超滤培训教材

第1页共15页超滤培训教材山东九章膜技术有限公司第2页共15页超滤培训教材1简介1.1.膜分离过程分类介绍滤膜法液体分离技术从分离精度上划分，一般可分为四类：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO），它们的过滤精度按照以上顺序越来越高。微滤能截留0.1-1微米之间的颗粒。微滤膜允许大分子和溶解性固体（无机盐）等通过，但会截留住悬浮物、细菌及大分子量胶体等物质。微滤膜的运行压力一般为0.7-7bar。超滤能截留0.002-0.1微米之间的大分子物质和蛋白质。超滤膜允许小分子物质和溶解性固体（无机盐）等通过，同时将截留下胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物，用于表示超滤膜孔径大小的切割分子量范围一般在1000-500000之间。超滤膜的运行压力一般1-7bar。纳滤能截留纳米级（0.001微米）的物质。纳滤膜的操作区间介于超滤和反渗透之间，其截留有机物的分子量约为200-800MW左右，截留溶解盐类的能力为20%-98%之间，对可溶性单价离子的去除率低于高价离子，纳滤一般用于去除地表水中的有机物和色素、地下水中的硬度及镭，且部分去除溶解盐，在食品和医药生产中有用物质的提取、浓缩。纳滤膜的运行压力一般3.5-30bar。反渗透是最精细的一种膜分离产品，其能有效截留所有溶解盐份及分子量大于100的有机物，同时允许水分子通过。反渗透膜广泛应用于海水及苦咸水淡化、锅炉补给水、第3页共15页工业纯水及电子级高纯水制备、饮用纯净水生产、废水处理和特种分离等过程。反渗透膜的运行压力一般介于苦咸水的12bar到海水的70bar。1.2.超滤膜的种类及应用特点超滤膜按结构来分主要有四种：板式膜，卷式膜，管式膜，中空纤维膜。板式膜：它是最早出现的膜，但因为难以保证膜表面适当的流速及复杂的密封问题，这类膜的应用非常有限。前处理要求不严格；卷式膜：以板式膜为起点发展起来的，因为卷式膜的格网带来死点及无法反洗，通常不适用于工业原水处理。它们适用于高温、高压物料分离等，前处理要求也不严格；管式膜：因为它的能耗较大，从经济上来说不适用于普通水处理，一般适用于高固体含量或高含油浓度的流体，在四种膜中，它的前处理要求最不严格。中空纤维膜：因为它压力低，通道无死点，通量高，能进行反洗，所以除特殊水体（如高含油、高固体含量等）外，都是很好的选择，对四种膜而言，在水处理中应用最为广泛。注：因为中空纤维膜应用最广泛，后面资料中除共同点外，其他均以中空纤维膜为例进行说明。1.3.应用范围超滤在水处理领域应用十分广泛，按应用场合划分，主要可以用于：1.3.1.原水前处理（地表水、地下水、自来水）澄清池、砂滤替代、RO前处理及离子交换前处理应用在前置予处理中，超滤替代澄清池或砂滤器，用于去除原水中的固体和胶体以改善后续工段设备的运行，如改善离子交换器的反洗频率和反渗透膜元件的更换频率，但其需要较频繁的清洗/冲洗。膜型一般为10万分子切割量。1.3.2.纯化处理去颗粒（如18WΩ水）、去微生物及热原体、RO或离子交换后处理应用在反渗透/离子交换设备后，超滤用于去除水体中的胶体和固形物，水透过率较高，清洗频率较低，其不需要较频繁的清洗/冲洗，只有当系统压力降低到操作不便或有细菌产生时才清洗。在医药及电子行业，超滤放在使用点用以去除微生物及热原体。膜型一般为1-10万分子切割量。1.3.3.水循环和回用生化处理后、澄清后（二级和三级）第4页共15页2超滤术语平均透膜压差AverageTrans-membranePressure产水侧和原水进出口压力平均值的差异，平均透膜压差＝（P进＋P出）/2－P产水反洗Back-flush从中空纤维外侧把透过液质量的水输向内侧。因为水被从反方向透过纤维,从而松解并冲走了膜表面的污物。注意：在此过程中纤维膜内侧无压力。胶质污染ColloidalFouling在中空纤维内侧膜表面形成微粒沉淀层。浓差极化ConcentrationPolarization引起被排斥的悬浮物在膜表面聚集的现象。纤维内的高剪力（高流速）能降低极化。错流过滤CrossFlow浓水沿平行于有效膜面方向流动，有助于冲刷掉膜表面的污染物碎片。压力差DifferentialPressure纤维膜管进出口压力差。压力差PD＝P进-P出回收率Recovery产水占总原水的百分比。%回收率＝产水/原水×1003超滤基本原理超滤是一个错流合切向流的过程，要过滤的液体沿膜表面流动。这样在中空纤维的内壁上形成流体剪切的条件，而使得污染物较难在膜表面形成。要过滤的水经由超滤给水泵加压后输入膜组件中。由于膜内外的压力差，一部分水渗过滤膜，而水中的杂质则截留在剩余部分水中被过滤除去。如果欲分离的杂质在膜上过多沉积，根据膜的类型不同，会导致难溶性盐沉积或形成第5页共15页部分覆盖层。所以要避免这一点，一部分水会成为浓缩液流出去掉，根据膜的类型和应用不同，这样的过程要持续进行或者在回流时进行。4流程模式原水进入中空纤维内腔，由内向外通过纤维过滤。通常原水由膜件的一端进入，在30-40psi的压力驱动下流经整个长度的纤维。较高固含量的浓缩液自膜件的另一端排出。透过液经纤维膜壁的过滤流入膜件中心的透过液集水管中。透过液经集水管自每支膜件的中心流出。超滤根据原水水质的不同一般有两种运行流程模式：死端过滤模式和循环过滤模式。4.1死端过滤模式一般当原水中悬浮物和胶体含量较低时（如SS5,浊度5NTU）时采用。如下图2：死端过滤示意图面图2所示，原水以较低的错流流速进入膜管，浓缩水以一定比例从膜管另一头排出。产水在膜管过滤液侧产出，水回收率通常是90%-99%，由原水水质决定。和循环模式相比，死端过滤的操作成本低，但回收率和系统的出水能力可能会受限制。这种模式通常需要定期快冲和反冲来维持系统出力，当污物积累到一定程度，就需要化学清洗来进行处理。第6页共15页4.2循环过滤模式当原水中悬浮物含量较高及在大多数非水应用领域，就需要通过减少回收率来保持加膜管内部的高流速。这样就会造成大量的废水。如图3所示，为了避免浪费，排出的浓水就会被重新加压回流到膜管内。这样，虽然降低膜管的回收率，但对于整个系统，回收率仍然可以很高。在这种模式，进水连续的在膜表面循环。循环水的高速阻止了微粒在膜面积的堆积，并增加了通量。因为较少的进水成为产水，为了获得相同的产率，能耗就比死端过滤模式大。回流入口膜泵滤液滤出物滤液膜泵第7页共15页5超滤膜的性能5.1膜元件的操作范围最高压力（水）：45psi（3.1bar）最高压力（气）：15psi(1.0bar)最高进水温度：104℉（40℃）最低进水温度：32℉（0℃）最大透膜压差：35psi(2.4bar)最大反洗透膜压差：20psi(1.4bar)最大平均压力变化：6psi/sec(0.4bar/秒)，10秒钟阀门开启时间最大总氯耐受能力@77℉（25℃）或更低：200ppm@8.5pH或更高pH。最大总耐氯接触量：200，000ppm小时（累计）@8.5pH或更高pH。最大有机溶剂接触：避免接触最大紫外线接触：避免暴露于日光直射下。5.2组件的截留性能5.2.1对MS2噬菌体的截留对病毒MS2噬菌体的截留比较难以确定。如果要在浓度很小的时候检测这种生物体，就需要特殊的微生物检测技术。另一方面，要在足够长的时间中使较高浓度的噬菌体混合流入原水中，也很难。由于膜的净化效率很高，所以要能测量出噬菌体的截留来，原水中它的浓度至少要达到每毫升10万个。在此浓度下，滤液中找不到噬菌体。因此，对噬菌体的截留在99.999%或者说对数级5以上。5.2.2对隐孢子体（Kryptosporidien）的截留精确的检测表明超滤膜对隐孢子体（大小为4-6μm）的截留超过对数级6。5.2.3对微粒的截留利用超滤，能把最小的微粒引起的浑浊降低到规定的界限以下。无论原水的质量怎样，滤液的浑浊度通常都能降到0.1NTU以下。因此，在原水的浑浊度会突然增大的情况下，使用超滤特别合适。与传统的净化过程相比，超滤可以非常容易地实现自动化。5.2.4降低污染指数污染指数(SDI)是在纳米过滤和反渗透时用到的卷式过滤装置对水的过滤能力的一个衡量尺度。测量这个指数时，要将定量的水在稳定的进水压强下压过要测试的过滤器。污染指数是由于在过滤过程中逐渐形成覆盖层、滤液通量降低而产生的。第8页共15页除了水中的微粒外，还有胶体物质以及真正溶解于水中的有机物质共同形成水的污染指数。微粒和大部分胶体能够通过超滤去除。而对真正能溶解的有机质的截留则与分子量有关。对大多数的水（包括海水），超滤之后污染指数都能降到1以下。如果污染指数是由可溶性物质导致的，那么在极少数情况下污染指数也可能在1以上。测量方法见反渗透培训教材。5.2.5对有机质的截留有机质包括微粒状、胶体和能溶于水的有机物质。由于超滤对不同类型的有机质的截留能力不同，因此净化效率就取决于水中有机质的成份组成。在超滤前加入凝固剂可以部分地清除能溶于水的有机质。与传统的方式相比，用超滤的方法既不必考虑沉淀作用，也不必注意凝固物的可过滤性，因为超滤的净化效率与凝固物的形状和密度无关。根据是否絮凝与原水的水质不同，对有机质的截留在40-60%之间。6膜的相关性能指数和计算公式6.1截留比例截留比例R是留在膜的进水口一边的水中杂质所占的浓度百分比。%100)cc1(RZulaufFiltratR：截留比例（%）CFiltrat：滤液浓度（如mg/l，mol/l）CZulauf：原水浓度（如mg/l，mol/l）由于超滤膜的截留比例非常高，所以病毒和细菌的截留常以“对数级”来表示。比如，99.999%的截留比例就相当于净化能力为对数级5。6.2滤液体积流量滤液体积流量是单位时间内过滤出的水的体积。tVVFiltratFiltratV滤液体积流量（如l/s,m3/h）V：滤液体积（如l,m3）第9页共15页t：时间(如s,h)6.3面积负荷又称为：滤液通量、渗透通量滤液体积流量与过滤所用的膜面积的比，就是滤液通量，也常常称为面积负荷。超滤时常用前期试验确定出滤液通量，一定的水量和一定的膜面积会产生稳定的滤液通量，这是一个非常重要的参数。用它可以计算出要净化预定的水量所需要的膜面积。FVJFiltratFiltratJ：滤液通量（如l/m2/h）V：滤液体积流量（如l/s,m3/h，l/h）F：膜面积（如m2）6.4膜内外压差膜内外压差（ΔP）是膜的进水口也即浓缩液一侧与滤液一侧的压强差。在横流过滤时要特别注意膜上的压降。为简化计算过程，可假设进水与浓缩液之间存在着线性的压降。FiltratKonzentratZulaufpppp2)(∆p：膜内外压差（bar,Pa）pZulauf：进水压强（bar,Pa）pKonzentrat：浓缩液压强（bar,Pa）pFiltrat：滤液压强（bar,Pa）6.5渗透性渗透性又称为：比滤液通量、比渗透通量要判断膜或膜技术的性能、确定过滤定量的水所需要的膜内外压差，就要用到渗透性这个值。用滤液通量除以所需的压差，得到的值就是渗透性。pJAA：渗透性（如l/m2/h/bar，l/m2/h/Mbar）第10页共15页J：滤液通量（如l/m2/h）Δp：膜内外压差（bar,Pa）6.6常温下的渗透性由于渗透性和温度相关，所以要用于比较，需要借助温度校正因数，将它转化成常温（20°C）下的渗透性。)(20,20TTAACKCA20°C：常温（20°C）下的渗透性（如l/m2/h/bar，l/m2/h/Mbar）Tk,20°C：温度校正因数（-）微滤和超滤时渗透性的变化通常是由于水的粘度的变化。因为粘度变化与温度的关系是已知的，所以可以确定出温度校正因数。)()20(20,TCTCKTk,20°C：转化为常温（20°C）下渗透性的温度校正因数（-）Δ：动态粘度（Pas）η=(17.91-0.60T+0.013T2-0.00013T3)10-4(Weast,R.C.al.《化学和物理手册》，