膜分离操作与控制概要

五膜分离及设备操作职业教育环境监测与治理技术专业教学资源库《化工单元操作》课程学习任务任务一、典型的膜分离过程任务二、膜分离设备（膜组件）任务三、膜分离操作与控制能力目标：1.能运用所学知识，对膜分离操作过程中出现的异常现象作出正确解释；2.能完成化工生产中膜分离过程的生产准备和工艺方案确定（工艺文件的准备、膜分离设备的检查、工艺参数和方案确定）；3.能够操作化工生产中典型膜分离设备（设备开停车操作、设备运行操作）；4.能进行化工生产中膜分离设备保养与简单维护；5.能够对化工生产中膜分离设备操作异常及事故进行判断，并做出正确处理。知识目标：1.掌握基本的膜分离原理和方法，能阐述微滤、超滤、纳滤、反渗透等膜分离设备的工作过程、用途、结构和主要技术性能，能针对生产任务进行设备选型；2.膜分离设备的板框式、螺旋卷、管式等组件形式的结构、原理、使用、维护的一般知识，能利用所学知识指导生产过程；3.自主探索膜分离的新方法和有关新技术。学习目标膜分离设备操作任务描述：膜是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。膜分离是一门分离新技术。膜分离技术有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。本项目要求学生能运用所学知识，对膜分离操作的原理、设备结构有一个正确的认知，同时能够熟练操作运行控制膜分离设备、并对设备进行简单的维护。膜分离设备操作任务三：膜分离设备的操作与控制一、膜的使用二、膜的劣化三、膜污染四、膜的清洗五、影响膜过滤的各种因素一、膜的使用（一）膜性能评价1、透过速率（通量）AtVJ物化稳定性（寿命）分离透过特性2、分离效率截留率膜对溶质的截留能力以截留率R（rejection）来表示，其定义为R＝1－Cp／Cb式中Cp和Cb分别表示在某一瞬间，透过液（Permeate）和截留液的浓度。如R＝1，则Cp＝0，表示溶质全部被截留；如R＝0，则Cp＝Cb，表示溶质能自由透过膜。3、截留分子量截断分子量:（molecularweightcut-off，MWCO）相当于一定截留率(通常为90％或95％)的分子量。由截断分子量按可估计孔道大小。MWCO（球状蛋白质）近似孔径（nm)1000210000510000012100000029截断曲线截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。①分子形状：线状分子易透过，线球；②吸附作用：溶质吸附于膜孔壁上，降低膜孔有效直径③浓差极化作用：高分子溶质在膜面沉积，使膜阻力，较小分子溶质的截留率，分离性能。④温度/浓度，TC，使，因为膜吸附作用；⑤错流速度，，因为浓差极化作用；⑥pH、离子强度影响蛋白质分子构型，影响。影响截留率的因素分离因子BABABAxxyya///分离因子越大，膜的选择性越高4、浓差极化膜分离过程中的一种普遍现象，会降低透水率，是一个可逆过程。•浓差极化是指在过滤过程中，由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增加，在浓度梯度作用下，溶质与水以相反方向向本体溶液扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一溶质浓度分布边界层，它对水的透过起着阻碍作用。二、膜的劣化指膜自身发生了不可逆转的变化等内部因素导致膜性能的变化。化学劣化生物劣化物理劣化渗透通量增大，截留率降低渗透通量降低，截留率增大三、膜污染膜使用中最大的问题是膜污染。膜污染是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子与膜存在物理化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。膜污染的表现一是膜通量下降；二是通过膜的压力和膜两侧的压差逐渐增大；三是膜对生物分子的截留性能改变。膜污染与浓差极化在概念上不同，浓差极化加重了污染，但浓差极化是可逆的，即变更操作条件可使之消除，而污染是不可逆的，必须通过清洗的办法，才能消除。膜的污染大体可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染1沉淀污染沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。当过滤液中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。2吸附污染有机物在膜表面的吸附,通常是影响膜性能的主要因素。随时间的延长，污染物在膜孔内的吸附或累积会导致孔径减少和膜阻增大，这是难以恢复的。与膜污染相关的有机物特征包括它们对膜的亲和性，分子量，功能团和构型。一般来讲膜的亲水性越强有机物越不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上的积累，导致严重的吸附污染。膜的污染(fouling)是指微生物在膜内积累，从而影响系统性能的现象。膜组件内部潮湿阴暗，是一个微生物生长的理想环境，微生物粘附和生长形成生物膜。老化生物膜主要分解成蛋白质、核酸、多糖酯等，强烈吸附在膜面上引起膜表面改性。微生物可直接(通过酶作用)或间接(通过局部pH或还原电势作用)降解膜材料，造成膜寿命缩短，膜结构完整性被破坏。细菌对不同聚合物粘附速率大不相同。如聚酰胺膜比醋酸纤维素膜更易受细菌污染。所以，生物亲和性降低和易清洗的聚合物为材质的分离膜，会阻碍生物膜的生长。3生物污染防止膜污染的方法可以通过控制膜污染影响因素，减少膜污染的危害，延长膜的有效操作时间，减少清洗频率，提高生产能力和效率，因此在用微滤，超滤分离，浓缩细胞，菌体或大分子产物时，必须注意以下几点:①进料液的预处理：预过滤、pH及金属离子控制；②选择合适的膜材料,减轻膜的吸附；③改善操作条件：加大流速。四、膜的清洗膜元件的清洗包括水力冲洗与化学清洗两大分支，每一分支又可分为正洗与反洗两种工艺，超滤膜清洗过程中还可采用加压气洗。全量运行方式下超滤系统的频繁正反冲洗是不可或缺的，而复合反渗透膜系统则不允许反冲洗。水力冲洗是停止系统的产水过程，以较低压力与较大流量对膜表面（正洗）及膜孔（反洗）形成高速径流，以消除浓差极化，破坏尚未牢固的各类垢层。膜的三大类污染及浓差极化现象均存在一个累积过程。膜系统在正常运行过程中，定时执行水力冲洗工艺，对于减弱与缓解膜污染起着重要的作用。对预处理工艺相对薄弱的中小型系统，水力冲洗的效果尤为明显。冲洗工艺中，正冲的工艺简单、冲洗效果较差；反冲的工艺复杂、冲洗效果较好。正冲洗时流量是主要参数，而反冲洗时压力是主要参数。水力正冲用水即是系统给水水源，而反冲用水只能是系统产水。错流方式下的冲洗水可以回用，而全量方式下的冲洗水一般排放。冲洗的时间与冲洗效果直接影响着系统的工作效率，而决定冲洗频率的主要是系统给水水质、系统运行方式及系统运行参数等因素。膜的化学清洗当水力冲洗工艺不足以恢复膜系统性能时，采用化学药剂的清洗工艺则成为必要手段。一般而言，清除有机物用碱、清除无机物用酸，而清除微生物用氧化剂，多采取各种药液轮流清洗的方式。化学清洗的径流形式与水力冲洗基本一致，但清洗液流量的作用趋弱，而药剂成分、药液浓度、洗液温度、清洗时间、浸泡时间甚至表面活性剂浓度等因素上升为主导地位。当膜污染严重时，酸、碱及氧化剂的轮流反复清洗也成为有效手段。化学清洗与水力冲洗的根本区别：一是化学药剂的使用；二是清洗对象的明确。在对陌生系统清洗前，一般需要进行给水水质检验，有时需要打开膜容器检查元件表面残留的污染物，必要时甚至解剖部分膜元件以化验膜表层污染物成分。有效的化学清洗问题建立在了解污染物化学成分基础之上。化学清洗也分为在线清洗与离线清洗两种方式。在线清洗的周期短、工艺简单，但往往因设备环境的限制，清洗效果欠佳。将膜元件从膜容器或系统结构中拆出，使用专用清洗设备离线清洗时，清洗周期长，工艺复杂，但常可取得较好的清洗效果。五、影响膜过滤的各种因素①压力②浓度③温度④流速⑤其它因素①压力p1p2P０在错流操作中，两种压力差。一种为通道两端压力差P=P1-P2另一种为膜两侧平均压力差P0)(22)()(210201以表压表示PPPPPPPt在OR中，当压力差增大时，通量和截留率都增加。在MF和NF中，通量和压力的关系分为三个区域：a.没有形成浓差极化层，Jv和Δp成正比。b.形成浓差极化层，Jv和Δp增加的速度减慢c.形成凝胶层，Jv不随Δp变化。当以微滤过滤菌体时，通量与浓度的关系不同于超滤。在谷氨酸发酵液的微滤中，l开始通量下降很快，可能是由于膜面的污染；l然后通量变化较小，可能由于管状收缩效应引起通量的增加和浓度增大引起的降低互相对消；l最后通量急剧降低在谷氨酸发酵液中的微滤中黏度②浓度菌体浓度通量虽然增大流速有明显的优点，但需考虑：只有当通量为浓差极化控制时，增大流速才会使通量增加，增大流速会使膜两侧压力差减小，因为流经通道的压力降增大增大流速，使剪切力增加，对某些蛋白质不利；动力消耗增加。④流速④温度在超滤或微滤中，一般说来，温度升高都会导致通量增大，因为温度升高使粘度降低和扩散系数增大。所以操作温度的选择原则是：在不影响料液和膜的稳定性范围内，尽量选择较高的温度。由于水的粘度每升高1℃约降低2.5％，所以，一般可认为，每升高1℃，通量约增加3％。⑤其它因素在反渗透中特别要注意不要使溶解度小的溶质析出和不要含胶体粒子，以免膜堵塞。在超滤中，通常当pH在蛋白质的等电点时，通量最低。当有盐类存在时，一般使通量降低。当料液中含＜0.1μm的微细粒子时，会使通量降低，最好用预过滤除去。如果含＞1μm的坚硬粒子，通常会使通量增大。pH有时也会对截留率有影响。例如在极端pH下超滤蛋白质时，常使截留率增大，这是由于吸附在膜上蛋白质和溶液中蛋白质带相同电荷而互相排斥的缘故。中空纤维超滤膜安装使用中空纤维超滤膜分离技术是一种广泛应用于溶液和气体物质分离、浓缩和提纯的分离技术。它利用具有选择透过能力的薄膜做分离介质，膜壁密布微孔，原液在一定压力下通过膜的一侧，溶剂及小分子溶质透过膜壁为滤出液，而较大分子的溶质被膜截留，从而达到物质分离及浓缩的目的。中空纤维膜是分离膜的一种重要形式。在单位体积膜组件中，中空纤维膜的有效膜面积最大，过滤分离效率高，容易清洗，结构简单，操作方便，膜不易被堵塞，可连续长期使用。过滤过程可在常温、低压下运行，无相态变化，高效节能。膜组件的安装1装置运到现场后，应置于室内通风干燥处，不得阳光直射，冬季应有保温装置，保证室温≥5℃；夏季室温不得高于40℃。装置安装地点也应符合上述要求。2到达后，应在一个月内安装完毕，并应立即试运转。3装置在试运转前处于封存状态，不得任意拆卸管件和开启阀门，以免流失保护液，致使膜组件损坏。4装置安装点附近应有排水沟，便于清洗液排放。5装置就位后，应调整装置支撑点，使组件基本处于平行位置，且与基础接触可靠。超滤装置调试1.对装置的进水进行分析、测试，结果表明符合进水要求，方可进行装置通水调试。2.检查装置所有管道之间连接是否完善，有否短缺。压力表是否齐全；管道连接是否紧密，有否短缺。3.开机前低压冲洗①检查超滤进水电动阀、产水电动阀、浓水排放电动阀是否处于全开状态；反洗电动阀有否处于全闭状态；②全开装置产水放尽阀、浓水放尽阀，排尽装置中的保护液；③缓缓开启进水阀，低压冲洗一段时间。（处于自动状态时，低压排放10秒后增压泵启动运行。）④启动增压泵供水，冲洗整个系统5～10分钟。待出水无甲醛（或其他保护液）气味，低压冲洗结束；⑤每次超滤系统开机前，必须进行低压冲洗；4超滤装置的调试均是手动单步操作，运行正常后，方可切换到自动状态，由在线仪表及PLC自动控制运行。开机运行1.关闭浓水放尽阀，调节两个超滤浓水阀、控制浓水排放量和浓水循环量。2.当排放的产水水质合格后，关闭产水放尽阀，调节超滤产水阀，控制