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一探膜分离技术,从“基础夯实”到“高手对答

发表时间:2019-05-04 15:39

      膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时,实现选择性分离的技术,半透膜又称分离膜或滤膜;如今膜分离技术的应用日益广泛,前景广阔,为当今分离科学中最重要的手段之一。
本文分为两大部分,第一部分是膜分离技术的基础的梳理,第二部分是对膜分离的问题的深入探究。
本文整理自水世界论坛膜技术专区“膜分离”讨论帖,作者hong6601,关于膜的问题,大家可以登陆水世界论坛积极提问,在讨论中收获启发。点击阅读原文访问论坛。
一、基础夯实
       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。它与传统过滤的不同在于,膜可以在分子范围内进行分离,并且这过程是一种物理过程,不需发生相的变化和添加助剂。
膜的孔径一般为微米级,依据其孔径的不同(或称为截留分子量),可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。根据材料的不同,可分为无机膜和有机膜,无机膜主要是陶瓷膜和金属膜,其过滤精度较低,选择性较小。有机膜是由高分子材料做成的,如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。
膜分离图谱
膜法液体分离技术一般在精度上可以分为四类:微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。可参考下面的分离图谱。


膜结构的分类
膜根据结构主要分为四大类:管式、中空纤维、卷式和平板式。

(流道变化示意图)
一探膜分离技术,从“基础夯实”到“高手对答”


(不同种膜构成形式的优缺点)
错流过滤与全流过滤
全流过滤:原液中的水分子全部渗透过超滤膜,没有浓缩液流出,当原液中被分离物质浓度很低时,为了降低能耗,通常采用死端过滤,或全量过滤。
错流过滤:在过滤时有一部分的浓缩液体从超滤膜的另一端排掉,当原液中能被膜截留的物质浓度很高时,膜的过滤阻力增长很快,此时多采用错流过滤。

内压式与外压式
       外压式超滤膜元件的进水是在中空膜丝的外相走,也就是说压力在膜的外侧,过滤液在压力的作用下从中空超滤膜丝的中间渗透出来 ;内压式的进水是从中空膜的内相走,也是在压力的作用下透过液渗出中空膜丝的外侧来。在选用外压式、还是选用内式?一要看膜的种类。二要看被处理的对象。
针对原水水质较好的情况下,内压膜的优势就来了,一方面,材料成本低一些,相对外压膜 二方面,运行通量可以很大 综合以上总成本都会比外压式更有优势

(内压式与外压式示意图)
膜的构造示意图


(超滤膜构造示意图)
二、重要参数
进水水质是关键
       今年以来,很多的耗材更换项目,更换反渗透膜的尤为多,由于系统不是我们做的,只要你换膜,其实不是那么简单的事情,虽只是更换反渗透膜,现场的预处理工艺与你是息息相关的,像这样的项目,希望大家务必要提高警惕,要尽可能将现场的各种运行参数了解清楚,这样才好评估反渗透膜更换后的效果,否则,膜安装了达不到效果,极难验收。水质是源头,源头抓不准,早晚会出问题。
不同水质,通量等参数千差万别
        针对不同的进水水质,我们设计反渗透时要选择的通量等参数可能千差万别 大家务必要注意。随便举两个例子,表1是是针对原水是自来水的水质要求,COD仅小于1.5。现在对于反渗透进水的COD要求已经没有特定的数据要求了,我们目前正在运行的一套中水回用系统,反渗透进水COD有80多。


设计通量与宽流道
       设计通量是指:在标准温度及标准液下膜的最大平均通水量。这个参数是超滤、RO及MBR共有的。设计通量的确定对于最终的设计尤为重要。不同种膜,参数差别很大,像设计通量 ,一般超滤的设计通量都在50以上 而大部分的MBR设计通量仅是10-20。
宽流道:反渗透膜在卷制的过程中,渗透侧有较细的格网防止膜片粘粘,浓水侧有较粗的格网,这个格网的厚度就是进水流道的厚度,如400ft2的膜,其进水流道厚度在28mil(约合0.7mm),而365ft2的膜,其进水流道厚度在31mil(约合0.8mm);目前的反渗透膜,34mil当是最宽流道。原则上流道厚度较大的膜具有较好的抗污染性能,抗污染膜一般为31密耳或34密耳;选购时要根据水质、水型选择膜,如果水质不是太好的话,则尽量选择宽流道的膜,水质比较好的话,则选择窄流道的膜。
三、故障与诊断

(反渗透故障诊断一览表)
背压及危害
       反渗透水处理领域,背压指的是产品水侧的压力大于给水侧的压力的情况。 卷式膜元件类似一个长信封状的膜口袋,开口的一边粘接在含有开孔的产品水中心管上。将多个膜口袋卷绕到同一个产品中心管上,使给水水流从膜的外侧流过,在给水压力下,使淡水通过膜进入膜口袋后汇流人产品水中心管内。 为了便于产品水在膜袋内流动,在信封状的膜袋内夹有一层产品水导流的织物支撑层;为了使给水均匀流过膜袋表面并给水流以扰动,在膜袋与膜袋之间的给水通道中夹有隔网层。 膜口袋的三面是用粘结剂粘接在一起的,如果产品水侧的压力大于给水侧的压力,那么这些粘接线就会破裂而导致膜元件脱盐率的丧失或者明显降低,因此从安全的角度考虑,反渗透系统不能够存在背压。 由于反渗透膜过滤是通过压力驱动的,在正常运行时是不会存在背压的,但是如果系统正常或者故障停机,阀门设置或者开闭不当,那么就有可能存在背压,因此必须妥善处理解决背压的问题。
产水背压
        任何时刻,产水压力高于进水或浓水0.3bar,复合膜就可能发生复合层间的剥离,可通过产水探测法来确定这类损坏, 当打开受到产水背压严重损坏的膜叶时,通常还会看到平行于产水管的膜最外边出现拆痕,常常靠近最外侧的膜袋粘接线处。膜的破裂最有可能出现在进水侧、最外侧和浓水侧这三处粘接密封线附近,其他位置受到进水网络地支撑,很多网格的小格内就会出现很多气泡状剥离,使得膜脱盐层受到强烈拉伸,元件的脱盐率降低。
四、清洗的必要性
         给水进入反渗透系统后分成两路,一路透过反渗透膜表面变成产水,另一路沿反渗透膜表面平行移动并逐渐浓缩,在这些浓缩的水流中,包含了大量的盐分,甚至还有有机物、胶体、微生物和细菌、病毒等。在反渗透系统正常运行时,给水/浓水流沿着反渗透膜表面以一定的流速流动,这些污染物很难沉积下来,但是如果反渗透系统停止运行,这些污染物就会立即沉积在膜的表面,对膜元件造成污染。所以要在反渗透系统中设置自动冲洗系统,利用干净的水源对膜元件表面进行停运冲洗,以防止这些污染物的沉积。
二、高手对答
①关于TMP
Q1:问个问题,我们uf规格写的是tmp为2.1bar,应该指的是单支膜吧,我们uf是16支,可设计的tmp也是2.1bar,看nf的是单支膜最大压降是1bar,每组膜最大不超过3.4bar,有点不懂,uf的16支膜tmp应该比2.1大吧,还是因为nf每组膜里面有4支膜,所以不一样?
A1:平均跨模压差=(P进+P浓)/2-P产水 压差=P进-P浓 P进:进水压力 P浓:浓水压力 P产水:产水压力。
Q2:追问,就是说uf不管几支膜,只要计算平均压差就可以? 有点难以理解,假设我进水压力5bar,浓水压力为4bar,产水压力为2.5把进水分成10份进入每支膜,那么每支膜的进水压力肯定小于5,每支膜的浓水压力肯定会小于4,每支膜的产水压力也小于2.5,假设其中一支膜的压力都取1/5,,则进水为1bar,浓水为0.8,产水为0.5,则单支膜的tmp为0.4,不知道我这样说是否正确?
A2:超滤装置一般是同一根母管,然后在分水到各超滤膜元件 我们一般都以整套装置为准计算跨模压差的
这样给他解释可能更清楚一些,超滤大多数情况下是并联的。
②关于最高操作压力
Q1:看dow说明书,nf90—400的,最高操作压力是41bar,但是我们在运行的时候压力才5bar左右,差这么远?还有就是这最高压降指的什么,难道是跨膜压差?
A1:41是该款膜元件的最大承受压力 你可以看看该款膜元件的测试条件。运行压力常规就是这样,大多在8公斤以内 1bar是单支膜的最大压降。
A2:最高操作压力指的是膜能承受的最高压力,实际操作压力不能高于这个,否则膜就废了,但低于和远低于这个数值都是没有问题的。 除了家用膜(300psi)和海淡膜(1200psi),其他系列的膜最高操作压力大部分都是600psi,因为它要适应不同的水质。
③关于拉伸强度
Q1:红版给解释一下超滤膜的拉伸强度和爆膜强度这些参数应用的意义吧,现在看看超滤膜(包括MBR)都很少提这此参数。
A1:拉伸强度应是膜丝断裂为止所能承受的最大拉力 爆膜强度应属于非主流叫法,意义应该相当 不过目前膜技术发展已经日新月异 强度问题已经不是什么难题了 故而,厂家可能也就很少宣传这方面的参数了;目前拉伸强度最好的当属PVDF材质 不过同样PVDF材质,不同厂家的产品也存在较大差异。
④关于断丝
Q1:红版,讲讲断丝神马的呗。 比如,断丝的原因、现象、危害等等。
A1:除去质量问题,由于单个膜组件就含万根膜丝,由于长期运行过程中膜丝反复受拉挤作用,不可避免会出现少量断丝。膜丝断丝后出水水质将受到严重危害,水质将下降。这个回答不知对否?
A2:断丝主要应该是来自两个方面 1、操作导致 2、本身强度不够导致。强度主要体现在材质方面,当属PVDF较好。
⑤关于无机膜
Q1:无机膜使用寿命和耗材、强度都很好,好像很少用在MBR。不知什么原因?
A1:与有机膜相比,无机膜具有以下优点: 1、热稳定性好,耐高温,一般可以在400℃下使用,最高可达800℃ 以上,不老化、寿命长。 2、化学稳定性好,耐有机溶剂,耐酸碱,抗微生物侵蚀。3、机械强度大,担载无机膜可承受几十个大气压的外压,并可反 向冲洗。 4、净化操作简单、迅速,价格便宜,保存方便。 5、孔径分布窄,分离效率高。
目前,从技术上看,无机膜还存在如下缺点: 1、生产成本高,制造技术难度大。 2、无机膜易发脆,给膜的成型加工及组件装备带来一定的困难。 3、膜器安装因密封的缘故,使其性能不能得到充分利用。
Q2:那么是否PVDF比PES强度更高,所以更不容易断丝呢?
A2:是的 PVDF化学稳定性好,物理强度高 也是现在MBR膜的主流材质。
⑥关于内压膜
Q1:内压膜的优势在哪里呢?
A1:针对原水水质较好的情况下,内压膜的优势就来了 一方面,材料成本低一些,相对外压膜 二方面,运行通量可以很大,综合以上总成本都会比外压式更有优势。
⑦关于膜通量一
Q1:污水回用,如果一级RO的膜通量为18 L/m2.h(回收率75%),那么浓水RO膜通量选取多少?(回收率60%) 麻烦红版解答一下?
A1:参照下海淡系统,通量做到14LMH以下。 另,浓水的TDS是多少?主要是哪种盐?浓水RO的浓水量有多少?如何处理?
Q2:浓水电导8000,盐不知,浓水62.5吨每小时。原水250吨每小时。
A2:不知是哪个行业的回用系统,针对浓水的处理,通量、最小浓水量是一定要能保证的,通量14左右可以,不过我们也有系统是做到16的 最小浓水量格外重要的,要不然再低的通量也会很快堵塞。
A3:常规8寸膜的单支膜面积是37.2,照这么算下来,通量是13.44LMH
Q3:数据是怎么算出来的?
A4:就是 单只膜的产水量0.5T/H即500L/H 除以单只膜面积37.2m2 最终单位LMH。计算:500/37.2=13.44
⑧关于膜通量二
Q1:石油化工企业。通量最小可取到多少?
A1:通量建议不要低于0.5吨水每只膜 更要关注最小浓水量 当原水流经膜元件时,本身水源的水质就较差,如果最小浓水量得不到保证,那就会造成膜表面很低的流速,这样污染物更容易在膜表面沉积,也就很容易造成堵塞。
⑨关于最小浓水量
Q1:红版还要问一下最小浓水量怎么确定的?
A1:你用RO的计算软件模拟一下。 如果低于最小浓水量,软件会有报警提示的。可以采用浓水回流的方式调整。
A2:针对一般水源,最小浓水量是2.95T 水源水质较差的话(有机物含量高),最小浓水量可能要到9T(这个数据是小试做出来的)。
⑩关于流速问题
Q1:管道不变的情况下,我如何增加流速(cfv),增加一台泵肯定没问题是吧,那么泵出口的压力应该是增加的吧 有本资料介绍说:“流速过大时反而会导致膜组件的产水量下降,这主要是因为由于流速加快增加了组件压力损失而造成的,有效压力降低“ 比如说进口压力是5bar,出口是4bar, 增加流速后假设进口是6bar,出口是4bar,这样也会降低通量吗?(压力都在中压范围内,既不考虑压力过大使膜致密从而导致膜通量下降) 或者在不增加进口压力的情况下,如何能提高流速,能一一解答最好。
A1:管径≈18.8倍根号(流量/流速) 反之,流速≈流量/(管径/18.8)的平方 通常,低压管道流速控制在2m/s以内,高压3m/s左右 泵的扬程是为了克服阻力损失和渗透压而选定的 不明白为什么要通过提高泵的扬程来提高流速。
⑪关于温度
Q1:请教红版,关于水温对UF膜和RO膜的影响。 1、最主要受影响的是哪些方面?产水量、产水水质,还是能耗神马的? 2、影响的趋势和程度?尤其程度,有没有经过测试的确切数值,或者仅仅是经验值? 3、不同品牌的膜受影响的趋势是否相似?
A1:水温对超滤及反渗透的影响主要表现就是产水量的变化 对超滤的产水水质影响不大 下面这组数据供你参考,是之前检测出来的。

对反渗透来讲,温度下降1度,水量衰减3%,在操作压力不变的情况下。
A2:当水温太低时可能更困难!
嗯,是的 温度控制应遵循反渗透的进水指标要求。


⑫关于纳滤
Q1:红版,要不给咱讲讲纳滤呗。,我对NF一直云里雾里的。
A1:传统的NF使用与反渗透类似 不过NF的优势在于 1、操作压力低,能耗低 2、对高价离子去除率高,尤其是硬度离子 3、综合脱盐率适中,针对有些场合较为核实,比如说食品饮料行业。
Q2:貌似垃圾渗滤液处理中也常用NF,是因为渗滤液中二价离子较多的缘故么?
A2:在垃圾渗滤液中采用纳滤工艺主要有三方面的考虑 1、纳滤对一价离子去除率很低,可确保相当一部分盐分透过去,进而排掉,浓缩液如回灌填埋场或预处理后回调节池均不会引起盐份在填埋场和渗滤液处理系统中的富集 2、运行成本低,操作压力低能耗就低 3、产水率高。目前垃圾渗滤液的处理中,主要有两种工艺 1、传统工艺:外置式MBR+NF2、两级DTRO。
Q3:目前的确如此,比较过没,那个工艺优越一些?
A3:纳滤相比反渗透可以做出更高的回收率这两种工艺,第一种工艺,工艺路线厂,完善,稳定性较好,运行条件较为苛刻,维护繁琐;第二种工艺,稳定性差,工艺路线短,维护方便,比较适合开开停停……
Q4:完全理解,1、3有点儿不明白。 1、相当一部分的一价盐跟着产水排掉,大部分的二价盐跟着浓水回灌。
这样理解不晓得对不对? 3、产水率高何解?是因为NF通量可以选得比RO大么?还是回收率可以适当高一些呢?
A4:垃圾渗滤液项目的浓缩液处理是一个世界性的难题 目前大部分国家都是采用回灌 而回灌要尽可能降低盐分的累计 如此,纳滤就登场了 若是用反渗透,所有的盐分都会截留在浓缩液中,若是这样回灌就会造成盐分成倍的累计,很有可能就不能满足回灌的要求。
Q5:关于第2条,追问一句:结垢倾向如何? 另外,NF系统的回收率一般怎么取?
A5:都得投加阻垢剂。
⑬关于通量三
Q1:请教红版,最小的规格反渗透膜,是多少通量的,假如一天20m3水量,如何进行设备匹配,选型?
A1:通量的单位是LMH(即L/m2*h),是根据水质选择的,设计导则上有不同水质的通量推荐范围。 比较常用的小规格RO膜是2540的,即直径2.5英寸长度40英寸。 当然还有更小的2521、2514等,常用于实验装置。虎妞曾经做过一个产水量4吨每天的海淡装置,用了3支2540的膜,通量在21LMH左右(其实是偏高了)。 传个设计导则的截图供你参考。

小结
        膜分离与传统过滤的不同在于,膜可以在分子范围内进行分离,并且这过程是一种物理过程,不需发生相的变化和添加助剂。膜分离是在20世纪初出现,20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能,又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征,目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域。

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