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《超滤在水处理中的应用》

该文是水处理方面论文写作资料范文与超滤和水处理和应用类专升本论文范文.

[摘要]对超滤的应用、原理、操作条件和清洗方法等作了较详尽的阐述,简要说明操作条件和膜清洗的重要性,对可能出现的问题进行了简要探讨.

[关键词]超滤,膜通量,模组污染及清洗

中图分类号：G633.96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0190-01

1.超滤发展概述

1965年美国亚米康（Amicon）公司首先开发出中空纤维式超滤膜.20世纪80年始用于饮用水处理.20世纪90年代后,UF工艺在水处理中得到了迅速发展.Vander Graaf et al.研究采用微滤和超滤进行二级出水的深度处理,主要研究了工作壓力和工作方式对超滤膜的出水水质的影响,K.N.Bourge-ous等人采用超滤来处理生活污水,研究发现直接采用超滤处理,可以去除大部分的悬浮物和有机物,出水可以回用于城市杂用水.

国内对超滤膜的开发始于20世纪70年代初,最初开发的是醋酸纤维素膜管式组件.20世纪80年代至90年代中期先后研制出聚砜卷式超滤组件、聚砜中空纤维超滤组件、聚丙烯睛中空纤维组件、聚氯乙烯中空纤维组件.由于膜的生产技术水平的不断提高,超滤膜的生产成本随之降低,这为UF水处理技术的开发应用奠定了基础.

2.超滤的基本原理

超滤是一种筛孔分离过程,在静压力为推动力的作用下,原料液中溶剂和小溶质粒子从料液侧透过膜到低压侧,一般称为滤出液或者透过液,而大粒子组分被膜所阻拦.超滤主要用于从液相物质中分离大分子化合物,胶体分散质.虽然对水中的微粒、胶体、细菌、热源和各种有机物有较好的去除效果,但几乎不能截留无机离子.其操作静压差一般为0.1～0.5MPa,膜通常为非对称膜,膜孔径为0.001～0.1μm,截留分子量从1000～1000,000,膜表面有效截留厚度较小（0.1～10μm）,操作压力一般为0.1～0.6MPa,膜的透过速率为0.5～5m3/（m2·d）.超滤膜的寿命与膜清洗的频率有关,在使用合理的情况下,一般为1～3年.虽然物理筛分是超滤的重要分离机理,但是其它作用也不能忽略,水中污染物的特性和聚合物膜的化学性质也对膜分离产生很大影响.

3.超滤膜的种类

超滤膜按材质不同可以分为以下几类：

（1）醋酸纤维素膜醋酸纤维素超滤膜是常见的超滤膜,制得的膜具有高透水率,有中等耐氯性,对大多数水溶性组分渗透率相当低,具有很好的成膜性能及膜较牢固等优点.

（2）聚砜超滤膜聚砜分子中的聚砜基团使聚合膜具有优良的抗氧化性和稳定性、pH值为2～12的使用范围和良好的耐热性能（可在0～100℃范围内使用）、酸碱稳定性好,以及较高的抗氧化、抗氯性能而被广泛应用.

（3）聚砜酰胺超滤膜聚砜酰胺学名为聚苯砜二甲酰胺,简称PSA,它具有耐高温（-125℃）,耐酸碱（pH等于2～10.3）,耐有机溶剂等特性,可以对水和非水溶剂兼用,即既可过滤油剂,又可以过滤水剂.

（4）聚丙烯腈聚丙烯腈也是一种很好的超滤膜材料.它不但热稳定性和化学稳定性良好,且有优良的成膜性能.可以完全干燥,不弄湿储存也不会改变其过滤特性.

4.影响超滤膜渗透通量的因素

超滤在操作压力为0.1～0.6MPa,温度为60℃以下时,其渗透通量理论上应在100～500L/（m2·h）的范围内,但实际超滤过程中的透过量一般仅为1～100 L/（m2·h）.影响超滤通量的因素主要有以下几个方面：

（1）料液流速：提高料液流速对防止浓度极化,提高设备处理能力有利.但是增大压力使工艺过程能耗增加,结果导致费用增加,因此需合理改善流动状态,控制浓差极化,可保证超滤组件的高渗透通量.

（2）操作压力：在清洁膜或没有污染的膜,浓差极化可忽略时,渗透通量与压力成正比.随着过滤过程的进行,膜表面形成滤饼层,此时再增加压力,渗透通量的增加将很有限.

（3）回收率：回收率的定义是产品水体积与进料液体积的比值.单位时间内回收率越高,渗透通量也越大,平行膜面的切向流速就会越少.

（4）温度：操作温度主要取决于料液的化学、物理性质和生物稳定性,应在膜设备和处理物质允许的最高温度下进行操作,因为高温可以减少料液的粘度,从而增加传质效率,提高渗透通量.

（5）操作时间：随着超滤过程的进行,浓度极化促使膜表面形成浓缩的凝胶层,使超滤渗透通量下降.其渗透通量随时间的衰减与膜组件的水力特征、料液的性质和膜的特性有关.

5.超滤膜污染及清洗

5.1超滤膜污染

对于超滤过程而言,一旦料液与膜接触,污染就开始了,由于溶质与膜之间的相互作用而产生吸附,开始改变膜特性.由于膜表面和膜孔内的选择透过性造成膜表面浓度高于处理液浓度,膜表面局部溶质浓度增加引起边界层流体阻力增加,导致传质推动力下降而引起通量下降.在进膜水压较小时,膜的初始通量随进膜水压正比增加.当进膜水压力增大到一定程度,初始通量的增加速度减小,导致这一现象的原因是极限通量的存在.膜污染主要有以下3种：

（1）沉淀污染无机离子可以与水中的有机物、颗粒以及胶体发生协同作用从而对膜造成污染,从而促进腐殖质的脱稳,降低胶体表面的电荷,这种综合污染对膜性能的影响极其严重.

（2）吸附污染有机物在膜表面及膜孔内的吸附和累积会导致膜孔径减小,这是影响膜渗透性能的主要因素.胶体物质与溶解性大分子有机物会在膜表面形成滤饼而造成膜污染,溶解性小分子有机物则可吸附在膜孔内部,滤饼阻力与形成的滤饼的渗透性能有关,涉及到滤饼的厚度、孔隙率、可压缩性等.

（3）生物污染进水中粘附力强的微生物将首先附着在膜的表面上,形成膜生物污染的基础,粘附细胞在进水营养物质的供养下成长繁殖,大量的、不同种类的微生物及其代谢产物在膜表面形成生物膜,膜表面生物膜还可以直接或间接降解膜聚合物,使膜寿命缩短,膜结构完整性被破坏,甚至造成重大系统故障.

5.2超滤膜的清洗

针对膜污染产生的原因,采用合适的清洗剂和合理的清洗方法可以很好的清除膜污染,恢复膜通量.为保持一定的超滤速度,并延长膜的使用寿命,对膜组件必须进行定期清洗.

5.2.1物理方法

在超滤前均装有孔径为5～10μm的过滤器,以去除固体悬浮物及胶体.对已污染的膜,可采用下列方法清洗.

（1）水力方法降低操作压力,提高保留液循环量有利于提高通量；采用液流脉冲的形式可以很快将膜污染清除,特别是洗液脉冲同反冲结合起来.

（2）气-液脉冲往膜过滤装置间隙通入高压气体形成气-液脉冲.气体脉冲使膜上的孔道膨胀,从而使污染物能被液体冲走.气体压力一般为0.2～0.5MPa,可以使膜通量恢复到90%以上.

5.2.2化学清洗

当膜污染比较严重,采用物理方法不能使通量恢复时,必须用化学清洗剂进行清洗.化学清洗从本质上讲是沉淀物与清洗剂之间的一个多相反应.化学清洗常用的清洗剂有以下几种：

（1）酸碱液.酸在去除诸如碳酸钙和磷酸钙等钙基垢、氧化铁和金属硫化物方面是有效的.酸洗溶液包括稀盐酸、柠檬酸和稀硝酸.碱洗溶液包括磷酸盐、碳酸盐和氢氧化物.