错流过滤

!试验研究#PE 管式膜错流过滤性能试验研究3刘仁桓1　陈海平1　赵　旭2　王振波1　金有海1(11中国石油大学(华东)　21中国石油抚顺石化公司) 摘要　为了研究PE 管式膜的错流过滤性能,选用PE 管式膜作为过滤元件进行错流过滤试验,测试分析操作参数对错流过滤性能的影响。

试验结果表明:在错流过滤条件下,过滤稳定通量和初始通量都随操作压力的增加而线性增大;悬浮液浓度越大,过滤通量降低速度越快,并且随着浓度的增加,过滤的稳定通量略有下降;随着过滤错流速度的增大,过滤通量下降的速度变慢;过滤稳定通量随错流速度的增大,先迅速增大,在2m /s 左右达到峰值,然后缓慢下降。

关键词　PE 管式膜　操作参数　错流过滤　通量　影响引 言随着近代高科技的发展,膜的开发和研究领域日益拓宽,被认为是20世纪末到21世纪中期最具有发展前途的高技术之一[1-3]。

微孔膜错流过滤能阻止滤饼生成,并控制浓差极化现象,使膜组件有较高的稳定渗透通量和分离效能,是当前应用最为广泛的膜过滤技术。

PE 膜具有过滤精度高、耐腐蚀性能好、再生操作方便等优点,用于硫化氢制氢工艺[4]可从酸性介质中分离硫磺颗粒。

膜过滤的影响因素很多,过滤机理的研究还跟不上工业应用[5]。

为此需要研究各种溶质、溶剂以及各种膜的特性,还要研究它们之间的作用和操作条件的影响。

笔者主要研究PE 管式膜错流过滤、膜错流过滤的性能以及影响因素,为膜组件的优化和过滤机理的分析提供指导。

试　验　装　置试验装置流程如图1所示。

料罐中的悬浮液经搅拌器充分搅拌均匀后,由离心泵吸入,经流量计和管路系统进入过滤器。

由过滤器过滤后,过滤清液经流量计和管路系统返回料罐,浓缩液经管路系统返回料罐,混合后循环试验。

系统压力由014级精密压力表测量,过滤器的进、出口流量分别选用LZ B —25和LZ B —15型转子玻璃流量计测量。

图1　试验装置流程图试验物料采用FCC 平衡催化剂,用CoulterLS230激光粒度仪测得溶质颗粒的平均粒径为1818μm ,颗粒粒度分布见图2。

超滤常用运行模式1、死端过滤当超滤进水悬浮物、浊度和COD 值低，如洁净的地下水、山泉水等水质，或超滤前处理较严格，如有砂滤器、多介质过滤器等过滤，超滤可按照全流/死端过滤模式操作。

此过滤模式与传统过滤相仿，原水进入超滤膜管，100%经过超滤膜过滤自膜管过滤液侧产出。

被超滤膜截流的大分子颗物、胶体等在超滤定时反冲洗、快冲和化学清洗过程中自超滤膜管排出。

2、单通错流过滤一般上当原水中悬浮物和胶体含量较低时可按死端过滤模式来操作。

原水以较低的错流流速进入膜管，浓缩水以一定比例从膜管另一头排出。

产水在膜管过滤液侧产出，运行回收率通常是92-99％，这由原水中微粒的浓度来决定。

3、循环错流过滤当原水中悬浮物含量较高及在大多数非水应用领域，就需要通过减少回收率来保持纤维内部的高错流率，这样就会造成大量的废水。

为了避免浪费，排出的浓水就会被重新加压后回到膜管内，这就称为循环模式。

这会降低膜管的回收率但整个系统的回收率仍旧可以很高。

在循环流程模式，进水连续地在膜表面循环。

循环水的高流速阻止了微粒在膜表面的堆积，并增强了通量。

因为较少的进水成为产水，为了获得相同的产率能耗就会比死端过滤高。

此类模式操作中通常也需要定时的反洗和定期的化学清洗。

具体情况如下图所示：当没有浓水循环的时候，污染物不均衡，主要集中在入口处一端，当反洗的时候，由于堵塞的不均匀，因此，反洗的效果也不均匀。

如上图，当采用浓水循环的时候，中空纤维内的流速非常高，不停地剪切这堆积在膜表面的污染物，使其重新变得不稳定。

这对于前面有絮凝剂投加和胶体物质含量比较高的地表水来讲，异常关键。

循环错流过滤全自动超滤装置系统如下图所示：当水质发生较大变化的时候，只要略微修改计算机和PLC控制程序，便可以实现全自动带浓水循环的错流过滤，从而更能保障超滤装置不会产生较大的压力差和保障膜丝的安全。

错流过滤（cross flow filtration）：在泵的推动下料液平行于膜面流动，与死端过滤（dead-end flow filtration）不同的是料液流经膜面时产生的剪切力把膜面上滞留的颗粒带走，从而使污染层保持在一个较薄的水平。

错流过滤操作较死端过滤复杂，对固含量高于0.5%的料液通常采用错流过滤。

随着错流过滤操作技术的发展，在许多领域有代替死端过滤的趋势。

过滤是一个流体分离的过程。

当流体通过不同孔径的筛板时，固体物质被截留在筛板上，而被分离的产品则流进预先准备好的容器中。

错流过滤系统与传统的过滤机有很大差别，它可避免固形物在滤膜上沉积，由于滤液在系统内的高速循环运动及滤膜两侧的压力不同，滤清液以切线方向溜进预先准备好的容器中，而由于未滤液的高速循环运动，未滤液可将附着在膜上的固形物带走。

错流过滤技术运行无污染、无废硅藻土等助滤剂排放，属环保型过滤技术。

一、错流过滤的基本原理错流过滤的基本原理，是通过循环泵将要过滤的物质在不同孔径的滤膜孔道中做高速循环运动。

在压力的作用下，滤液以切线通过的方式滤出；未滤液由于高速运动而形成湍流，不断冲洗膜棒的内表面，将少量附着在膜上的固形物带走，从而防止了滤膜的阻塞，保持过滤的正常进行。

未滤液不断循环，固形物浓度愈来愈大，当浓度到达一定程度后自动排出，最终达到固液分离的目的。

二、错流过滤系统常用的几种膜1.错流过滤膜所用材料膜材料一般选用塑料、聚丙烯、聚砜、聚醚砜或陶瓷膜。

通常所用的是聚合膜和陶瓷膜。

2.滤膜的种类滤膜根据孔径不同，可分为微孔过滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等。

滤膜根据形状不同，可分为中空纤维膜或毛细管膜、管状膜、螺旋卷式膜等。

3.不同种类的膜可滤除的物质三、错流过滤技术在啤酒工业中的应用错流过滤技术不但可以代替传统的硅藻土过滤机过滤啤酒，还可以从废酵母中回收啤酒。

在啤酒酿造过程中，发酵产生酵母泥的量约占啤酒总量的2%—3%，除留作种酵母参与发酵外，大部分成为废酵母。

超滤的工作原理超滤（Ultrafiltration）技术是一种膜滤法，也有错流过滤（CrossFiltration）之称。

它能从周围含有微粒的介质中分离出10～100A的微粒，这个尺寸范围内的微粒，通常是指液体内的溶质。

其基本原理是在常温下以一定压力和流量，利用不对称微孔结构和半透膜介质，依靠膜两侧的压力差作为推动力，以错流方式进行过滤，使溶剂及小分子物质通过，大分子物质和微粒子如蛋白质、水溶性高聚物、细菌等被滤膜阻留，从而达到分离、分级、纯化、浓缩目的的一种新型膜分离技术。

超滤技术的优缺点与传统分离方法相比，超滤技术具有以下特点：1.2.3.4.和维护。

5.501.2.搅拌式超滤是将超滤装置位于电磁搅拌器之上，超滤容器内放人一支磁棒。

在超滤时向容器内施加压力的同时开动磁力搅拌器，小分子溶质和溶剂分子被排出膜外，大分子向滤膜表面堆积时，被电磁搅拌器分散到溶液中。

这种方法不容易产生浓度极化现象，提高了超滤的速度。

4.中空纤维超滤由于膜板式超滤装置，截留面积有限，中空纤维超滤是在一支空心柱内装有许多的，中空纤维毛细管，两端相通，管的内径一般在0．2mm左右，有效面积可以达到1平方厘米每一根纤维毛细管像一个微型透析袋，极大地增大了渗透的表面积，提高了超滤的速度。

超滤原理空纤维毛细管，两端相通，管的内径一般在0．2mm左右，有效面积可以达到1平方厘米每一根纤维毛细管像一个微型透析袋，极大地增大了渗透的表面积，提高了超滤的速度。

纳米膜表超滤膜也是中空超滤膜的一种。

超滤应用净水器行业是超滤应用比较广泛的一个行业。

家用超滤净水器，是目前市场上主流的净水器产品。

它的核心部件是超滤膜。

超滤超滤（Ultra filtration，UF）也叫错流过滤（Cross Filtration），是一个压力驱动的膜分离过程，它利用多孔材料的拦截能力，将颗粒物质从流体及溶解组份中分离出来。

超滤膜的典型孔径在0.01-0.1微米之间，对于细菌和大多数病毒、胶体、淤泥等具有极高的去除率，从而达到分离、分级、纯化、浓缩目的。

膜的公称孔径越小，去除率越高。

超滤膜通常使用的材料都是高分子聚合物，该过程为常温操作，无相态变化，不产生二次污染，可广泛应用于物质的分离、浓缩、提纯。

超滤过程无相转化，常温操作，对热敏性物质的分离尤为适宜，并具有良好的耐温、耐酸碱和耐氧化性能。

以压力差为推动力的膜过滤可区分为超滤膜过滤、微孔膜过滤和逆渗透膜过滤三类。

它们的区分是根据膜层所能截留的最小粒子尺寸或分子量大小。

以膜的额定孔径范围作为区分标准时，则微孔膜(MF)的额定孔径范围为0.02～10μm；超滤膜(UF)为0.001～0.02μm；逆渗透膜(RO)为0.0001～0.001μm。

由此可知，超滤膜最适于处理溶液中溶质的分离和增浓，或采用其他分离技术所难以完成的胶状悬浮液的分离。

超滤膜的制膜技术，即获得预期尺寸和窄分布微孔的技术是极其重要的。

孔的控制因素较多，如根据制膜时溶液的种类和浓度、蒸发及凝聚条件等不同可得到不同孔径及孔径分布的超滤膜。

超滤膜一般为高分子分离膜，用作超滤膜的高分子材料主要有纤维素衍生物、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺及聚碳酸酯等。

超滤膜可被做成平面膜、卷式膜、管式膜或中空纤维膜等形式，广泛用于如医药工业、食品工业、环境工程等。

超滤技术是近年来依托于材料科学发展起来的先进的膜分离技术，已广泛地应用到工业及民用的各个领域。

超滤的工作原理超滤膜筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的净化、分离和浓缩的目的。

一、实验目的1. 了解错流过滤的原理和操作方法；2. 掌握错流过滤在液体分离中的应用；3. 通过实验验证错流过滤的效率及影响因素。

二、实验原理错流过滤是一种动态过滤方式，其原理是在膜表面形成两个分力：一个是垂直于膜面的法向力，使水分子透过膜面；另一个是平行于膜面的切向力，将膜面上的截留物冲刷掉。

在错流过滤过程中，原料液在膜管内高速流动，在压力驱动下，含小分子组分的澄清渗透液沿与之垂直方向向外透过膜，含大分子组分的混浊浓缩液被膜截留，从而实现流体分离、浓缩、纯化。

三、实验仪器与材料1. 错流过滤装置：膜组件、蠕动泵、秒表、压力表、量筒等；2. 原料液：浊度较高的水样；3. 膜材料：微滤膜、超滤膜等；4. 清洗液：去离子水、酸碱溶液等。

四、实验步骤1. 将膜组件安装到错流过滤装置上，确保连接紧密；2. 将浊度较高的水样加入原料液容器中；3. 开启蠕动泵，使水样在膜组件内高速流动；4. 调节压力表，使膜组件两端产生一定压差；5. 观察膜组件进出口的压力变化，记录数据；6. 定时取样，分析透过液和浓缩液的浊度；7. 实验结束后，清洗膜组件，清除污染物。

五、实验结果与分析1. 在错流过滤过程中，透过液的浊度逐渐降低，浓缩液的浊度逐渐升高，说明错流过滤对浊度有较好的去除效果；2. 随着过滤时间的延长，透过液的浊度变化趋于稳定，说明错流过滤的效率相对稳定；3. 在相同条件下，不同孔径的膜材料对浊度的去除效果不同，孔径越小，去除效果越好；4. 膜表面污染是影响错流过滤效率的主要因素，可通过反冲洗等方法清除污染物，提高过滤效率。

六、实验结论1. 错流过滤是一种有效的液体分离方法，适用于浊度较高的水样处理；2. 膜材料的孔径、操作条件等因素对错流过滤效率有显著影响；3. 清洗膜表面是提高错流过滤效率的重要手段。

七、实验建议1. 在实验过程中，注意调节压力，避免膜组件损坏；2. 定期清洗膜组件，清除污染物，提高过滤效率；3. 选择合适的膜材料，根据实际需求进行实验优化。

超滤原理和优缺点超滤原理超滤(Ultrafiltration)技术是一种膜滤法，也有错流过滤(Cross Filtration)之称。

它能从周围含有微粒的介质中分离出10～100A的微粒，这个尺寸范围内的微粒，通常是指液体内的溶质。

其基本原理是在常温下以一定压力和流量，利用不对称微孔结构和半透膜介质，依靠膜两侧的压力差作为推动力，以错流方式进行过滤，使溶剂及小分子物质通过，大分子物质和微粒子如蛋白质、水溶性高聚物、细菌等被滤膜阻留，从而达到分离、分级、纯化、浓缩目的的一种新型膜分离技术。

超滤技术的优缺点与传统分离方法相比，超滤技术具有以下特点：1. 滤过程是在常温下进行，条件温和无成分破坏，因而特别适宜对热敏感的物质，如药物、酶、果汁等的分离、分级、浓缩与富集。

2. 滤过程不发生相变化，无需加热，能耗低，无需添加化学试剂，无污染，是一种节能环保的分离技术。

3. 超滤技术分离效率高，对稀溶液中的微量成分的回收、低浓度溶液的浓缩均非常有效。

4. 超滤过程仅采用压力作为膜分离的动力，因此分离装置简单、流程短、操作简便、易于控制和维护。

5. 超滤法也有一定的局限性，它不能直接得到干粉制剂。

对于蛋白质溶液，一般只能得到10～50％的浓度。

超滤装置是在一个密闭的容器中进行，以压缩空气为动力，推动容器内的活塞前进，使样液形成内压，容器底部设有坚固的膜板。

小于膜板孔径直径的小分子，受压力的作用被挤出膜板外，大分子被截留在膜板之上。

超滤开始时，由于溶质分子均匀地分布在溶液中，超滤的速度比较快。

但是，随着小分子的不断排出，大分子被截留堆积在膜表面，浓度越来越高，自下而上形成浓度梯度，这日才超滤速度就会逐渐减慢，这种现象称为浓度极化现象。

为了克服浓度极化现象，增加流速，设计了几种超滤装置：1. 无搅拌式超滤这种装置比较简单，只是在密闭的容器中施加一定压力，使小分子和溶剂分子挤压出膜外，无搅拌装置浓度极化较为严重，只适合于浓度较稀的小量超滤。

超滤的工作原理超滤（ Ultrafiltration）技术是一种膜滤法，也有错流过滤（Cross Filtration）之称。

它能从四周含有微粒的介质中分别出10～100A的微粒，这个尺寸范围内的微粒，往常是指液体内的溶质。

其基来源理是在常温下以必定压力和流量，利用不对称微孔构造和半透膜介质，依赖膜双侧的压力差作为推进力，以错流方式进行过滤，使溶剂及小分子物质经过，大分子物质和微粒子如蛋白质、水溶性高聚物、细菌等被滤膜阻留，进而达到分别、分级、纯化、浓缩目的的一种新式膜分离技术。

超滤技术的优弊端与传统分别方法对比，超滤技术拥有以下特色：1.滤过程是在常温下进行，条件平和无成分破坏，因此特别适合对热敏感的物质，如药物、酶、果汁等的分别、分级、浓缩与富集。

2.滤过程不发生相变化，无需加热，能耗低，无需增添化学试剂，无污染，是一种节能环保的分别技术。

3.超滤技术分别效率高，对稀溶液中的微量成分的回收、低浓度溶液的浓缩均特别有效。

4.超滤过程仅采纳压力作为膜分别的动力，所以分别装置简单、流程短、操作简易、易于控制和保护。

5.超滤法也有必定的限制性，它不可以直接获取干粉制剂。

关于蛋白质溶液，一般只好获取10～50％的浓度。

超滤装置是在一个密闭的容器中进行，以压缩空气为动力，推进容器内的活塞行进，使样液形成内压，容器底部设有坚固的膜板。

小于膜板孔径直径的小分子，受压力的作用被挤出膜板外，大分子被截留在膜板之上。

超滤开始时，因为溶质分子平均地散布在溶液中，超滤的速度比较快。

但是，跟着小分子的不停排出，大分子被截留聚积在膜表面，浓度愈来愈高，自下而上形成浓度梯度，这天才超滤速度就会渐渐减慢，这类现象称为浓度极化现象。

为了战胜浓度极化现象，增添流速，设计了几种超滤装置：1.无搅拌式超滤这类装置比较简单，不过在密闭的容器中施加必定压力，使小分子和溶剂分子挤压出膜外，无搅拌装置浓度极化较为严重，只合适于浓度较稀的小量超滤。