第四章 微滤与超滤

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一、超滤(UF) 超滤( )
1.简介 简介 超滤是一种以机械筛分原理为基础, 超滤是一种以机械筛分原理为基础,以膜两侧压 为驱动力的膜分离技术。 差(100~1000kPa)为驱动力的膜分离技术。它可分离 ~ 为驱动力的膜分离技术 液相中直径在0.05 ~0.2µm的分子和分子量为 ~10 的分子和分子量为1~ 液相中直径在 的分子和分子量为 万的大分子。超滤膜的筛分孔径小, 万的大分子。超滤膜的筛分孔径小,它可截留病毒病 胶体、大有机分子、油脂、蛋白质、悬浮物等。 菌、胶体、大有机分子、油脂、蛋白质、悬浮物等。 通过超滤膜后的出水,水质稳定,受原水水质、 通过超滤膜后的出水,水质稳定,受原水水质、运行 操作条件的影响很小;整个分离过程是在动态下进行, 操作条件的影响很小;整个分离过程是在动态下进行, 无滤饼形成。它的使用压力大大低于反渗透, 无滤饼形成。它的使用压力大大低于反渗透,它和反 渗透不同处是压差越大其截留率越低, 渗透不同处是压差越大其截留率越低,它不能分离小 分子物质和无机离子。 分子物质和无机离子。
1.简介 简介 第一次世界大战期间,因军事的需要, 第一次世界大战期间,因军事的需要,开始出现微 滤技术,当时主要是德国SARTORIUS公司生产占领 滤技术,当时主要是德国 公司生产占领 市场,到第二次世界大战后期, 市场,到第二次世界大战后期,美国从德国获得技术 并将其发展。 并将其发展。 微滤( )又称微孔过滤,它属于精密过滤, 微滤(MF)又称微孔过滤,它属于精密过滤,其 基本原理是筛孔分离过程。在压差的推动下, 基本原理是筛孔分离过程。在压差的推动下,原料液 中的溶剂和小的溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低 压侧,所得到的液体一般称为滤出液或透过液, 压侧,所得到的液体一般称为滤出液或透过液,而大 的粒子组分被膜截留,达到溶液的净化目的。 的粒子组分被膜截留,达到溶液的净化目的。除此以 还有膜表面层的吸附截留和架桥截留, 外,还有膜表面层的吸附截留和架桥截留,以及膜内 部的网络中的截留。微孔滤膜因孔径固定, 部的网络中的截留。微孔滤膜因孔径固定,可保证过 滤的精度和可靠性。 滤的精度和可靠性。
3.微滤技术应用 微滤技术应用 a.水处理行业:水中悬浮物,微小粒子和细菌的去除; 水处理行业: 水处理行业 水中悬浮物,微小粒子和细菌的去除; b.电子工业:半导体工业超纯水、集成电路清洗用 电子工业: 电子工业 半导体工业超纯水、 水终端处理; 水终端处理; c.制药行业:医用纯水除菌、除热原,药物除菌; 制药行业: 制药行业 医用纯水除菌、除热原,药物除菌; d.食品工业:酒、饮料中酵母和霉菌的去除,果汁 食品工业: 饮料中酵母和霉菌的去除, 食品工业 的澄清过滤; 的澄清过滤; e.化学工业:各种化学品的过滤澄清。 化学工业: 化学工业 各种化学品的过滤澄清。
2.微滤膜材料与组成 微滤膜材料与组成 微滤膜的材质分为有机和无机两大类, 微滤膜的材质分为有机和无机两大类,有机聚合 物有醋酸纤维素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、 物有醋酸纤维素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺 无机膜材料有陶瓷和金属等。 等。无机膜材料有陶瓷和金属等。膜的孔径大约 0.1~10µm,其操作压力在 其操作压力在0.01-0.2MPa左右。微滤过 左右。 ~ 其操作压力在 左右 程操作分死端过滤和错流过滤两种方式。 程操作分死端过滤和错流过滤两种方式。在死端过滤 时,溶剂和小于膜孔的溶质粒子在压力的推动下透过 大于膜孔的溶质粒子被截留,通常堆积在膜面上。 膜,大于膜孔的溶质粒子被截留,通常堆积在膜面上。 随着时间的增加,膜面上堆积的颗粒越来越多, 随着时间的增加,膜面上堆积的颗粒越来越多,膜的 渗透性将下降,这时必须停下来清洗膜表面或更换膜。 渗透性将下降,这时必须停下来清洗膜表面或更换膜。 错流过滤是在压力推动下料液平行于膜面流动, 错流过滤是在压力推动下料液平行于膜面流动,把膜 面上的滞留物带走, 面上的滞留物带走,从而使膜污染保持一个较低的水 平。
3.发展 发展 目前UF正向组建大型化 高效化发展, 英寸以上 正向组建大型化、 目前 正向组建大型化、高效化发展,6英寸以上 的高通量大组件、集束化、设备化的超滤器已出现。 的高通量大组件、集束化、设备化的超滤器已出现。 大孔径、粗中空丝的超微滤膜已出现, 大孔径、粗中空丝的超微滤膜已出现,这种膜正越来 越多地应用到反渗透的预处理中, 越多地应用到反渗透的预处理中,构成所谓的集成膜 代替传统的砂滤、 处理系统(IMS),用UF代替传统的砂滤、活性炭、微 代替传统的砂滤 活性炭、 处理系统 , 滤是今后水处理工艺的一个新的发展趋势。 滤是今后水处理工艺的一个新的发展趋势。特别是随 着卷式超滤膜的发展, 着卷式超滤膜的发展,为电力行业电站锅炉补给水处 理带来了新的发展空间。 理带来了新的发展空间。
4.超滤膜分离的技术特点: 超滤膜分离的技术特点 a.在常温和低压下进行分离,因而能耗低,从而使设 在常温和低压下进行分离, 在常温和低压下进行分离 因而能耗低, 备的运行费用低。 备的运行费用低。 b.设备体积小、结构简单,故投资费用低。 设备体积小、 设备体积小 结构简单,故投资费用低。 c.超滤分离过程只是简单的加压输送液体,工艺流程 超滤分离过程只是简单的加压输送液体, 超滤分离过程只是简单的加压输送液体 简单,易于操作管理。 简单,易于操作管理。 d.超滤膜是由高分子材料制成的均匀连续体,纯物理 超滤膜是由高分子材料制成的均匀连续体, 超滤膜是由高分子材料制成的均匀连续体 方法过滤,物质在分离过程中不发生质的变化, 方法过滤,物质在分离过程中不发生质的变化,并且 在使用过程中不会有任何杂质脱落, 在使用过程中不会有任何杂质脱落,保证超滤液的纯 净。
三、 MF 与UF的区别 的区别
)
= 1 − S
1 6 r s2 1 + 9 r p2
2
F
rs = 2 1 − r p
rs − 1 − r p

4
超滤的浓差极化现象
减轻差极化的方法 超滤的浓差极化现象
回收率的控制
(单个组件<15%,整机<50%)
流动型态和流程的控制
(压降控制在3.92-4.9MPa)
填料法 搅拌法 扩大扩散系数法
设置湍流促进器
脉冲法
影响超滤渗透通量的因素及控制方法
影响因素:
操作压差 料液浓度 料液流速 温度 截留液浓度 操作时间
控制方法
选择合适的膜材料 料液的预处理 膜的清洗
超滤的流程和装置
超滤的流程
间歇错流
截留液全循环
截留液部分循环
超滤的流程
膜组的结构
10-3 超滤
• 超滤原理
超滤过程的传质模型
筛子模型
溶剂的渗透通量: J w =
∆p Rg + Rm
cb 溶质的渗透通量:J s = J w (1 − ϕ ) c p
细孔模型
水的渗透通量:
J σ S
w
=
r p2 ε 8 µ δ
F
(∆
P − σ ∆ π
6.山东某电厂选择超滤作为预处理 山东某电厂选择超滤作为预处理 十里泉电厂 125MW水处理系统反渗透改造后流 水处理系统反渗透改造后流 程图: 程图: 水源地深井泵来水—无阀滤池 清水箱—清水 无阀滤池—清水箱 水源地深井泵来水 无阀滤池 清水箱 清水 过滤器—超滤 净水箱—5µm过滤器 反 过滤器—反 泵—20µm过滤器 超滤 净水箱 过滤器 超滤—净wenku.baidu.com箱 过滤器 渗透—脱碳器 淡水箱—淡水泵 阳离子交换器—阴 脱碳器—淡水箱 淡水泵—阳离子交换器 渗透 脱碳器 淡水箱 淡水泵 阳离子交换器 阴 离子交换器—混合离子交换器 除盐水箱。 混合离子交换器—除盐水箱 离子交换器 混合离子交换器 除盐水箱。 改性的PVDF材质,耐污染、抗氧化性较好,可 材质, 改性的 材质 耐污染、抗氧化性较好, 用于黄河水的预处理, 用于黄河水的预处理,出水水质好于传统的多介质过 滤器+活性炭过滤器 滤器 活性炭过滤器 。
连续错流
单段连续操作
多段连续操作
超滤和反渗透的主要设备
主要设备
反渗透和超滤操作的基本设备包括预处理过 滤器、高压泵、膜组件。其中膜组件是反渗透 和超滤操作的主体设备。
膜组件
板式 管式 螺旋卷式 中空纤维式
平板式膜组件
管式膜组件
螺卷式膜组件
中空纤维膜组件
聚偏乙烯膜组件
二、微滤(MF) 微滤( )
UF的分离原理 的分离原理
2.超滤膜材料与组成 超滤膜材料与组成 超滤膜早期用的是醋酸纤维素膜材料, 超滤膜早期用的是醋酸纤维素膜材料,以后还用聚 聚醚砜、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、 砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、氯 乙烯醇等以及无机膜材料。 乙烯醇等以及无机膜材料。超滤的操作模型可分为重 过滤和错流过滤;组件类型有中空、卷式、平板、 过滤和错流过滤;组件类型有中空、卷式、平板、管 式等几种。 式等几种。其中中空纤维膜是超滤技术中最为成熟与 先进的一种形式。中空纤维外径φ0. 先进的一种形式。中空纤维外径 .5—2.0mm, . , 内径φ0. 内径 .3—1.4mm,中空纤维管壁上布满微孔, . ,中空纤维管壁上布满微孔, 原水在中空纤维外侧或内腔内加压流动, 原水在中空纤维外侧或内腔内加压流动,分别构成外 压式和内压式。超滤是动态过滤过程, 压式和内压式。超滤是动态过滤过程,被截留物质可 随浓缩水排除,配合定期反洗及化学清洗, 随浓缩水排除,配合定期反洗及化学清洗,可长期连 续运行。 续运行。
盘式过滤器
7.大同发电有限公司超滤处理污水作为补给水 大同发电有限公司超滤处理污水作为补给水 超滤水系统是水处理的一部分, 超滤水系统是水处理的一部分,大同市政二级出水 经由超滤系统处理,册田水库地表水作为备用水源。 经由超滤系统处理,册田水库地表水作为备用水源。 出水一部分用作电厂辅机冷却水的补水, 出水一部分用作电厂辅机冷却水的补水,一部分进入 反渗透处理,作为锅炉补给水,设计输出流量为700 反渗透处理,作为锅炉补给水,设计输出流量为 m3/h ,运行时平均回收率 运行时平均回收率≥90%。 。 污水收集池→污水提升泵 自清洗过滤器→分配水 污水提升泵→自清洗过滤器 污水收集池→污水提升泵→自清洗过滤器→分配水 超滤设备→空气分离器 超滤出水泵→清水箱 池→超滤设备 空气分离器 超滤出水泵 清水箱 超滤设备 空气分离器→超滤出水泵 清水箱→ 清水泵→加热器 保安过滤器→高压给水泵 加热器→保安过滤器 高压给水泵→反渗透 清水泵 加热器 保安过滤器 高压给水泵 反渗透 →淡水箱 淡水泵 一期除盐 除盐水箱 除盐水泵 淡水箱→淡水泵 一期除盐→除盐水箱 淡水箱 淡水泵→一期除盐 除盐水箱→除盐水泵 →机组补水箱 机组补水箱
超滤( ) 超滤(UF)系统
海德能超滤系统
5.超滤在除盐系统中的作用 超滤在除盐系统中的作用 进水水质中一个关键的指标是水中颗粒状物和胶体 含量,通常用SDI表示。SDI是水通过 .45µm滤膜后, 表示。 是水通过0. 滤膜后, 含量,通常用 表示 是水通过 滤膜后 反映水中微粒对滤膜污堵情况的指标。 反映水中微粒对滤膜污堵情况的指标。 传统的混凝、澄清、过滤、活性炭处理系统, 传统的混凝、澄清、过滤、活性炭处理系统,其出 水的SDI值难于达到反渗透膜对 值的要求。火力发 值难于达到反渗透膜对S0I值的要求 值的要求。 水的 值难于达到反渗透膜对 电厂化学技术规程规定:对于复合膜要求SDI<5,近 电厂化学技术规程规定:对于复合膜要求 < , 年来趋于SDI<3。试验表明超滤装置的出水可达到 年来趋于 < 。 SDI<l。因此,反渗透装置前设超滤装置,可使反渗 < 。因此,反渗透装置前设超滤装置, 透装置的运行安全、可靠, 透装置的运行安全、可靠,反渗透膜可少受胶体物质 的污染,可提高反渗透膜的透水率, 的污染,可提高反渗透膜的透水率,延长反渗透膜的 寿命。 寿命。 因此,超滤处理通常是作为RO的预处理。 的预处理。 因此,超滤处理通常是作为 的预处理
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