微米的微粒,浊度并不能反映。

在膜法处理中,精密的微结构,截留分子级甚至离子级的微粒,用浊度来反映水质明显是不精确的。为了预测原水污染的倾向,开发了SDI值试验。

SDI值主要用于检测水中胶体和悬浮物等微粒的多少,是表征系统进水水质的重要指标。SDI值的确定方法一般是用孔径为0.45μm微孔滤膜在0.21MPa恒定水流压水力下,首先记录通水开始滤过500ml水样所需的时间t0,然后在相同条件下继续通水15min,再次记录滤过500ml水样所需时间t15,然后根据下式计算:SDI=(1-t0/t15)×100/15

水中SDI的值的大小大致可反映胶体污染程度。井水的SDI<3,地表水SDI在5以上,SDI极限值为6.66……,即需进行预处理。

超滤技术对SDI值的降低最为有效,经中空纤维超滤膜处理水的SDI=0,但当SDI过大时,特别是较大颗粒对中空纤维超滤膜有严重的污染,在超滤工艺中,必须进行预处理,即采用石英砂、活性炭或装有多种滤料的过滤器过滤,至于采取何种处理工艺尚无固定的模式,这是因为供水来源不同,因而预处理方法也各异。

例如,对于具有较低浊度的自来水或地下水,采用5~10μm的精密过滤器(如蜂房式、熔喷式及PE烧结管等),一般可降低到5左右。在精密过滤器之前,还必须投加絮凝剂和放置双层或多层介质过滤器过滤,一般情况下,过滤速度不超过10m/h,以7~8m/h为宜,滤水速度越慢,过滤水质量越好。

C
悬浮物和胶体物质的去除:

对于粒径5μm以上的杂质,可以选用5μm过滤精度的滤器去除,但对于0.3~5μm间的微细颗粒和胶体,利用上述常规的过滤技术很难去除。虽然超滤对这些微粒和胶体有绝对的去除作用,但对中空纤维超滤膜的危害是极为严重的。特别是胶体粒子带有电荷,是物质分子和离子的聚合体,胶体所以能在水中稳定存在,主要是同性电荷的胶体粒子相互排斥的结果。向原水中加入与胶体粒子电性相反的荷电物质(絮凝剂)以打破胶体粒子的稳定性,使带荷电的胶体粒子中和成电中性而使分散的胶体粒子凝聚成大的团块,而后利用过滤或沉降便可以比较容易去除。常用的絮凝剂有无机电解质,如硫酸铝、聚合氯化铝、硫酸亚铁和氯化铁。有机絮凝剂如聚丙稀酰胺、聚丙稀酸钠、聚乙稀亚胺等。由于有机絮凝剂高分子聚合物能通过中和胶粒表面电荷,形成氢键和“搭桥”使凝聚沉降在短时间内完成,从而使水质得到较大改善,故近年来高分子絮凝剂有取代无机絮凝剂的趋势。

在絮凝剂加入的同时,可加入助凝剂,如PH调节剂石灰、碳酸钠、氧化剂氯和漂白粉,加固剂水下班及吸附剂聚丙稀酰胺等,提高混凝效果。

絮凝剂常配制成水溶液,利用计量泵加入,也可使用安装在供水管道上的喷射器直接将其只入水处理系统。

D
可溶性有机物的去除:

可溶性有机物用絮凝沉降、多介质过滤以及超滤均无法彻底去除。目前多采用氧化法或者吸咐法。

(1)氧化法利用氯或次氯酸钠(NaClO)进行氧化,对除去可溶性有机物效果比较好,另外臭氧(O3)和高锰酸钾(KMnO4)也是比较好的氧化剂,但成本略高。

(2)吸附法利用活性炭或大孔吸附树脂可以有效除去可溶性有机物。但对于难以吸附的醇、酚等仍需采用氧化法处理。

E
供水水质调整:
(1)供水温度的调整

超滤膜透水性能的发挥与温度高低有直接的关系,超滤膜组件标定的透水速率一般是用纯水在25℃条件下测试的,超滤膜的透水速率与温度成正比,温度系数约为0.02/1℃,即温度每升高1℃,透水速率约相应增加2.0%。因此当供水温度较低时(如<5℃),可采用某种升温措施,使其在较高温度下运行,以提高工作效率。但当温度过高时,同样对膜不利,会导致膜性能的变化,对此,可采用冷却措施,降低供水温度。

(2)供水PH值的调整

用不同材料制成的超滤膜对PH值的适应范围不同,例如醋酸纤维素适合pH=4~6,PAN和PVDF等膜,可在PH=2~12的范围内使用,如果进水超过使用范围,需要加以调整,目前常用的PH调节剂主要有酸(HCl和H2SO4)等和碱(NaOH等)。

由于溶液中无机盐可以透过超滤膜,不存在无机盐的浓度极化和结垢问题,因此在预处理水质调整过程中一般不考虑它们对膜的影响,而重点防范的是胶质层的生成、膜污染和堵塞的问题。

2操作参数正确的掌握和执行操作参数对超滤系统的长期和稳定运行是极为重要的,操作参数一般主要包括:流速、压力、压力降、浓水排放量、回收比和温度。

A、流速:

流速是指原液(供给水)在膜表面上的流动的线速度,是超滤系统中的超滤一项重要操作参数。流速较大时,不但造成能量的浪费和产生过大的压力降而且加速超滤膜分裂性能的衰退。反之,如果流速较小,截留物在膜表面形成的边界层厚度增大,引起浓度极化现象,既影响了透水速率,又影响了透水质量。最佳流速是根据实验来确定的。中空纤维超滤膜,在进水压力维持在0.2MPa以下时,内压膜的流速仅为0.1m/s,该流速的流型处在完全层流状态。外压膜可获得较大的流速。毛细管型超滤膜,当毛细管直径达3mm时,其流速可适当提高,对减少浓缩边界层有利。必须指出两方面问题,其一是流速不能任意确定,由进口压力与原液流量有关,其二是对于中空纤维或毛细管膜而言,流速在进口端是不一致的,当浓缩水流量为原液的10%时,出口端流速近似为进口端的10%,此外提高压力增加了透过水量,对流速的提高供献极微。因此增加毛细管直径,适当提高浓缩水排量(回流量),可以使流速获得提高,特别是在超滤浓缩过程中,如电泳漆的回收时可有效提高其超滤速率。

在允许的压力范围内,提高供给水量,选择最高流速,有利于中空纤维超滤膜性能的保证。

B、压力和压力降:

中空纤维超滤膜的工作压力范围为0.1~0.6MPa,是泛指在超滤的定义域内,处理溶液通常所使用的工作压力。分离不同分子量的物质,需要选用相应截留分子量的超滤膜,则操作压力也有所不同。一般塑壳中空纤维内压膜,外壳耐压强度小于0.3MPa,中空纤维耐压强度一般也低于0.3MPa,因而工作压力应低于0.2MPa,而膜的两侧压差应不大于0.1MPa。外压中空纤维超滤膜耐压强度可达0.6MPa,但对于塑壳外压膜组件,其工作压力亦为0.2MPa。必须指出,由于内压膜直径较大,当用作外压膜时,易于压扁并在粘结处切断,引起损坏,因此内外压膜不能通用。

当需要超滤液具有一定压力以供下一工序使用时,应采用不锈钢外壳超滤膜组件,该中空纤维超滤膜组件,使用压力达到0.6MPa,而提供超滤液的压力可达30m水柱,即0.3MPa压强,但必须保持中空纤维超滤膜内外两侧压差不大于0.3MPa。

在选择工作压力时除根据膜及外壳耐压强度为依据外,必须考虑膜的压密性,及膜的耐污染能力,压力越高透水量越大,相应被截留的物质在膜表面积聚越多,阻力越大,会引起透水速率的衰减。此外进入膜微孔中的微粒也易于堵塞通道。总之,在可能的情况下,选择较低工作压力,对膜性能的充分发挥是有利的。

中空纤维超滤膜组件的压力降,是指原液进口处压力与浓缩液出口处压力之差。压力降与供水量,流速及浓缩水排放量有密切关系。特别对于内压型中空纤维或毛细管型超滤膜,沿着水流方向膜表面的流速及压力是逐渐变化的。供水量,流速及浓缩水排量越大,则压力降越大,形成下游膜表面的压力不能达到所需的工作压力。膜组件的总的产水量会受到一定影响。在实际应用中,应尽量控制压力降值不要过大,随着运转时间延长,由于污垢积累而增加了水流的阻力,使压力降增大,当压力降高出初始值0.05MPa时应当进行清洗,疏通水路。

C、回收比和浓缩水排放量:

在超滤系统中,回收比与浓缩水排放量是一对相互制约的因素。回收比是指透过水量与供给量之比率,浓缩水排放量是指未透过膜而排出的水量。因为供给水量等于浓缩水与透过水量之和,所以如果浓缩水排放量大,回收比较小。为了保证超滤系统的正常运行,应规定组件的最小浓缩水排放量及最大回收比。在一般水处理工程中,中空纤维超滤膜组件回收比约为50~90%。其选择根据为进料液的组成及状态,即能被截留的物质的多少,在膜表面形成的污垢层厚度,及对透过水量的影响等多种因素决定回收比。在多数情况下,也可以采用较小的回收比操作,而将浓缩液排放回流入原液系统,用加大循环量来减少污垢层的厚度,从而提高透水速率,有时并不提高单位产水量的能耗。

D、工作温度:

超滤膜的透水能力随着温度的升高而增大,一般水溶液其粘度随着温度而降低,从而降低了流动的阻力,相应提高了透水速率。在工程设计中应考虑工作现场供给液的实际温度。特别是季节的变化,当温度过低时应考虑温度的调节,否则随着温度的变化其透水率有可能变化幅度在50%左右,此外过高的温度亦将影响膜的性能。通常情况下中空纤维超滤膜的工作温度应在25±5℃,需要在较高温度状态下工作则可选用耐高温膜材料及外壳材料。

超滤系统的日常维护:

        电泳超滤系统的日常维护主要是涉及超滤液的透过量的衰减和恢复。通常在电泳漆正常操作下,影响超滤透过量的几个因素为:漆的种类、固体份含量百分比、温度、电导率、pH值、进入超滤系统电泳漆的流量、超滤系统进口压力、压差以及在前处理时带入的污物等。电泳超滤系统必须有专人进行管理和维护,每天记录以上的数据,必须详细而且正确;当有问题发生时,这对分析问题的原因有及其重要的帮助。

        在电泳超滤系统开车运行几天后,超滤系统的超滤液流量将稳定在一个流量值上,这个稳定值便是此系统的正常值,当系统的超滤液流量下降至正常值的70%时,该系统就必须进行清洗。如果延误清洗,则会导致超滤管阻塞,使超滤液流量不可能恢复。

注意:超滤系统在日常运行或清洗过程中应尽可能减少非正常情况下的停机.,因为这会导致超滤管阻塞,使超滤液流量不可能恢复。

一.正常停机:超滤系统在关闭进料泵或清洗泵前,应首先缓慢关闭泵的出口阀至完全关闭,最后关闭电机并立即清洗超滤器。

警告:以下几种情况会对超滤膜组件产生致命危害。

      1. 车间内的突然停断电。

      2. 停机后,未能对超滤膜组件立即进行清洗。

二. 清洗液的配方:(阴极电泳涂装用漆)

     配方1:用于短时间停机之前。

      配方:去离子水-----100 %

      循环清洗:1-2小时

     配方2:用于清洗常见的堵塞。

     配方:1. 电泳漆溶剂 -----5 %

                  2. 醋酸-------------3 %

                  3. 去离子水---------其余

循环清洗浸泡:12-24小时以上

三. 清洗程序:

 1. 将去离子水充满清洗槽内备用。

 2. 将相关的球阀关闭或开启,启动清洗泵,将超滤器中的残留漆液清理干净,操作中要注 意向清洗槽中补加去离子水,注意观察清洗水箱的液面和清洗排出液的颜色,一直清洗到排出液清澈为止,停止清洗泵。

 3. 在清洗槽中配制好清洗液,启动清洗泵,进行循环清洗,清洗液返回清洗槽中。在循环清洗过程中,被清洗掉的物质会很快将清洗液污染,当清洗液被污染严重时,应将被严重污染的清洗液排放掉,重新配制清洗剂继续清洗。重复上述操作,直至返回清洗槽中的清洗液清澈为止。

 4. 若膜组件堵塞严重,在循环清洗2小时或直至温度达到49℃后(注意不要超过49℃),停止清洗泵,将清洗液封存在超滤器内,浸泡一昼夜或更长时间后,再进行循环清洗2小时。

 5. 清洗完后,应将清洗液排放掉。用去离子水加到清洗槽中,启动清洗泵,进行循环清洗,将化学清洗剂清洗干净,排放掉。再将超滤器中打入干净的去离子水,清洗全部结束。

 四. 电泳超滤设备维护特别注意事项:

1. 当超滤的进口压力降低20%时,必须更换超滤过滤器中的精密过滤袋(过滤精度为25um)。

2. 更换超滤精密过滤袋前,必须用纯水洗干净、浸透。放过滤袋时要放正,不能放便,同时压紧框也要对正,不能压偏,紧固螺母要上紧;否则,容易漏渣,起不到较好的过滤作用,而造成后面的超滤管堵塞。

3. 过滤袋安装好后,必须打开超滤过滤器顶部的排气阀,先排放空气,让过滤器中充满漆液,然后再将超滤加压泵打开。

4. 正常运行时,旁通阀门都不能打开。

5. 主循环泵由于故障或检修而需要停机时,此时,此时超滤加压泵也必须停机,关闭泵的进出口阀,关闭超滤膜管漆液进出口阀和透过液阀。如果停机超过半小时,必须将膜管里的漆液排空,用纯水清洗干净,并用纯水泡膜管,以保护超滤膜。

五.电泳超滤设备如果出现以下几种不正常的情况和操作,将会马上损坏超滤膜,使超滤水的透过流量大幅下降,并不可恢复:

(1)阴极电泳漆稳定性不好,容易结渣,将极易堵塞精细过滤袋和超滤膜。

(2)电泳超滤膜在运行中,精细过滤袋被堵塞,造成电泳漆在超滤膜中的流速低,电泳漆沉淀堵塞超滤膜,超滤水的透过量会逐步下降到零。

(3)超滤膜的出水量运行几天后,会有一个稳定值,当这个值下降到70%左右时,就必须立即进行反清洗。如果延误清洗,会导致超滤膜堵塞,使流量不可恢复。

(4)超滤膜在运行中,遇到停电、放假、清槽等特殊因素停机时,必须先将超滤器中的电泳漆用清洗水(配槽的溶剂水)完全的置换出来,再停机;否则超滤管中的电泳漆会沉淀下来,粘附在超滤膜面上,堵塞超滤膜,再运行时超滤水的透过量会显著下降。

(5)槽里阴极电泳漆的PH值、温度、固体份、电导率等管理值不在正常的范围里时,阴极电泳漆的分散会不稳定,极易在超滤膜上凝结成块导致堵塞。

(6)工件进入电泳槽必须先清洗干净,从前处理带进电泳槽的磷酸根离子,对阴极电泳漆的影响会很大,超滤膜会被凝聚物(如磷酸铅等)污染物堵塞。

(7)阴极电泳漆如果为无铅的阴极电泳漆,电泳漆里应有防细菌的措施;如果阴极电泳漆里生长细菌,将很容易结渣,堵塞精细过滤袋和损坏超滤膜。

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