超滤膜组件讲座

超滤(UF)工艺技术讲座目录超滤发展状况超滤工作原理超滤膜与组件工艺设计与计算超滤工艺流程超滤膜污染与再生超滤技术应用我们的服务超滤发展状况1861年，Schmidt首次公开牛心胞膜截留阿拉伯胶实验结果。1867年，Traube第一次制取人工超滤膜。（瓷板铁青化铜）1907年，Bchhold定义“超滤”。1960年，Loeb与Sourirajan共同研制出CA超滤膜。1963年，Michaels创办Amicon公司专门从事超滤膜生产与销售。1965年以后已商业化、工业化70年代，首次研制出管式超滤膜与组件。80年代先后研制出中空纤维、板式、卷式超滤膜与组件。90年代已进入商业化与工业化的生产。超滤工作原理定义超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜透过法分离技术。1、通量J=P（P1-P2）/LP为渗透系数；P1为液体静压差；P2为料液相与渗透相之间的渗透压差；L为膜厚度。2、截留率R=1-C1/C2C1为渗透液的浓度；C2截留物侧的值。3、切割分子量（MWCO）膜具有90%以上截留率的最小分子量物质。N=30/ln（2+1）4、浓度极化5、膜污染超滤膜性能1、孔隙率；2、结构形态；3、表面性能；4、机械强度；5、耐化学性操作参数---流速----压力与压力差----回收比与浓缩排放量---工作温度超滤工作原理示意在动力的驱使下，利用膜本身的筛分作用使物料得到净化、浓缩。超滤膜与组件1、材质：CA，PS，PSA，PP，PVDF，PE，PAN,PVC等2、结构：管式，中空纤维、平板式、卷式3、化学成分：有机，无机4、供应商：AMICON；ZENON；KOCH；MILLIPORE；FILTIRON；NITTO；OSMONICS；DESALL；MEMBRANA；DAICELPARKRICH供应商英国INGU公司,全球最大超滤膜生产商日本Daicel公司,日本最大饮用水处理膜供应商加拿大ZENONE公司NITTO公司Hydranautics法国AQUCELL公司美国KOCH公司十几年超滤膜应用和开发的经验UF膜产品的概况膜材料种类：SPES，CTA，PES，PAN,PVC膜组件规格：12˝组件（50或65m2）10˝组件（45m2）5˝组件（10-12m2）3˝组件（4m2）膜产地：英国INGU日本Daicel加拿大ZENONE公司、NITTO公司Hydranautics、法国AQUCELL超滤膜污染与再生物理法高纯水、热水等反冲洗、正洗超声清洗气、水混合冲洗化学清洗法（循环、浸泡）酸洗碱洗消毒剂加酶洗微孔膜与超滤膜的区别微孔膜超滤膜孔径范围0.1~1.0μm0.001~0.1μm表征方式孔径切割分子量反洗方式气、水水膜材料通常为憎水材料通常分为亲水和憎水材料使用范围只要不易形成孔污染，均可使用膜表面可截留的范围超滤的截留范围截留率=0%水盐可溶性固体截留率=部分BODCOD小分子原料液渗透液非对称膜悬浮固体胶体大分子物质截留率=100%原料流量压力超滤膜污染的成因表面吸附颗粒的堵塞——由于传质过程而形成的表面的附着——活性物质嵌入膜并生长聚集过程透量堵塞附着吸附操作时间优质超滤膜的表征孔分布窄（如图中红线）没有大孔缺陷（如图中阴影部分）A：为质量好的超滤膜B：为质量差的超滤膜实际应用中的具体表现A膜形成表面污染，透量易恢复，B膜易形成孔污染，透量不易恢复A膜透量衰减的慢，B膜衰减的快孔分布AB50,000150,0000.2μm孔径返回亲水性/非亲水性膜的比较非亲水性膜胶体油蛋白胶体油蛋白杂质在膜表面状态:附着胶体油蛋白过滤反洗亲水性膜胶体油蛋白胶体油蛋白杂质在膜表面状态:聚结成球状反洗胶体油蛋白过滤常见膜材料的性能比较膜IPVCCTACAPES*PAN*膜材料改性聚氯乙烯醋酸纤维素聚醚砜聚丙烯腈切割分子量(kD)8015015030100内外径(mm)0.7/1.00.8/1.30.8/1.30.8/1.3接触角(deg)45~5050~5565~7052~58水膨胀率(%)7~84.7~6.50.4~0.62.5~3.6牛血清蛋白吸附量(mg/m2)0.40.53.51.3带电性能(mV,PH7)-40-30-4.2-7.5PES*为没有改性的PAN*为改性后的国内外产品性能比较亲水性非亲水性永久亲水性非永久亲水性1膜材料改性聚氯乙烯(IPVC)三醋酸纤维(CTA)聚醚砜(PES)PS、PAN、PP、PE2亲水性来源SO42-带负电荷天然亲水添加亲水材料非亲水性3主要供应商法国AQUCELL英国INGU日本DaicelOKM法国AQUCELL英国INGU荷兰X-Flow(Norit公司)海德能国外：美国高科，U.S.Filter国内：浙大，天纺、海洋所4操作压力0.02~0.06MPa0.1~0.2MPa5化学清洗频率低,2~3月/次频率高典型亲水膜的操作特点0.02MPa0.12MPa1年2年3年操作压力(TMP)透量(FLUX)寿命设计透量0.02MPa12030透量单位:L/m2·hr·25℃亲水性膜与非亲水性膜的反洗及化学清洗的比较操作时间膜透量化学清洗化学清洗化学清洗化学清洗化学清洗化学清洗反洗后的透量接近100%恢复亲水膜非亲水膜反洗后的透量80~90%恢复返回临界压力或临界流量的选择纯水切向流速高切向流速低死过滤△P△P3△P2△P1J3J2J1低于临界压力或临界流量，可逆再生，采用反洗获得稳定流量；高于临界压力或临界流量，不可逆再生，采用化学清洗J压力压力浓缩液错流过滤死过滤错流过滤与死过滤进料液透过液透过液进料液错流过滤与死过滤的能耗比较备注：1、过滤介质为20℃水2、膜为内径0.7mm的中空纤维3、回流比R=回流量/产水量透膜压差，KPaUF膜的特点强的亲水性能—低污染、易恢复、能长期维持稳定的透量，特别是在原水水质较差的情况下较窄的孔分布—良好的截留性能和稳定的出水水质较长的使用寿命—实际运行中最长寿命可达6年膜组件的装填面积大独特的“七芯”设计，装填面积可达50~65平方米化学清洗的频率低强的亲水性，凭简单的反冲洗便可恢复透量，大大降低了化学清洗的频率良好的化学稳定性允许广泛的化学清洗IPVC膜横截面电镜照片CTA膜横截面电镜照片CTA膜电镜照片UF膜的主要性能指标膜型号HF-IPVCHF-CTAHF-PANHF-PES膜材料磺化聚醚砜(IPVC)三醋酸纤维素(CTA)聚丙烯腈(PAN)聚醚砜(PES)亲水性永久亲水天然亲水憎水憎水切割分子量(Dalton)80K150K30K/150K6/10/30/500K纤维内外径0.7/1.0mm0.8/1.3mm1.0/1.4mm0.8/1.3mm主要用途大规模水处理特殊分离反渗透预处理油水分离废水处理反渗透预处理饮用水处理中水回收酶制剂浓缩除热原发酵液的澄清果汁/果酒的澄清产地德国Membrana英国INGU法国AQUCELL日本Daicel英国INGU日本Daicel日本Daicel特殊超滤膜的性能膜型号HF/PANHF/PES膜材料聚丙烯腈聚醚砜切割分子量(KD)30150630150纯水透量(L/m2·hr·0.1MPa·25℃)3006001000520800纤维内外径(mm)1.0/1.51.4/2.00.5/1.00.8/1.30.8/1.3最高操作温度45℃98℃膜组件的面积(5〞组件)主要应用领域酶制剂浓缩蛋白浓缩除热原发酵液澄清果汁/果酒澄清超滤膜组件(12)超滤膜组件UF膜组件的性能指标用途大规模水处理一般用途组件规格12〞3〞5〞尺寸Φ310×1180Φ76×1100Φ100×1100膜面积(m2)65或504或8或10外壳材料环氧玻璃钢ABS/PS粘接材料环氧树脂环氧树脂端头材料不锈钢/FRPABS进口尺寸(mm)DN65DN20DN32出口尺寸(mm)DN65DN20DN25UF的质量保证体系稳定的膜材料及膜性能—从膜材料制备到中空纤维的生产提供全程质量保证体系每根膜组件都提供完整性检测中空膜组件的完整性检测观察气泡密封密封干净空气或氮气0.1MPa原料侧检测方式渗透侧检测方式观察气泡密封密封干净空气或氮气0.1MPa油田回注水装置除热源装置40吨/小时反渗透预处理工艺设计与计算1、超滤膜与组件的选用水与小分子物质透过速度快膜的机械强度好，经久耐用膜的截留性能抗溶性与抗腐蚀截留溶质的吸附性小膜组件的选用：板式：初级浓缩；管式：较高浓缩、废水处理；卷式：水质净化；中空纤维：水质净化、预处理。2、工艺设计参数：---初始通量Q1----稳定通量Qs----稳定系数：Sm=Qs/Q1（0.6-0.8）----组装系数Cm=Qr/Qm（Qr为单件实际透水量，Qm为系统透水量（0.9-0.96）3、主要影响因素温度、压力、料液浓度、流速、膜材质等温度、压力与通量的关系温度与通量关系UF膜组件的工程设计参数系统的设计步骤典型的工艺流程图设计的主要内容系统的控制设计的主要参数流程图第一步第二步第三步确定最佳透量确定反洗频率操作压力选择合理的化学清洗确定控制系统设计清洗系统操作方式计算投资量和运行成本原水来源(自来水/地表水/地下水/废水)操作方式(错流/死过滤)过滤通量操作压力UF系统的设计小试中试实际设计内循环式超滤工艺流程运行化学反冲洗（水洗、气洗）待机保护化学清洗典型工艺流程图成品水箱NaClO加药泵反洗泵原水泵原水供水箱循环水反洗排污水恒流控制反洗排污水超滤进水要求水中不溶解固含量5wt%颗粒粒径140µm死过滤要求浊度15NTU超滤膜的操作方式原料进口原料出口渗透液渗透液020压力变化原料液30正常操作反洗正洗原料进口原料出口渗透液020渗透液渗透液压力变化原料液反洗出口10压力变化反洗出口反洗进口反洗进口0渗透液原料液膜及膜组件的选择操作方式的确定操作压力的选择设计透量的选择膜面积的选择反洗频率/强度的选择化学清洗的确定操作程序的确定超滤系统的设计原料泵：变频控制，实现恒流供水压力：进水压力/浓水压力的控制流量：浓水流量/产水流量的控制温度：进水温度的控制流道控制：气动隔膜阀水质控制：进水/产水的浊度控制超滤系统的控制UF膜的主要设计参数(一)膜组件型号HF-SPES-5/10/65HF-CTA-5/10/50膜材料SPESCTA膜组件面积5m2、10m2、65m25m2、10m2、65m2操作方式死过滤/错流操作/自动反洗/恒流控制使用条件设计压力(TMP,MPa)0.02~0.06最大进口压力(Mpa)0.4最高使用温度(℃)98℃45℃PH范围2~123~8设计透量60~100L/m2·hr·0.05MPa·25℃UF膜的主要设计参数(二)膜组件型号HF-SPES-5/10/65HF-CTA-5/10/50反洗条件反洗压力(Mpa)0.1~0.15最大不超过0.2反洗流量反洗流量是渗透流量的4倍反洗频率1次/30~60min反洗时间30~90s/次化学清洗条件清洗频率2~3月/次4~6月/次清洗剂的组成酸洗为柠檬酸(1%)碱洗为NaOHPH12杀菌为NaClO(200ppm)酸洗为柠檬酸(1%)表面活性剂清洗杀菌为NaClO(200ppm)典型工艺流程图内循环式超滤运行工艺流程内循环式超滤反洗工艺内循环超滤待机消毒工艺内循环超滤化学清洗工艺UF膜的主要应用UF膜用于反渗透预处理•主要性能指标•UF预处理与传统预处理的比较•成本分析UF膜用于油水分离•油田回注水处理•凝结水处理中水回用废水处理饮用水处理反渗透预处理膜种类HF-SPES和HF-CTA出水水质SDI＜1~2出水浊度≤0.1NTU对胶体去除率≥99%对悬浮固体去除率≥99%对TOC去除率≥30%操作压力0.03~0.06MPa设计透量60~80L/m2·hr·0.05MPa·25℃UF预处理与传统预处理方法比较(一)UF预处理传统预处理进水水质要求(浊度)3500NTU以下200NTU出水水质浊度（NTU）≤0.1≤3~5SDI(15mins)≤1