膜过滤应用手册

1膜过滤应用手册实践技巧和提示2000年6月介绍这是膜过滤应用手册第二版。为了提高这本手册的应用价值，新增了预处理、自动控制和泵的描述。这本手册是在膜过滤领域许多年实践的产物，它也是一个信息的综合。目的是提供一些常见问题的信息，为初步介入膜过滤领域的新人提供一些帮助，回答一些问题。这本书对已从事膜设备设计及建设的工程师和在已建工厂工作的工程师都能提供许多有用的信息。同时对膜系统的设计和操作的学习也有较大的帮助。本书提供的信息相对于理论计算和思索，更多的是实践经验。因此，它并不是技术学院里的一本传统的教科书。虽然书中没有太多的数学计算，但它对于工业和学术应用都是非常有用的，因为它含有膜过滤领域许多“老到”的经验，即使对于业内行家而言，它也并不是一本出版物而已。这本手册并不适用于那些纯粹的初学者，因为书中对膜和膜技术的描述比较具体，而简略了一些基础的膜和化学知识。本书中大多数的实例是基于平板膜（DDS板框系统）和卷式膜组件(DESAL)。卷式膜组件占了世界大多数的销售市场份额，而纤维膜系统、陶瓷膜系统和管式膜系统分享的市场份额则相当小。由于他们在领域的地位，在2000年以前纤维膜系统、陶瓷膜系统和管式膜系统想成为市场主导的机会极小。因此在本书关于他们的信息比较少。在当今时代，膜正在被努力推广，但还未被消费者熟知，因为膜一般都隐藏在整个工业系统中。有些行业依靠膜生产一些基础的产品，有些则利用膜解决一些复杂的分离过程，另一些则用膜达到一些环保的标准。膜就象计算机一样：很少人理解它们，而只有一些人喜欢它们，但是我们都需要它们。即使我们不喜欢它们，但我们知道它们可以使生活更简便和舒适。开发高效、完好、经济的膜来处理各种液体包括废水的工作已进行35年。但是对于如何让人们普遍了解建设和操作一个膜工厂的工作还有很长的路要走。希望本书能帮助避免许多以往很容易的犯的错误。同时我要真心感谢BjameNicolaisen提供的许多宝贵的技术上和语言上意见和建议，同时感谢我的妻子作为我的同事参与了许多技术问题的讨论。同时也感谢以不同方式参与本书的其它朋友！JorgenWagner2专业名词解释及约定表1、专业名词解释及约定ATD反套装置，可以防止卷式膜由于液体流动的张力而压缩。CA醋酸纤维素，一般有二价或三价醋酸。CIP清洗装置。在不拆除的情况下清洗系统。Concentrate(浓水)流经系统但不通过膜的液体的体积。可解释为进水不透过部分，也可称为盐水、废弃物或在渗析过程中未通过半透膜而保留下来的滞留物。Feed(进水)进入膜系统的液体的体积。Flow(流量)一般指流经膜表面的液体的体积。Lph升/小时Gpm加仑/分钟Gpd加仑/天Flux,water(水通量)在特定条件的水的通量。在反渗透系统中水通量有特定的意义，而在其它的膜系统中，它只用来指示膜是干净的，运行良好。Flux(通量)每单位面积、时间渗透的体积。Lmh升/（平方米.小时）：lmh=gfd*1,7(基于US加仑)gfd加仑/（平方英尺.天）：gfd=lmh/1.7(基于US加仑)Gallon(加仑)1美国加仑=3.785升1英国加仑=4.546升HF超过滤;反渗透(RO)的另一名称.HMWC大分子组分,如蛋白分子.Housing(膜壳)安装卷式膜组件或其它类型膜膜元的膜过滤设备，也指压力容器IC内部接头，用于连接两个卷式膜组件。Langelierindex(见SDSI.)如果指标是正值，则可能指CaCO3比例。如果指标是负值，则不可能指CaCO3比例。MWCO（切割值）分子量切割被称为道尔顿值，意味着超过MWCO的90%的分子量将被截留。对于反渗透，MWCO有一个清楚的定义，但随着其值越高，它的含义和值越含糊。它和测试的膜的类型有关，对微滤则没有意义。3PAN聚丙烯腈Permeate(透过液)透过膜的液体的体积（也可称滤液）ppm每百万分子一。严格的讲，为每1000毫克溶液的毫克溶质。与mg/l相当。Pressure,average(平均压力)平均压力，（P进水+P浓水）/2Pressure,average(平均压力)NDP平均净驱动压力是驱动液体通过膜的可用压力。（P进水+P浓水）/2—P透过液—（H浓水—H透过液）Pressuredrop(压降)膜系统、膜壳（压力容器）或膜组件进出口的压力损失进水压力进水泵的压力(标准说法)或在循环系统中进口至膜室的压力渗透压事实上是理论值。渗透压是盐含量和其它小分子量溶质的函数。理论上大分子量组分不产生渗透压，但实际现象却象渗透压。电解液和小分子组分的渗透压可以比较精确地计算，但大分子量组分的“渗透压”只能根据经验来定。渗透压一般写成PI或П，П=I*n*R*T压力单位PSI(磅/平方英寸)：14.5PSI=1barBar:1bar=0.1mPa=100kPaPS(PSO)聚砜(聚醚砜或聚芳香醚砜)PVDF聚偏二氟乙烯Rentate(滞留物)浓液的另一种名称SDSI索引Stiff和David饱和度索引。同Langelier索引，但用于高盐度水。见Langelier索引TFC,TFM复合薄膜的缩写THM三卤甲烷。未说明其化学特性的一些化学组分，同卤素反应如氯生成有机基质，如腐殖酸。它们被认为是致癌物质。TMP传导膜压。见平均压力TSTDS总固体；溶解性和悬浮固体的总和。总溶解性固体。以上值可表示为：mg/l，ppm或%四种膜过程反渗透（RO）是液体/液体分离过程中最可能使用的膜分离过程。原则上水是唯一通过膜4的物质；特别是所有的溶解和悬浮的物质被截留。有时一些开放类型的RO膜和纳滤（NF）膜会产生混淆。真正的纳滤只截留超过一价的负电荷离子，如硫酸盐、磷酸盐,而能通过单价的负离子。根据分子的大小和形状，纳滤也能截留不带电荷、溶解性物质和正电荷离子。纳滤对氯化纳0～50％的截留率主要决定于进水的浓度。而“宽松的反渗透”是一种减少了盐截留率的反渗透膜。由于盐截留率的减少可以降低压力和能耗，因此在有些项目上也是可以被接受的。超滤(UF)是大分子量组分(HMWC)，如蛋白质、悬浮固体被截留，而所有的小分子量组分自由通过膜的过程。因此，单价和二价的糖类、盐、氨基酸、有机物、无机酸或氢氧化纳都不能通过。微滤(MF)过程理论上只有悬浮固体被截留，而其它甚至蛋白质都可以自由通过膜。但是实际情况和理想状态有一定的差距。下表是对以上内容的总结。表二四种膜过程的比较反渗透RO纳滤NF超滤UF微滤MF膜类型非对称膜非对称膜非对称膜对称膜非对称膜厚度薄膜厚度150μm1μm150μm1μm150~250μm1μm10~150μm孔径0,002μm0,002μm0,2~0,02μm4~0,02μm截流组分HMWC，LMWC氯化纳葡萄糖氨基酸HMWC单糖、多糖和多聚糖、多价负离子小分子组分，蛋白质，多糖，病毒颗粒，粘土，细菌膜材质醋酸纤维素(CA),薄膜醋酸纤维素(CA),薄膜陶瓷，聚砜(PSO),聚偏二氟乙烯(PVDF),醋酸纤维素(CA),薄膜陶瓷，聚丙烯(PP),聚偏二氟乙烯(PVDF)膜组件类型管式，卷式,板框式管式，卷式,板框式管式，中空纤维，卷式,板框式管式，中空纤维操作压力bar15~1505~351~1025产品和膜过程许多产品使用膜来处理，但已销售的80％以上的膜用于水的脱盐处理。剩余的部分20.5%被用于乳制品的处理，其余被用于各种液体的处理。其中某些液体属于废弃的产品，而某些则是非常贵重的只要产物。表3列出了一些典型的应用，阴影部分代表主要的产物。注意：透过液和浓水都可以是需要的产物，而可以同时成为产物。表3某些产物的膜过程类型透过液浓水RO染色工艺排水洁净水BOD，盐，化学品，废弃产品纯水低盐水含盐水乳清低BOD透过液乳清浓水NF抗生素含盐废弃物脱盐浓缩抗生素染色工艺排水澄清含盐水BOD/COD，色素纯水软化水废弃物乳清含盐废水脱盐的乳清浓缩液UF抗生素澄清的发酵肉汤废弃物生物废气用于交换的澄清液可循环的微生物胶废弃物浓缩胶酶废弃物高价值产品牛奶乳糖溶液用于奶酪产品的蛋白质浓缩液乳化油含油水(游离油10ppm)高度浓缩的乳化油洗涤废水清水脏水(废弃物)纯水清水废弃物乳清乳糖溶液乳清蛋白浓缩液黄原胶废弃物浓缩黄原胶膜的材料、结构和使用限制膜材料6在商务上由不同供货商提供的膜的选择方案看起来令人迷惑，因为许多材料都可以用来做膜，而它们又有许多商务名称，实际上，真正使用的材质很少，并且大多数销售和使用的膜只是一些很基本的类型。整膜醋酸纤维素(CA)是“最初的”膜，被用作RO、NF和UF应用。这种材料有一些缺陷，特别是针对于pH和温度。CA其主要的优点是低价，以及由于它的亲水性使其不易阻塞污染。如今还有一些“顽固的”用户坚持购买“同样的膜直到最后”，他们坚持使用CA膜是因为它们还可以工作，但实际上CA膜的弱点是它们易被微生物吞噬。聚砜(PSO)自从1975年以来已被广泛应用于UF和MF膜。PSO的主要优点是它良好的耐温和耐pH能力。实际上在食品和乳制品行业中，聚砜是唯一被大量使用的膜材料。原则上，聚砜(PSO)膜不能抗油、油脂、脂肪和两极溶剂。然而，也有一种亲水类型的聚砜膜能违反此原则，在乳化油行业应用良好。聚偏二氟乙烯(PVDF)是一种传统的膜材料，但是它并未被广泛使用，因为它很难使膜具有良好且稳定的分离特性。它的主要优点是其高度的抗碳氢化合物和氧化环境的能力。复合膜也称薄膜复合膜，它一般被缩写为TFC和TFM，被用来代替醋酸纤维RO膜。其主要的优点是同时具有较高的通量和很高的盐截留率，用复合RO膜氯化钠的截留率一般可达99.5%。它们也有好的抗温度和pH的能力，但不能耐氧化环境。复合膜有二层和三层的设计，但所有的都有精确的组分。一般来讲，一种薄膜复合膜由一个PSO(聚砜)膜作为其非常薄的表面层的支撑，在PSO超滤膜的表面层是一种聚合物。而三层设计则在PSO支撑膜的上部有二层薄膜。大约在1980年，FilmTec主导了二层膜设计的市场，并很快成为水脱盐处理的行业标准，直到现在这种类型的膜都占领了水脱盐处理的市场。多年以来膜已有了很大的发展，但基础设计没有改变，如今已有好几家公司制造这种类型的膜。二十世纪八十年代中期，Desal开始进行三层复合膜的设计。在水脱盐处理方面这种膜很难和二层竞争，但在工业分离领域被证明可以工作得更好。三层膜更稳定，更不易阻塞污染。它们一般用于RO和NF，对于处理许多较难的分离过程，也是最佳的选择。Desal是唯一生产三层复合膜的制造商。以下是根据膜的表面积来划分的全世界膜的消耗量。复合RO膜85％复合NF膜3～5％聚砜UF和MF膜5～7％其它膜3～5％“其它膜”包括聚丙烯(PAN)、陶瓷材料(SiO2)和纤维素(水解醋酸纤维素)等。膜材料的选择对于一个给定的分离过程选择合适的膜和膜材料是比较困难的，为了作出合适的选择必须先提供一些有关分离过程环境的概要信息。第一步现确定可取的过程(RO、NF、UF或MF)和适用的膜材料。可以选择对于过程环境最适合的膜材料。表2(四种膜过程的比较)，表3(产品和过程)以及表4(一些膜材料的抗化学品性能)可能对膜的选择有些帮助。7表4一些膜材料的抗化学性能复合膜CAPSOPVDFPANSiO2纤维素3Ph8√√√√√√√Ph3或Ph8√√√√√√温度35℃√╳√√√√√腐殖酸(√)√╳╳(√)╳√蛋白质√(√)√(√)(√)√√多糖(√)√(√)√╳纺织品√√(√)√╳╳脂肪族烃╳╳╳(√)√√√芳香烃╳╳╳√√(√)氧化剂╳(√)√√(√)√(√)酮，酯╳╳√√(√)酒精√╳√√√√√√表示基于理论的信息或在实践应用中有不确定性。除了已经应用的案例外，膜材料的选择是比较困难的，因为可以考虑的往往不止一种材料。按一般原则，对于一个分离过程只有通过良好的计划和成功的试验才能为膜的选择提供最佳方案。PH和温度耐受力在“膜材料”部分已讨论了不同的材料的pH耐受力。当确定一个膜过程的时候，仅仅考虑膜材料是不够的。膜有好多种构型(板框式、管式、卷式等)。同一个膜系统包括许多其它的组