超滤原理(2009-02-21 15:18:08)超滤技术是通过膜表面的微孔结构对物质进行选择性分离。
当液体混合物在一定压力下流经膜表面时，小分子溶质透过膜（称为超滤液），而大分子物质则被截留，使原液中大分子浓度逐渐提高（称为浓缩液），从而实现大、小分子的分离、浓缩、净化的目的。
中空纤维超滤膜组件具有装填密度大、结构简单、操作方便等特点，分离过程为常温操作，无相态变化，节省能源，并且不产生二次污染。
膜装置有微电脑自动控制型和一般手动控制型，可采用正向清洗与反向清洗两次方式，也可以在线清洗。
一、超滤工作原理利用膜表面孔径机械筛分作用，膜孔阻塞、阻滞作用和膜表面及膜孔对杂质的吸附作用，去除废水中的大分子物质和微粒。
一般认为主要是筛分作用。
在外力的作用下，被分离的溶液以一定的流速沿着超滤膜表面流动，溶液中的溶剂和低分子量物质、无机离子，从高压侧透过超滤膜进人低压侧，并作为滤液而排出；而溶液中高分子物质、胶体微粒及微生物等被超滤膜截留，溶液被浓缩并以浓缩液形式排出。
二、超滤膜和膜组件1.超滤膜：常用的有，醋酸纤维素膜和聚砜膜2.超滤的膜组件（同反渗透组件）：分为，板式、管式、卷式和中空纤维组件。
三、超滤的浓差极化1.概念：溶液在膜的高压侧，由于溶剂和低分子物质不断透过超滤膜，结果在膜表面溶质（或大分子物质）的浓度不断上升，产生膜表面浓度与主体流浓度的浓度差，这种现象称为膜的浓差极化。
2.影响：发生浓差极化时，由于高分子物质和胶体物质在膜表面截留会形成一个凝胶层。
有凝胶层时，超滤的阻力增加，因为除了膜阻力外，又有凝胶层的阻力，在给定的压力下，凝胶层势必影响水透过超滤膜的通量。
3.减缓措施：一是提高料液的流速，控制料液的流动状态，使其处于紊流状态，让膜面处的液体与主流更好地混合；二是对膜面不断地进行清洗，消除已形成的凝胶层。
四、超滤的影响因素料液流速、操作压力、温度、运行周期、进料浓度、料液的预处理、膜的清洗网址:业水, 废水超滤中空纤维产品应用手册美国Koch 科氏滤膜系统公司目录一, 美国Koch 科氏滤膜系统公司介绍二,关于此手册三,水超滤术语四,水应用超滤基础1, 膜分离过程分类介绍2, 膜结构的分类3, 应用4, 超滤流程5, 系统回收率6, 超滤在系统中的配置7, 超滤清洗程序8, 超滤作为前处理的优势五,KOCH 工业水中空超滤膜管产品介绍1,KOCH 膜管命名2,去除效果3,KOCH 超滤水处理应用4,TARGATM工业水处理8"/10"中空纤维膜组件参数及操作条件5,KOCH 常用中空膜管膜面积6,膜架7,KOCH 中空超滤膜管前处理应用导则(8" 和10" 膜管)8,KOCH 中空超滤膜管温度与通量校正曲线六,KOCH 中空超滤系统操作程序实例七,实例分析及研讨资料八,附录1,各类中空膜管尺寸图2,系统流程图3,膜架尺寸图4,大系统设备布置图5,系统照片一, 美国Koch 科氏滤膜系统公司介绍美国Koch 科氏滤膜系统公司(Koch Membrane Systems Inc., 简称: KMS) 是美国最大的私人企业科氏工业集团(Koch Industry Inc.) 的全资子公司,科氏工业集团年营业额超过500 亿美元.Koch 滤膜公司是全球最大的错流滤膜生产商,能够提供从微滤,超滤,纳滤和反渗透等所有过滤精度的错流膜过滤产品及系统,膜件的结构形式包括中空纤维式,卷式,管式三种.Koch 滤膜公司在Abcor 公司基础上建立,已拥有超过40 年的滤膜制造和应用经验,尤其在近十几年内,Koch 滤膜公司先后收购了世界上几大最具影响力的滤膜产品公司,而真正成为膜分离领域具有最完善产品链的先锋厂商.Koch 公司在1963 年Abcor 公司基础上建立,1985 正式更名为Koch Membrane Systems Inc. Abcor 于1975 年在美国发明了卷式超滤膜.Koch 于1991 年收购美国Romicon 公司--世界上中空纤维膜的发明者. Romicon 公司于1973 年发明了中空纤维超滤膜.Romicon 中空纤维膜具有比其他同类产品更强的抗污染性和更长的寿命.Koch 于1997 年收购以色列MPW 公司的SelRO 生产线.犹太科学家于70 年代在以色列发明了世界最早的纳滤膜,取名为SelRO(Selective RO).至今尚未有任何其它专业厂商能够生产出类似于SelRO 系列产品能够耐强酸,强碱及有机溶剂的超滤,纳滤有机膜产品.Koch 于1998 年收购了美国Fluid Systems 流体公司世界上反渗透膜的发明者.流体公司于1977 年发明的卷式TFC 复合膜已经成为现在水处理脱盐行业的标准.流体反渗透产品以极高的脱盐率,同类产品中最低的运行压力和长久的使用寿命闻名于世.流体反渗透产品更因其卓越的抗污染性能,而广泛用于各类废水处理项目中.流体独有的8" 直径60"长度(1.5 米)膜组件使得大规模RO 系统的安装变得容易,并因大为减少的密封点而使系统整体脱盐率和一次试车成功的几率大为提高.而近年开发的17″直径60″长度的反渗透膜组件已是大规模系统的另一经济,可靠选择.当今,Koch 滤膜系统公司拥有世界上最完善的研发设备和先进的膜生产,检测系统,汇集了来自美国,以色列,中国和日本等国众多顶尖科学家.美国科氏滤膜公司高品质的过滤膜组件和系统科氏滤膜公司提供不同结构,主要有管式, 卷式和中空纤维;不同材质,PS,PVDF,PAN,PES 等;不同过滤精度,从微滤,超滤,纳滤到反渗透最全面的分离级别和不同应用标准的膜分离过滤产品为您提供了广阔空间,以及一站购齐式(One Stop)的服务.Koch 的产品广泛应用于医药/生化技术,废水,工业/民用/饮用水,电泳涂装,乳制品,食品,饮料等各个行业.此外,我们还提供上百种与这些产品匹配的各类化学清洗剂及阻垢剂.Koch 滤膜公司的产品已经广泛地应用于中国各大行业的领先企业中,其对滤膜产品品质与稳定性的要求也是最严格的,如秦山核电站补给水超滤系统;国内最大的冶金系统废水回用太原钢铁厂22368 吨/天反渗透系统;上海宝钢,鞍山钢铁,本溪钢铁的乳化油废水的超滤浓缩系统;上海大众,通用,广州本田,长安福特,一汽大众,金杯等国内90%以上汽车整车生产厂家的电泳漆超滤系统;上海大众,无锡托灵顿,广州机场等的高含油及杂质的废水超滤处理系统;鲁抗,华北制药,南宁OnlyTime,丰原生化,升华拜克等医药,抗生素生产厂家的耐强酸,碱,溶剂超滤,纳滤系统;上海万德,天成,科华等国内主要染料厂的染料脱盐纳滤系统,国内70%以上果汁生产厂家的超滤澄清系统. Koch 的膜产品已成为国内先进生产科技的代表.公司致力于:1. 为客户提供包括整套系统,膜组件,化学药剂和技术支持的一站式服务,以在竞争中处于主导地位.2. 帮助客户用最新最先进的膜产品和膜化学分离技术解决问题.公司定位于水处理及各类特种膜应用行业的一个技术领先者,而不是一个Me Too(我也能)的公司. 最为重要的,我们需要您的支持.Koch 滤膜公司的总部及微滤,超滤,纳滤产品工厂位于美国东部的麻省,反渗透产品工厂位于美国西部的加州.欢迎浏览我们的网站: 3.中国办事处中国上海浦东张扬路188 号汤臣中心A 座#24-12电话:86-21-58407426/27传真:86-21-58407752美国总部Koch Membrane Systems, Inc.850 Main Street ,Wilmington, MA 01887-3388Tel: (978) 657-4250 ; (800) 343-0499Fax: (978) 657-5208反渗透膜工厂100054 Old Grove Road,San Diego, CA 92131Tel: (619) 695-3840Fax: (619) 695-2176二,KOCH 中空纤维超滤关于此手册作为世界上在工业水包括废水和纯水应用方面超滤膜产品的领先者,科氏滤膜公司(KOCH Membrane Systems Inc.) 准备了这本手册作为超滤产品选择和超滤系统设计的依据.Romicon 在1973 年为水净化引进了新概念:中空纤维超滤.此发明使得超滤在大规模水处理方面的应用变的可能和经济.Romicon 中空纤维膜由不对称的人造聚合物制成,内表面是一层极薄的超滤膜,这种独特的性能使得滤膜纤维能自我支撑并允许反洗.Romicon 公司在1991 年成为KOCH 科氏滤膜的一员,主要产品是3″和5″口径的中空超滤膜.KOCH 在90 年代中研究开发出了8″口径的中空超滤膜TARGA 系列,专业于超滤和微滤.KOCH 于近年研究开发出了10″口径的中空超滤膜件.KOCH 生产的3″-10″中空纤维产品广泛应用于医药,电子,瓶装水,发电厂和其他工业水领域.KOCH 公司承诺为工业水生产提供最高质量的膜产品.我们致力于为工程公司和用户提供技术咨询,设计导则和客户支持,我们欢迎为改进我们的产品提供建议.这份手册包括了由KOCH 的流程和设备工程组发展出来的作为流程和工程设计的指导依据.此文件仅作资料参考, 手册中的材料未经科氏滤膜公司准许不得翻录.三,水超滤术语定义不对称膜Anisotropic Membrane平均透膜压Average TransmembranePressure反洗Backflush浓缩或排放液Concentrate or Reject浓差极化Concentration Polarization压力差Differential Pressure原水Feed通量(透水率)Flux正流Forward Flow交错流Reversal Flow透过液,产水Permeate回收率Recovery一种人工合成聚合中空纤维由一层很紧,很薄内膜及自我支撑的海绵状外层结构.这层内膜结构.这层内膜起着半透水超滤膜的作用.产水侧和原水进出口压力平均值的差异,平均透膜压=(P 进+P 出)/2-P 产水从中空纤维外侧把透过液质量的水输向内侧.因为水被从反方向透过纤维,从而松解并冲走了膜表面的污物.注意:在此过程中纤维膜内侧无压力.原水中不能透过膜的那部分,它包含了比原水浓度高的颗粒,胶体,细菌,和热原体.引起被排斥的悬浮物在膜表面聚集的现象.在一次过的死端超滤过程中,原水浓度通常不高,所以浓度极化通常不影响透水率.纤维内的高剪力也能降低极化.纤维膜管进出口压力差.压力差PD=P 进-P 出进入超滤的水,然后分为产水及浓缩液.产水透过膜的流率,通常表达为每天每平方英寸膜面积产多少加仑的水(gfd), gfd = lmh x 0.59排放液的循环流动方向,对垂直安装的膜管常指向上运动.透过滤膜的那部分水,基本上无胶体,颗粒和微生物.产水占总原水的百分比.%回收率=产水/原水×100液体交错进入膜管内. 水从上进液管进入膜管内, 过一段时间后改成从下进入,这样交错变化以改进膜内流动条件.四, 水应用超滤基础1,膜分离过程分类介绍滤膜法液体分离技术从分离精度上划分,一般可分为四类:微滤(MF),超滤(UF),纳滤(NF)和反渗透(RO), 它们的过滤精度按照以上顺序越来越高.<微滤> 能截留0.1-1 微米之间的颗粒.微滤膜允许大分子和溶解性固体(无机盐)等通过,但会截留住悬浮物,细菌,及大分子量胶体等物质.微滤膜的运行压力一般为0.7bar.<超滤> 能截留0.002-0.1 微米之间的大分子物质和杂质.微滤膜允许小分子物质和溶解性固体(无机盐)等的通过,同时将截留下胶体,蛋白质,微生物和大分子有机物,用于表示超滤膜孔径大小的切割分子量范围一般在1,000-500,000 之间,超滤膜的运行压力一般为1-7bar.<纳滤> 能截留纳米级(0.001 微米)的物质.纳滤膜的操作区间介于超滤和反渗透之间,其截留有机物质的分子量约为200-800MW 左右,截留溶解盐类的能力为20%- 98%之间,对可溶性单价阴离子盐的去除率低于高价阴离子盐,如对氯化钠及氯化钙的去除率为20%-80%,而对硫酸镁和硫酸钠的去除率为90%-98%.纳滤一般用于去除地表水中的有机物和色素,地下水中的硬度及镭,且部分去除溶解盐,食品和医药生产中有用物质的提取,浓缩.纳滤膜的运行压力压力一般为3.5-30bar.<反渗透> 是最精细的一种膜分离产品,其能有效截留所有溶解盐份及分子量大于100 的有机物,同时允许水分子通过.醋酸纤维类反渗透膜脱盐率一般大于95%,反渗透复合膜脱盐率一般大于98%.反渗透膜广泛应用于海水及苦咸水淡化,锅炉补给水,工业纯水及电子级高纯水制备,饮用纯净水生产,废水处理和特种分离等过程.在离子交换前使用反渗透可达幅度降低操作费用和废水排放量.反渗透纳滤膜的运行压力一般介于苦咸水的12bar 到海水的70bar.2,膜结构的分类主要有四大类:1. 中空纤维2. 管式3. 平板膜4. 卷式历史上第一类超滤膜是板式膜,因为难于保证膜表面适当的流速及复杂的密封问题,这类膜的应用非常有限.前处理要求不严格.卷式膜利用板式膜作为起点,因为卷式膜的格网带来死点及无法反洗,通常不适用于工业原水处理.它们适用于高温,高压物料分离或物料稳定的其他应用,前处理要求最严格.管式膜不适用于普通水处理因为能耗较大.它们适用于高固物浓度的流体,前处理要求最不严格.中空纤维膜因其压力低,通道无死点,通量高及能反洗的优势而在水处理中得以广泛的3,应用当原水供应越来越紧张的同时,工业上对高品质水的需要却持续上升,医药电子和高分子生产工业需要高质量的水.高效生产电能的现代高压蒸汽系统的核电站也需要高质量水.中空纤维超滤膜技术展示了提供这类水的能力,来去除高分子有机物,菌类,微粒,热原体和各类硅,铁和铝的胶体,中空纤维提供了大面积及反洗的性能来达到连续,稳定的出水.医药及高密度电子工业需要去除几乎所有的悬浮物和溶盐.超滤加上去离子系统提供了比传统膜芯过滤更彻底及经济的去胶体,颗粒和菌类能力.当用于反渗透/离子交换系统的精炼段时,超滤提供了最终的细菌和颗粒控制手段.位于补充水段的反渗透系统并不能常常做到这步,并常常由储罐从精炼中分出.4,超滤流程4.1,概述超滤是一种流体切向流动和压力驱动的过滤过程并按分子量大小来分离颗粒.超滤膜的孔径大约在0.002 至0.1 微米范围内(MWCO 约为1,000-500,000).溶解物质和比膜孔径小的物质将能作为透过液透过膜滤,不能透过滤膜的物质被慢慢浓缩于排放液中.因此产水(透过液)将含有水,离子,和小分子量物质,而胶体物质,颗粒,细菌,病毒和原生动物将被膜去除.超滤膜可反复使用并可用普通的清洗剂清洗.通过超滤处理水可获得:从医药和工业用水中几乎去除所有的颗粒,悬浮物,细菌,病毒和原生动物.去除胶体物质(非活性硅,铁,铝,等)去除高分子量有机物.KOCH 超滤中空纤维截面图料液进出口的压力差将将决定流体沿膜表面的流体情况.此外,进料液的一部分将透过滤膜,这部分这部分被称为产水或透过液.料液侧和产水侧的压力差直接影响产水的产率.4.2,膜操作性能控制因素透膜压力,流速,温度,颗粒浓度,前处理条件,料液污染特征,料液生物活性,工厂操作超滤膜是一种很薄的聚合材料,由聚砜PS,由聚醚砜PES, PVDF 或是聚丙烯(PAN)制成并带有非对称的微孔结构.这意味着滤膜在整个材质上的孔径结构并不相同.不对称超滤膜拥有一层极光滑及薄(0.1 微米)的孔径在0.002 到0.1 微米间的内表面,此内表面由孔径大到15 微米的海绵体支撑结构支撑. 这种小孔径光滑膜表面和较大孔径支撑材料的结合使得过滤微小颗粒的流动阻力很小. Feed SideFeed SidePermeate Side传统滤芯过滤不对称超滤膜过滤MEMBRANE SURFACEFEED FLOW PRESSUREFOULINGLAYERKOCH 超滤是一个错流和切向流的过程,要过滤的流体(进料液)沿膜表面流动.这样在中空纤维的内壁上形成流体剪切的条件,而使得污染物较难在膜表面形成.在料液中的悬浮物将被浓缩并被作为排放液排出.这种切向流动的流程技术使得颗粒难于在膜表面堆积,使的膜在清洗周期间获得长久的生产力.超滤膜膜表面进液压力污层4.3,流程模式KOCH 中空纤维膜可按死端过滤(once-through or dead-end)或循环(recirculating) 模式来操作.5,系统回收率超滤系统的回收率和原水和排水成比例,回收率可定义为:%回收率=产水×100/进水总的来说,大多水应用的回收率高于90%,可高于99%甚至更高.回收率由原水中的悬浮物,胶体或微生物来决定.F e ed W ate r(fe ed o r lin ep re ssure)R e je ct(1 -1 0 % o f fe e d)P ro du ct W a te r(90 -9 9% o f fe ed )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.原水从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,水回收率通常是90-99%,这由原水中微粒的浓度来决定.循环或死端过滤流程的选择是根据水质,纤维内径,和系统成本核算来决定.和循环模式相比,死端过滤的系统投资和操作成本低,但回收率和系统的出水能力可能会受限制.这类模式生产中通常需要定时快冲及反洗来维持生产力,当污物积累到一定程度未能由这两种方法清楚时就需要定期化学清洗来恢复.很多工业水系统按死端过滤模式设计.F e e dW a te rR e je c t(1 -1 0 % o f fe e d )P ro d u c tW a te r(9 0 -9 9 %R e c o v e ry当原水中悬浮物含量较高及在大多数非水应用领域, 就需要通过减少回流率来保持纤维内部的高流率.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(输入并循环)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,进水连续的在膜表面循环.循环水的高流速阻止了微粒在膜表面的堆积,并增强了透水率.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.而且输入并循环操作模式也较为复杂,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.循环设计时每套系统需要配一套循环泵.KOCH 将会根据我们的经验来给你的决定提供帮助. 死端过滤模式循环过滤模式原水产品水浓水浓水原水产品水在正常的过虑过程中回收率会随着膜的污化而下降.因为较少的水透过膜而更多的水被排放.为了获得最大的回收率,就需要定期的膜清洗和或反洗等.在大多应用中,浓水一般被排放,因为浓水和原水及产水相比量很小.在一些水的排放受限制的应用中,浓水可能用另外一套膜系统来再处理,这个第二套系统一般设计为处理较高截留物浓度的水质.6,超滤在系统中的配置超滤系统可被置于整个水处理系统的不同位置,主要应用可分为四大类:6.1,前处理Pretreatment前处理的应用中,超滤前可加絮凝,沙滤,多介质过滤或滤芯.任何在超滤系统前去除的物质将增加超滤的生产率.超滤用于去除原水中所有的固物和胶体以改善后面设备的运行.这通常使滤膜需要较频繁的清洗.成本回收计算需建立在系统后设备减少的维护上,而这个值较难衡量.但数据显示超滤减少去离子床的再生和反渗透膜件的更换.清洗和生产中的交错流很重要.有时系统需要用循环模式保持高流速来减少污染.推荐的膜型为10 万分子切割量.6.2,离子交换设备后Post DI让超滤发挥去除胶体和固物的作用的另一方式是把它放在离子交换后面,为了设备良好运行离子交换前需预处理,并且它也被当作填料滤器而去除有机物.所有这些都改善了进超滤的水质并减少了超滤的污染,系统不必像前处理那样频繁清洗.通常这类系统按正常生产模式来生产和处理.反流/快冲不需要.当有机物水平较高时就需要这类选择.通常选用10 万分子切割量,对低TOC 的锅炉给水或类似去离子系统,应选用1 万分子切割量.如用户用于去热原体,那么也应选用1 万分子切割量.6.3,反渗透/离子交换后Post RO/DI如超滤放在反渗透和混床后,透水率就会较高,清洗频率也会比前两种应用低.这类系统化学清洗频率较低,通常当系统压力降到一个不能接受的范围或产水中发现菌类时才需要清洗.快冲清洗必须包括.但系统设计中在是否需要包含反清洗有很多争论.当所有设备(包括储罐,泵,混床反渗透系统等)超滤前的系统操作良好,反洗就可被省去.但将近15%-20%操作中的系统在省去这一步骤后出现的问题.供应商所保证的产能将会由于前面设备的缺陷如反渗透系统的问题而未能达到.我们建议使用1 万分子切割量于这类应用,但这类系统不允许化学消毒时,KOCH 能提供一种能用于95℃热水消毒的膜.6.4,使用点Point of Use超滤系统也可放在使用点(POU).此应用仅限于电子及医药行业.这些系统不太复杂,一般不连续操作,在工厂内可安装多处.每套配上独立的清洗系统不经济,通常共享一套可移动的清洗系统,或把膜管移到其他地方清洗.前者的优点是连接不用打开从而避免可能的空气中微粒或菌类的污染.但如超滤是用于净室那么移动清洗装置就不可行,因为这可能对净室带来污物.如在其他地方清洗,膜管中可加入杀菌剂并在安装时清洗掉. KOCH 推荐的膜类为1 万分子切割量.清洗的频率和安装的地方将决定那种清洗方法更方便,其他地方或移动式.如使用点的超滤位于离子交换后,那么就需要一天一次的快冲和每周一次的化学清洗,而如在反渗透/离子交换后,就只需每周一次的快冲.人们常犯的错是假设所有使用的超滤状就会相同,这是不对的.重复一遍,它仍旧由前面的设备来决定.7,超滤清洗程序清洗是几种清洗模式并包括至少一次加药的组合.通常包括反洗,快冲及化学清洗.这些步骤的组合由应用情况的不同来决定.在预处理的应用上有最大的不确定性.7.1,反洗程序这是中空超滤所特有的非常有效的手段.其他型式的膜在反洗时会脱层或分解.在此程序中加压的透过液从产水口透过膜支持,膜体而进入原水进/出口,如图示,水流方向与生产时相反,固称为反洗.上下原水口可交错排液.超滤产水水质的水可用于反洗.由反洗水带进的悬浮物将会聚集在支撑结构内而随后不断释放出颗粒,细菌及TOC 等,故原水不适合作反洗水.另一个重要的参数是压降.在此程序中,进程压力不应超过1.0bar.在此压力下,反洗流率开始时较低而随着膜的清洁而慢慢升高.反洗流率一般和产水率相同或较高.生产循环--快冲反洗ProcessOutProcessInRecycle -- Fast Flush BackflushingUltrafiltration。
