超濾培訓(xùn)教材

1、超濾培訓(xùn)教材1. 簡介1.1膜分離過程分類介紹濾膜法液體分離技術(shù)從分離精度上劃分，一般可分為四類：微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO），它們的過濾精度按照以上順序越來越高。微濾 能截留0.1-1微米之間的顆粒。微濾膜允許大分子和溶解性固體（無機鹽）等通過，但會截留住懸浮物、細(xì)菌及大分子膠體等物質(zhì)。微濾膜的運行壓力一般為0.7-7bar。超濾 能截留納米級（0.001微米）的物質(zhì)。納濾膜的操作區(qū)間介于超濾和反滲透之間，其截留有機物的分子量約為200-800MW左右，截留溶解鹽類的能力為20%98%之間，對可溶性單價離子的去除低于高價離子，納濾一般用于去除地表水中的有機物和色素

2、、地下水中的硬度及鐳，且部分去除溶解鹽，在食品和醫(yī)藥生產(chǎn)中有用物質(zhì)的提取、濃縮。納濾膜的運行壓力一般3.5-30bar。反滲透 是最精細(xì)的一種膜分離產(chǎn)品，其能有效截留所有溶解鹽份及分子量大于100的有機物，痛死允許水分子通過。反滲透膜廣泛應(yīng)用于海水及苦咸水淡化、鍋爐補給水、工業(yè)純水及電子高純水制備、飲用純凈水生產(chǎn)、廢水處理和特種分離等過程。反滲透膜的運行壓力一般介于苦咸水的12bar到海水的70bar。1.2超濾膜的種類及應(yīng)用特點超濾膜按結(jié)構(gòu)來分主要有四種：板式膜、卷式膜、管式膜、中空纖維膜。板式膜：它是最早出現(xiàn)的膜，但因為難以保證膜表面適當(dāng)?shù)牧魉偌皬?fù)雜的密封問題，這類膜的應(yīng)用非常有限。前處理

3、要求不嚴(yán)格；卷式膜：以板式膜為起點發(fā)展起來的，因為卷式膜的格網(wǎng)帶來死點及無法反洗，通常不適用于工業(yè)原水處理。它們適用于高溫、高壓物料分離等，前處理要求也不嚴(yán)格；管式膜：因為它的能耗較大，從經(jīng)濟上來說不適用于普通水處理，一般適用于高固體含量或高含油濃度的流體，在四種膜中，它的前處理要求最不嚴(yán)格。中空纖維膜：因為他壓力低，通道無私點，通量高，能進行反洗，所以除特殊水體（如高含油、高固體含量等）外，都是很好的選擇，對四種膜而言，在水處理中應(yīng)用最為廣泛。注：因為中空纖維膜應(yīng)用最廣泛，后面資料中church共同點外，其他均以中空纖維膜為例進行說明。1.3應(yīng)用范圍超濾在水處理領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，按應(yīng)用場合劃

4、分，主要可以用于：1.3.1原水前處理（地表水、地下水、自來水）澄清池、砂濾替代澄清池或砂濾器，用于去除原水中的固體和膠體以改善后續(xù)工段設(shè)備的運行，如改善離子交換器的反洗頻率和反滲透膜元件的更換頻率，但其需要較頻繁的清洗/沖洗。魔仙一般為10萬分子切割量。1.3.2純化處理去顆粒（如18W水）、去微生物及熱原體、RO或離子交換后處理應(yīng)用在反滲透、離子交換設(shè)備后，超濾用于去除水體中的膠體和固體物，水透過率較高，清洗頻率較低，其不需要較頻繁的清洗、沖洗，只有當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到操作不便或有細(xì)菌產(chǎn)生時才清洗。在醫(yī)藥及電子行業(yè)，超濾放在使用點用以去除微生物及熱原體。膜型一般為1-10萬分子切割量。1.3.

5、3水循環(huán)和回用生化處理后、澄清后（二級和三級）2.超濾術(shù)語3超濾基本原理3.1概述超濾是一種流體切向流動和壓力驅(qū)動的過濾過程，并按分子量大小來分離水中顆粒。超濾膜的孔徑大約在0.002-0.1微米范圍內(nèi)（MWCO約為10000-500000）。濃縮物質(zhì)和比膜孔徑小的位置能作為透過液透過濾膜，不能透過濾膜的物質(zhì)將被截留下來濃縮于排放液中。因此產(chǎn)水（透過液）將含有水、離子和小分子物質(zhì)，而膠體物質(zhì)、顆粒、細(xì)菌、病毒和原生動物將被膜去除。中空纖維超濾膜是一種很薄的聚合材料，由聚砜PS，聚醚砜PES，PVDF或聚丙烯腈（PAN）制成并帶有非對稱的微孔結(jié)構(gòu)。不對稱超濾膜擁有一層極光滑極?。?.1微米）的孔

6、徑在0.002到0.1微米間的內(nèi)表面，此內(nèi)表面由孔徑大到15微米的非對稱結(jié)構(gòu)海綿體支撐結(jié)構(gòu)支撐。這種小孔徑光滑膜表面合較大孔徑支撐材料的結(jié)合使得過濾微小顆粒的流動阻力很小并不易堵塞。3.2基本原理超濾是一個錯流合切向流的過程，要過濾的液體沿膜表面流動。這樣在中空纖維的內(nèi)壁上形成流體剪切的條件，而使得污染物較難在膜表面形成。要過濾的水經(jīng)由超濾給水泵加壓后輸入膜組件中。由于膜內(nèi)外的壓差，一部分水滲過濾膜，而水中的雜質(zhì)則截留在剩余部分水中被過濾除去。如果欲分離的雜質(zhì)在膜上過多沉積，根據(jù)膜的類型不同，會導(dǎo)致難溶性鹽沉積或形成部覆蓋層。所以要避免這一點，一部分水會成為濃縮液流出去掉，根據(jù)膜的類型和應(yīng)用不

7、同，這樣的過程要持續(xù)進行或者在回流時進行。下圖是超濾膜的基本原理圖。3.3超濾的特點與傳統(tǒng)的凈化方式相比，超濾具有許多優(yōu)點： 能完全去除微生物和微粒對水中污染物去除率組分PM10PM100膠體硅99.8%99.0%膠體鐵99.8%99.0%膠體鋁99.8%99.0%懸浮物5LRV99.0%濁度<0.3NTU（通常小于0.1NTU）SDI<1.0SDIGiardia6LRV5LRV原生動物6LRV5LRV菌類6LRV5LRV病毒5LRV4LRV內(nèi)病毒4LRV2LRVTOCAgv.70%Agv.70% 過濾效果不受原水水質(zhì)的影響 能夠去除耐氯的病菌 超濾的濃縮溶液中只含有原水水中含有的

8、那些物質(zhì) 比起其它的傳統(tǒng)方式，超濾中沉淀物的量明顯較少 支架的緊湊結(jié)構(gòu)提高了空間利用率，節(jié)省費用，也可在現(xiàn)有的廠房中，可以高度靈活的增加裝置配備。 超濾可以實現(xiàn)全自動化工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)。 由于超濾幾乎能完全濾去形成覆蓋層的物質(zhì)，所以可以在后續(xù)的膜凈化步驟中增加面積負(fù)荷，因而減小后續(xù)凈化裝置的規(guī)模。4流程模式原水進入中空纖維內(nèi)腔，由內(nèi)向外通過纖維過濾。通常原水由膜件的一端進入，在30-40psi的壓力驅(qū)動下流經(jīng)整個長度的纖維。較高固含量的濃縮液自膜件的另一端排出。透過液經(jīng)纖維膜壁的過濾流入膜件中心的透過液集水管中。透過液經(jīng)集水管自每支膜件的中心流出。超濾根據(jù)原水水質(zhì)的不同一般有兩種運行流程模式：死端

9、過濾模式和循環(huán)過濾模式。4.1死端過濾模式一般當(dāng)原水中懸浮物和膠體含量較低時（如SS<5，濁度<5NTU）時采用。如下圖2：死端過濾示意圖面圖2所示，原水以較低的錯流流速進入膜管，濃縮水以一定比例從膜管另一頭排出。產(chǎn)水在膜管過濾液側(cè)產(chǎn)出，水回收率通常是90%-99%，由原水水質(zhì)決定。和循環(huán)模式相比，死端過濾的操作成本低，但回收率和系統(tǒng)的出水能力可能會受限制。這種模式通常需要定期快沖和反沖來維持系統(tǒng)出力，當(dāng)污物積累到一定程度，就需要化學(xué)清洗來進行處理。4.2循環(huán)過濾模式當(dāng)原水中懸浮物含量較高及在大多數(shù)非水用領(lǐng)域，就需要通過減少回收率來保持加膜管內(nèi)部的高流速。這樣就會造成大量的廢水。如

10、圖3所示，為了避免浪費，排出的濃水就會被重新加壓回流到膜管內(nèi)。這樣，雖然降低膜管的回收率，但對于整個系統(tǒng)，回收率仍然可以很高。在這種模式，進水連續(xù)的在膜表面循環(huán)。循環(huán)水的告訴阻止了微粒在膜面積的堆積，并增加了通量。因為較少的進水成為產(chǎn)水，為了獲得相同的產(chǎn)率，能耗就比死端過濾模式大。5超濾膜的性能5.1膜元件的操作范圍最高壓力（水）：45psi（3.1bar）最高壓力（氣）：15psi（1.0bar）最高進水溫度：104（40）最低進水溫度：30（0）最大透膜壓差：35psi（2.4bar）最大反洗透膜壓差：20psi（104bar）最大平均壓力變化：6psi/sec（0.4bar/秒），10秒

11、鐘閥門開啟時間最大總氯耐受能力77（25）或更低：200ppm 8.5PH或更高PH最大總氯接觸量：200,000ppm小時（累計） 8.5PH或更高PH最大有機溶劑接觸：避免暴露與日光直射下5.2組件的截留性能5.2.1對MS2噬菌體的截留對病毒MS2噬菌體的截留比較難以確定。如果要在濃度很小的時候檢測這種生物體，就需要特殊的微生物檢測技術(shù)。另一方面，要在足夠長的時間中使較高濃度的噬菌體混合流入原水中，也很難。由于膜的凈化效率很高，所以要能測量出噬菌體的截留來，原水中它的濃度至少要達到每毫升10萬個。在此濃度下，濾液中找不到噬菌體。因此，對噬菌體的截留在99.999%或者說對數(shù)級5以上。5.

12、2.2對隱孢子體（Kryptosporidien）的截留精確額檢測表明超濾膜對隱孢子體（大小為4-6m）的截留超過對數(shù)級6。5.2.3對微粒的截留利用超濾，能把最小的微粒引起的渾濁降低到規(guī)定的界限以下。無論原水的質(zhì)量怎樣，濾液的渾濁度通常都能降到0.1NTU以下。因此，在原水的渾濁度會突然增大的情況下，使用超濾特別合適。與傳統(tǒng)的凈化過程相比，超濾可以非常容易地實現(xiàn)自動化。5.2.4降低污染指數(shù)污染指數(shù)（SDI）是在納米過濾和反滲透時用到的卷式過濾裝置對水的過濾能力的一個衡量尺度。測量這個指數(shù)時，要將定量的水在穩(wěn)定的進水壓強下壓過要測試的過濾器。污染指數(shù)是由于在過濾過程中逐漸形成覆蓋層、濾液通量

13、降低而產(chǎn)生的。微粒和大部分膠體能夠通過超濾去除。而對真正能夠溶解的有機質(zhì)的截留則與分子量有關(guān)。對大多數(shù)的水（包括海水），超濾之后污染指數(shù)都能降到1以下。如果污染指數(shù)是由可溶性物質(zhì)導(dǎo)致的，那么在極少數(shù)情況下污染指數(shù)也可能在1以上。5.2.5對有機質(zhì)的截留有機質(zhì)包括微粒狀、膠體和能溶于水的有機物。由于超濾對于不同類型的有機質(zhì)的截留能力不同。因此凈化效率就取決于水中的有機質(zhì)的成分組成。在超濾前加入凝固劑可以部分地清除能溶于水的有機質(zhì)。與傳統(tǒng)的方式相比，用超濾的方法既不必考慮沉淀作用，也不必注意凝固物的可過濾性，因為超濾的凈化效率與凝固物形狀和密度無關(guān)。根據(jù)是否絮凝與原水的水質(zhì)不同，對有機質(zhì)的截留在4

14、0-60%之間。6膜的相關(guān)性能指數(shù)和計算公式6.1截留比例截留比例R是留在膜的進水口一邊的水中雜志所占的濃度百分比。R=1-CFiltratCZulauf100%R：截留比例（%）CFiltrat：濾液濃度（如mg/l,mol/l）CZulauf：原水濃度（如mg/l,mol/l）由于超濾膜的截留比例非常高，所以病毒和細(xì)菌的截留常以“對數(shù)級”來表示。比如，99.999%的截留比例就相當(dāng)于凈化能力為對數(shù)級5。6.2濾液體積流量濾液體積流量是單位時間內(nèi)過濾出的水的體積。VFiltrat,=VFiltrattVFiltrat,：濾液體積流量VFiltrat,：濾液體積（如l，m³）t：時間

15、（如s，h）6.3面積負(fù)荷又稱為：濾液通量、滲透通量濾液體積流量與過濾所用的膜面積的比，就是濾液通量，也常常稱為面積負(fù)荷。超濾時常用前期試驗確定出濾液通量，一定的水量和一定的膜面積會產(chǎn)生穩(wěn)定的濾液通量，這是一個非常重要的參數(shù)。用它可以計算出要凈化預(yù)定的水量所需要的膜面積。JFiltrat=VFiltrat,FJFiltrat：濾液通量（如l/h）VFiltrat,：濾液體積通量（如l/s，m³/h，l/h）F：膜面積（如）6.4膜內(nèi)外壓差膜內(nèi)外壓差（P）是膜的進水口也即濃縮液一次與濾液一側(cè)的壓強差。在橫流過濾時要特別注意膜上的壓降。為簡化計算過程，可假設(shè)進水與濃縮水之間存在著線性的壓

16、降。P=PZulauf+PKonzentrat2-PFiltratP：膜內(nèi)外壓差（bar,Pa）PZulauf：進水壓強（bar,Pa）PKonzentrat：濃縮液壓強（bar,Pa）PFiltrat：濾液壓強（bar,Pa）6.5滲透性滲透性又稱為：比濾液通量、比滲透量要判斷膜或膜技術(shù)的性能、確定過濾定量的水所需要的膜內(nèi)外壓差，就要用到滲透性這個值。用濾液通量除以所需的壓差，得到的值就是滲透性。A=JPA：滲透性（如l/h/bar, l/h/Mbar）J：濾液通量（如l/h）P：膜內(nèi)外壓差（bar，Pa）6.6常溫下的滲透性由于滲透性和溫度相關(guān)，所以要用于比較，需要借助溫度校正因數(shù)，將它轉(zhuǎn)

17、化成常溫（20）下的滲透性。A20=ATK,20(T)A20：常溫（20）下的滲透性（如l/h/bar, l/h/Mbar）TK,20(T)：溫度校正因數(shù)（-）微濾和超濾時滲透性的變化通常是由于水的粘度的變化。因為黏度變化與溫度的關(guān)系是已知的，所以可以確定出溫度校正因數(shù)。TK,20=（20）(T)TK,20：轉(zhuǎn)化為常溫（20）下滲透性的溫度校正因數(shù)（-）：動態(tài)黏度（Pa·s）=(17.91-0.60·T2+0.013·T3) ·10-4（Weast，R.C.al化學(xué)和物理手冊，CRC Press，Boca Raton（USA），1990）實際測量黏度相對

18、于溫度的變化時的到的數(shù)值與用粘度變化計算出來的數(shù)值大多會有一點差異。這個差異是由于膜結(jié)構(gòu)也同時隨溫度變化發(fā)生變化。對于滴澤膜組件來說，可以使下面的近似公式。TK,20=e0.019·（T-20）（T為攝氏溫度）溫度因數(shù)在下圖中用圖示表示了出來。6.6出水率出水率是過濾出的濾液與原水的體積比。在計算濾液和原水的體積時必須考慮反向沖洗個快速沖洗時所消耗的水。=VFiltraVZulauf100%=VF,tF-VR,tFVF,tF+VFF,tFF100%如果膜凈化裝置不用正向沖洗，則公式可簡化為：=1-VR,tRVF,tF100%：出水率（%）VF,：濾液體積流量（如m³/h）VR,：反向沖洗用水體積流量（如m³/h）VFF,：正向沖洗用水體積流量（如m³/h）tF：過濾時間（如h）tR：反向沖洗時間（如h）tF：正向沖洗時間（如h）7超濾系統(tǒng)的清洗7.1超濾系統(tǒng)反洗在淡化過程中使用的膜，由于其結(jié)構(gòu)（平板膜等）的限制，通常不能反向沖洗。因為反洗會造成膜脫層或膜分離。因此，在這樣的系統(tǒng)中，要不斷地將濃縮液抽走。而中空纖維膜則能反洗，在此程序中加壓的透過液從產(chǎn)水出口進入膜元件。中空纖維膜上下兩端各有一個原水出口，反洗時可上下原水出口交錯排液。超濾反洗用水為