(精品)超濾教材

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1、超濾培訓教材2007年10月超濾培訓教材 超濾培訓教材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、細菌及大分子量膠體等物質。微濾膜的運行壓力一般為0.7-7bar。超濾 能截留0.002-0.1微米之間的大分子物質和蛋白質。超濾膜允許小分子物質和溶解性固體（無機鹽）等通過，同時將截留下膠體、蛋白質、微生物和大分子有機物，用于表示超濾膜孔徑大小的切割分子量范圍

2、一般在1000-500000之間。超濾膜的運行壓力一般1-7bar。納濾 能截留納米級（0.001微米）的物質。納濾膜的操作區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率低于高價離子，納濾一般用于去除地表水中的有機物和色素、地下水中的硬度及鐳，且部分去除溶解鹽，在食品和醫藥生產中有用物質的提取、濃縮。納濾膜的運行壓力一般3.5-30bar。反滲透 是最精細的一種膜分離產品，其能有效截留所有溶解鹽份及分子量大于100的有機物，同時允許水分子通過。反滲透膜廣泛應用于海水及苦咸水淡化、鍋爐補給水、工業純水及電

3、子級高純水制備、飲用純凈水生產、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. 超濾膜的種類及應用特點超濾膜按結構來分主要有四種：板式膜，卷式膜，管式膜，中空纖維膜。板式膜：它是最早出現的膜，但因為難以保證膜表面適當的流速及復雜的密封問題，這類膜的應用非常有限。前處理要求不嚴格；卷式膜：以板式膜為起點發展起來的，因為卷式膜的格網帶來死點及無法反洗，通常不適用于工業原水處理。它們適用于高溫、高壓物料分離等，前處理要求也不嚴格；管式膜：因為它的能耗較大，從經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

4、要求最不嚴格。中空纖維膜：因為它壓力低，通道無死點，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，在水處理中應用最為廣泛。注：因為中空纖維膜應用最廣泛，后面資料中除共同點外，其他均以中空纖維膜為例進行說明。1.3. 應用范圍 超濾在水處理領域應用十分廣泛，按應用場合劃分，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、RO前處理及離子交換前處理應用在前置予處理中，超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工段設備的運行，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

5、洗。膜型一般為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用在反滲透/離子交換設備后，超濾用于去除水體中的膠體和固形物，水透過率較高，清洗頻率較低，其不需要較頻繁的清洗/沖洗，只有當系統壓力降低到操作不便或有細菌產生時才清洗。在醫藥及電子行業，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。1.3.3. 水循環和回用生化處理后、澄清后（二級和三級）2 超濾術語不對稱膜Anisotropic Membrane一種人工合成聚合中空纖維，由一層很緊，很薄內膜及自我支撐的海綿狀外層結構構成。這層內膜起著半透水超濾膜的作用。

6、平均透膜壓差Average Trans-membranePressure產水側和原水進出口壓力平均值的差異，平均透膜壓差（P 進P 出）/2P 產水反洗Back-flush從中空纖維外側把透過液質量的水輸向內側。因為水被從反方向透過纖維,從而松解并沖走了膜表面的污物。注意：在此過程中纖維膜內側無壓力。膠質污染Colloidal Fouling在中空纖維內側膜表面形成微粒沉淀層。濃縮或排放液Concentrate or Reject原水中不能透過膜的那部分，它包含了比原水濃度高的顆粒，膠體，細菌和熱原體等雜質。濃差極化Concentration Polarization引起被排斥的懸浮物在膜表面

7、聚集的現象。纖維內的高剪力（高流速）能降低極化。錯流過濾Cross Flow濃水沿平行于有效膜面方向流動，有助于沖刷掉膜表面的污染物碎片。壓力差Differential Pressure纖維膜管進出口壓力差。壓力差PDP 進 - P 出下向流Downward Flow超濾膜組件的循環流向按照自組件頂部向底部的方向流動。原水Feed進入超濾系統的水，然后 分為產水及濃縮液。通量 （透水率）Flux產水透過膜的流率，通常表達為每天每平方英尺膜面積產多少加侖的水（gfd）， gfd = lmh x 0.59正流Forward Flow排放液的循環流動方向，對垂直安裝的膜管常指向上運動。凝膠層Gel

8、Layer在運行的超濾膜有效內側表面形成的一層高濃度或固體沉淀物層，通常為高分子物質。往往是凝膠層的滲透性而不是過濾膜的滲透性決定了超濾水通量（這會導致與實際濾膜的截留分子量相比更緊密的過濾效果）。截流分子量Molecular Weight Cutoff膜的一種特性，描述對一種已知進料體系中溶質的公稱截留率，即被截留污染物的最小尺寸。公稱截留Nominal Cut Off在一已知溶質的單一溶液體系中，對溶質截留率達到最大（通常為90%）時對應的膜孔徑大小。透過液，產水Permeate透過濾膜的那部分水，基本上無膠體，顆粒和微生物?；厥章蔙ecovery產水占總原水的百分比。%回收率產水/原水1

9、00滯留物Retentate也稱為濃縮物。進水中無法通過濾膜的部分，包括有濃度高于其進水中含量的被截留固體物。滯留物排放Retentate Bleed滯留物中自超濾單元排放掉的或再循環的部分。此排放過程防止被截留固體物在膜過濾側發生積累。交錯流Reversal Flow液體交錯進入膜管內。 水從上進液管進入膜管內， 過一段時間后改成從下進入，這樣交錯變化以改進膜內流動條件上向流Upward Flow超濾膜組件的循環流向按照自組件底部向頂部的方向流動。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0.0020.1微米范圍內（

10、MWCO約為1，000-500，000）。溶解物質和比膜孔徑小的物質能作為透過液透過濾膜，不能透過濾膜的物質將被截留下來濃縮于排放液中。因此產水（透過液）將含有水、離子和小分子物質，而膠體物質、顆粒、細菌、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構。不對稱超濾膜擁有一層極光滑極?。?.1微米）的孔徑在0.002到0.1微米間的內表面，此內表面由孔徑大到15微米的非對稱結構海面體支撐結構支撐。這種小孔徑光滑膜表面合較大孔徑支撐材料的結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

11、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。 要過濾的水經由超濾給水泵加壓后輸入膜組件中。由于膜內外的壓力差，一部分水滲過濾膜，而水中的雜質則截留在剩余部分水中被過濾除去。如果欲分離的雜質在膜上過多沉積，根據膜的類型不同，會導致難溶性鹽沉積或形成部分覆蓋層。所以要避免這一點，一部分水會成為濃縮液流出去掉，根據膜的類型和應用不同，這樣的過程要持續進行或者在回流時進行。下圖是超濾膜過濾的基本原理圖?；亓鳛V液泵膜濃縮液入口3.3超濾的特點與傳統的凈化方式相比，超濾具有許多優點：l 能完全去除微生物和微粒對水中污染物去除率組

12、份 PM10 PM100膠體硅 99.8% 99.0%膠體鐵 99.8% 99.0%膠體鋁 99.8% 99.0%懸浮物 5 LRV 4 LRV濁度 0.3 NTU (通常小于0.1 NTU)SDI 1.0 SDIGiardia 6 LRV 5 LRV原生動物 6 LRV 5 LRV菌類 6 LRV 5 LRV病毒 5 LRV 4 LRV內病毒 4 LRV 2 LRVTOC avg. 70% avg. 30%l 過濾效果不受原水水質的影響l 能夠去除耐氯的病菌l 超濾的濃縮液中只含有原來水中含有的那些物質l 比起其它的傳統方式，超濾中沉淀物的量明顯較少l 支架的緊湊結構提高了空間利用率，節省費

13、用，也可在現有的廠房中，可以高度靈活的增加裝置配備。l 超濾可以實現全自動化工業連續生產。l 由于超濾幾乎能完全濾去形成覆蓋層的物質，所以可以在后續的膜凈化步驟中增加面積負荷，因而減小后續凈化裝置的規模。4 流程模式 原水進入中空纖維內腔，由內向外通過纖維過濾。通常原水由膜件的一端進入，在30-40psi的壓力驅動下流經整個長度的纖維。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。透過液經集水管自每支膜件的中心流出。超濾根據原水水質的不同一般有兩種運行流程模式：死端過濾模式和循環過濾模式。4.1 死端過濾模式 一般當原水中懸浮物和膠體含量較低時（如S

14、S5,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。產水在膜管過濾液側產出，水回收率通常是90%-99%，由原水水質決定。和循環模式相比，死端過濾的操作成本低，但回收率和系統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出力，當污物積累到一定程度，就需要化學清洗來進行處理。泵膜濾液4.2 循環過濾模式當原水中懸浮物含量較高及在大多數非水應用領域，就需要通過減少回收率來保持加膜管內部的高流速。這樣就會造成大量的廢水。如圖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。這樣，雖然降低膜管的回收

15、率，但對于整個系統，回收率仍然可以很高。在這種模式，進水連續的在膜表面循環。循環水的高速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水，為了獲得相同的產率，能耗就比死端過濾模式大?；亓髂け脼V出物濾液入口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：32（0）最大透膜壓差：35psi (2.4bar)最大反洗透膜壓差：20psi (1.4bar)最大平均壓力變化： 6psi/sec(0.4bar/秒)， 10秒鐘閥門開啟時間最大總氯耐受能力77（25）或更低：

16、200ppm 8.5pH或更高pH。 最大總耐氯接觸量： 200，000ppm 小時（累計） 8.5pH或更高pH。 最大有機溶劑接觸： 避免接觸 最大紫外線接觸： 避免暴露于日光直射下。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。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%或者說對數級5以上。5.2.

17、2對隱孢子體（Kryptosporidien）的截留精確的檢測表明超濾膜對隱孢子體（大小為4-6m）的截留超過對數級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定的界限以下。無論原水的質量怎樣，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。與傳統的凈化過程相比，超濾可以非常容易地實現自動化。5.2.4降低污染指數污染指數(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。測量這個指數時，要將定量的水在穩定的進水壓強下壓過要測試的過濾器。污染指數是由于在過濾過程中逐漸形成覆蓋層、濾液通量降低

18、而產生的。除了水中的微粒外，還有膠體物質以及真正溶解于水中的有機物質共同形成水的污染指數。微粒和大部分膠體能夠通過超濾去除。而對真正能溶解的有機質的截留則與分子量有關。對大多數的水（包括海水），超濾之后污染指數都能降到1以下。如果污染指數是由可溶性物質導致的，那么在極少數情況下污染指數也可能在1以上。測量方法見反滲透培訓教材。5.2.5對有機質的截留有機質包括微粒狀、膠體和能溶于水的有機物質。由于超濾對不同類型的有機質的截留能力不同，因此凈化效率就取決于水中有機質的成份組成。在超濾前加入凝固劑可以部分地清除能溶于水的有機質。與傳統的方式相比，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

19、過濾性，因為超濾的凈化效率與凝固物的形狀和密度無關。根據是否絮凝與原水的水質不同，對有機質的截留在40-60%之間。6膜的相關性能指數和計算公式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質所占的濃度百分比。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，所以病毒和細菌的截留常以“對數級”來表示。比如，99.999%的截留比例就相當于凈化能力為對數級5。6.2濾液體積流量濾液體積流量是單位時間內過濾出的水的體積。濾液體積流量 （如 l/s, m3/h）V：濾液體積（如l, m3）t：時

20、間 (如s, h)6.3 面積負荷又稱為：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生穩定的濾液通量，這是一個非常重要的參數。用它可以計算出要凈化預定的水量所需要的膜面積。J：濾液通量（如l/m2/h）：濾液體積流量（如 l/s, m3/h， l/h）F：膜面積（如m2）6.4膜內外壓差膜內外壓差（P）是膜的進水口也即濃縮液一側與濾液一側的壓強差。在橫流過濾時要特別注意膜上的壓降。為簡化計算過程，可假設進水與濃縮液之間存在著線性的壓降。 p：膜內外壓差（bar, Pa）pZulauf ：

21、 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、比滲透通量要判斷膜或膜技術的性能、確定過濾定量的水所需要的膜內外壓差，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：滲透性（如l/m2/h/bar，l/m2/h/Mbar）J：濾液通量（如l/m2/h）p：膜內外壓差（bar, Pa）6.6常溫下的滲透性由于滲透性和溫度相關，所以要用于比較，需要借助溫度校正因數，將它轉化成常溫（20C）下的滲透性。A20C：常溫（20C）下的滲透性（如l/m2/h/bar

22、，l/m2/h/Mbar）Tk,20C：溫度校正因數（-）微濾和超濾時滲透性的變化通常是由于水的粘度的變化。因為粘度變化與溫度的關系是已知的，所以可以確定出溫度校正因數。Tk,20C：轉化為常溫（20C）下滲透性的溫度校正因數（-） ：動態粘度（Pas）= (17.91-0.60T+0.013T2-0.00013T3)10-4(Weast, R.C.al.化學和物理手冊，CRC Press,Boca Raton (USA),1990)實際測量粘度相對于溫度的變化時得到的數值與用粘度變化計算出來的數值大多會有一點差異。這個差異是由于膜結構也同時隨溫度發生變化。對于滴澤膜組件來說，可以使用下面的近

23、似公式。Tk,20C = e 0.019( T 20 ) (T為攝氏溫度)溫度因數在下圖中用圖示表示了出來。溫度校正函數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和快速沖洗時所消耗的水。如果膜凈化裝置不用正向沖洗，則公式可簡化為：出水率（%）：濾液體積流量（如m3/h）：反向沖洗用水體積流量（如m3/h）：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）tFF：正向沖洗時間（如h）7 超濾系統的清洗7.1超濾系統反洗 在淡化過程中使用的膜，由于其結構（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解

24、。因此，在這樣的系統中，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水出口進入膜元件，從原水進口出水，水流方向與生產時正好相反。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。超濾反洗用水為超濾產水，因為反洗水帶進的懸浮物將會集聚在支撐結構內而隨后不斷釋放出顆粒、細菌和TOC等，所以原水不適宜做反洗用水。7.2 超濾系統化學循環清洗/快沖當關閉透過液閥門時，循環操作是一個機械的清洗過程，其類似于部分反沖洗過程在膜件進水端透過液依舊經纖維排出，這是由于纖維內側較高壓力所至。當進水流經整個纖維長度會損失部分壓力?，F在平均透過液的壓力較高，此透過液會從纖維

25、外側反向壓入纖維內側，以幫助去除累積的固形物。循環過程是整個清洗過程的一部分。8 超濾系統故障排除故障現象故障原因解決辦法高透膜壓力超濾單元受污染，準備清洗。進行適當清洗，其后單元轉回至產水模式。反向逆流情況為應對反向逆流時的問題，修改反洗加藥方案，降低系統回收率，減小反洗間隔。如問題繼續，請聯系Koch 公司。低氣壓空壓機故障檢查空壓機，修正問題。閥門關閉沿空氣管路檢查，開啟關閉閥門。進口壓力高超濾進水泵控制故障檢查PID 控制，如需要進行調整壓力指示儀表故障對不正常指示儀表監控數據并做檢查進口壓力低超濾進水泵故障檢查超濾進水泵閥門故障檢查進口閥門操作高透過液壓力反沖洗控制故障檢查PID 控

26、制，按需要進行調整超濾單元受污染，準備清洗進行適當清洗，其后單元轉回至產水模式。反向逆流情況為應對反向逆流時的問題，修改反沖洗加藥方案，降低回收率，減少反洗間隔。如問題繼續，請聯系Koch 公司。高或低pH 報警pH 儀表故障校準儀表，在已知標準條件下測試化學清洗后超濾單元未充分漂洗進行更多漂洗高水溫軟化的CIP 清洗水在升溫檢查CIP 供水溫度溫度傳感器故障最可能故障：如果儀表指示滿量程，更換傳感器。CIP 加熱器未關閉檢驗運行情況，控制好CIP 加熱器電機故障電機未給電檢查MCC 狀態，如果關閉，開啟電機。VFD 變頻故障檢查VFD 顯示，修正問題，清除故障。電機過載檢查安培過載設定。測量

27、泵的安培數。如果超過限定，請聯系制造商。完整性測試失敗膜泄漏進行完整性測試；監測膜件上端水帽中的氣泡。修補泄漏膜絲，重新進行完整性測試。閥門未開啟/關閉閥門未開啟/關閉檢查壓縮空氣壓力是否為85PSI(5.9KGF/CM2)。強制調節閥門自線圈控制到檢驗運行狀態。拆掉閥門上激勵執行器進行測試。用扳手扳住閥桿檢查閥門操作。開關轉換限定故障檢查紅色開關限定指示燈，如都無動作，更換電控箱內保險。檢查電控箱內24V 電源。清洗箱液位高進口閥門故障修理好故障閥門液位指示器故障監測液位指示器操作產品水濁度高有空氣進入濁度儀自管路內排出空氣。分析空氣是如何進入儀表中，消除氣源。膜泄漏進行完整性測試。如發現泄

28、漏進行修補。- 18 -KOCH 工業水應用膜管（3”，5”） 標準壓力膜管（70psig）膜型號尺寸纖維內徑膜面積膜通量范圍產水量典型應用直徑*長度（英寸）milft2截留分子量GFD高GFD低GPM高GPM低HF53-20-PM103*4320531000085403.11.5去除膠體硅，去除熱源，超純水HF-53-20-PM1003*43205310000085403.11.5RO前處理，去除膠體硅，降低濁度，去除微生物HF-132-20-PM105*43201321000085407.83.7去除膠體硅，去除熱源，超純水HF-132-20-PM1005*4320132100000854

29、07.83.7RO前處理，去除膠體硅，降低濁度，去除微生物HF-82-35-PM1005*43358210000085404.82.3RO前處理，去除膠體硅，降低濁度，去除微生物HF-66-43-PM105*4343661000085403.91.8去除膠體硅，去除熱源，超純水HF-66-43-PM1005*43436610000085403.91.8RO前處理，去除膠體硅，降低濁度，去除微生物KOCH 工業水應用膜管（8”，10”） 標準壓力膜管（45psig）膜型號尺寸纖維內徑膜面積膜通量范圍產水量典型應用直徑*長度（英寸）milft2截留分子量GFD高GFD低GPM高GPM低V8072-

30、20-PMX8*722081710000854048.222.7去除膠體硅，去除熱源，超純水V8072-35-PMX8*723552110000854030.814.5去除膠體硅，去除熱源，超純水V8072-43-PMX8*724339710000854023.411.0去除膠體硅，去除熱源，超純水V8048-35-PMC8*4835337100000854019.99.4RO前處理，去除膠體硅，降低濁度，去除微生物V8072-35-PMC8*7235544100000854032.115.1RO前處理，去除膠體硅，降低濁度，去除微生物V1048-35-PMC10*4835554100000854032.815.4RO前處理，去除膠體硅，降低濁度，去除微生物V1072-35-PMC10*7235871100000854051.524.2RO前處理，去除膠體硅，降低濁度，去除微生物- 19 -