CN102145257A - 用于过滤膜组件的清洗方法 - Google Patents

Abstract

一种用于过滤膜组件的清洗方法，通过在膜的两侧分别施加0.15MPa-0.5MPa且流速为1L/min-10L/min的高压气体和10℃～50℃且流量为100mL/min～1000mL/min的清洗液，清洗液在压力作用下透过膜孔，同时带走附着在膜孔壁的各类污染物进入另一侧，被另一侧的高压气体打成局部可达10m/s的小液滴，产生的巨大局部剪切力连续冲击膜的表面，对膜表面上附着的各类污染物进行撞击和冲刷，使之松动脱离，达到有效的清洗作用。本发明充分利用特定的气-液混合相流，有效恢复膜原有的分离功能，极大延长膜的使用寿命，具有高效、节能、环保的特点。

Description

用于过滤膜组件的清洗方法

技术领域

本发明涉及的是一种适用于过滤膜组件的清洗方法，即通过气液混合相湍流对膜表面及膜孔内的各类污染物进行清洗，恢复膜性能的方法。

背景技术

膜分离是一种耗能少，效率高的纯物理性分离方法，是一种绿色、节能、环保的分离技术。它利用具有选择透过能力的薄膜做分离介质，膜壁密布微孔。原液在一定压力下通过膜的一侧，溶剂及小分子溶质透过膜壁为滤过液，而较大分子的溶质被膜截留，从而达到物质分离及浓缩的目的。随着技术的发展及新型膜材料的出现，膜分离技术已被成功地应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。但是，膜组件在长期运行以后，无机物、有机物、细菌、生物膜等截留物不可避免地会在膜表面形成污物层或膜孔被污染物堵塞。过度的膜污染将会使膜分离性能下降，甚至丧失膜系统应有的分离功能，直接成为阻碍膜分离技术更广泛应用的最大障碍之一。为了延长膜的有效操作时间及使用寿命，更好地发挥其性能，对膜污染进行有效控制以及对污染的膜进行清洗是非常有必要的。简单有效的清洗方法是防止和解决膜污染的重要途径。一定意义上讲，膜组件的寿命取决于清洗的有效程度。

通常采用的清洗方法可分为物理方法和化学方法。

物理方法是利用水或者空气和水的混合流体以较低压力与较大流量对膜表面(正洗)及膜孔(反洗)形成高速径流，以破坏尚未牢固的各类垢层。膜系统在正常运行过程中，定时执行水力冲洗工艺，对于减弱与缓解膜污染起着重要的作用。但是单纯的水力冲洗仅在污染发生的初期效果明显，而且不能持久。

当水力冲洗工艺不足以恢复膜系统性能时，采用化学药剂的清洗工艺则成为必要手段。一般而言，清除有机物用碱、清除无机物用酸，而清除微生物用氧化剂，现多采取各种药液轮流清洗的方式。化学清洗的径流形式与水力冲洗基本一致，但清洗液流量的作用趋弱，而药剂种类、药液浓度、洗液温度、清洗时间、浸泡时间等因素上升为主导地位。当膜污染严重时，酸、碱及氧化剂等的轮流反复清洗也成为有效手段。化学清洗与物理清洗的根本区别：一是化学药剂的使用；二是清洗对象的明确。在对陌生系统清洗前，一般需要进行给水水质检验，有时需要打开膜容器检查元件表面残留的污染物，必要时甚至解剖部分膜元件以化验膜表层污染物成分。有效的化学清洗问题建立在了解污染物化学成分基础之上。

单纯的物理清洗具有局限性，而化学清洗引入了大量的酸和/或碱溶液，清洗完成后的清洗液回收较为困难，往往当成废液直接排放，从而对环境造成二次污染。另一方面，如果膜组件的污染情况比较严重，即使采用合适的酸和/或碱溶液，膜孔表面、尤其是膜孔内的污染物也可能无法有效的去除。综上所述，需要寻求一种对受污染膜组件更为有效的清洗方法。

经过对现有技术的检索发现，近年曾报道了其它一些方法，如“张国俊，刘忠洲，《膜过程膜污染清洗的研究进展》(2003)”提到了脉冲电场膜清洗和超声波清洗。但前者更多的是用在荷电膜上，而且电能消耗高，存在电极腐蚀等缺点。超声波利用了机械波的物理冲击作用，极易对膜材料本身造成损伤，而且超声波的产生同样需要大量的声源，能耗较大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于过滤膜组件的清洗方法，充分利用特定的气-液混合相流，实现对膜表面及膜孔内的各类污染物高效、快速的清洗，有效恢复膜原有的分离功能，极大延长膜的使用寿命，具有高效、节能、环保的特点。

本发明通过齿轮泵泵入一定压力的清洗液，经流量计调节流量和控温装置控温进入膜组件的壳程；通过空压机和电磁继电器提供一定压力下的高速脉冲气体，经流量计调节流量和控温装置控温进入膜组件的管程。清洗液在压力作用下透过膜孔，同时带走附着在膜孔壁的各类污染物，到达膜壁的另一侧后被高速流动的压力气体打成局部高速(可达10m/s)的小液滴，产生的巨大局部剪切力连续冲击膜的表面，对膜表面上附着的各类污染物进行撞击和冲刷，使之松动脱离，达到有效的清洗作用。整个过程中，气体脉冲间隔在0.5min以内，重复3～5次即可达到良好的清洗效果。针对极难去除的污染物，可通过改变清洗液的性质(添加酸、碱，表面活性剂、螯合剂、颗粒物等)、加热清洗液、以及连续或间歇模式等，优化实现膜的清洗。膜两侧的压力分别由气路和液路的压力阀控制，并由膜组件四个出口处接入的压力表指示。

本发明具体通过以下技术方案实现：本发明通过在膜的两侧分别施加0.15MPa-0.5MPa且流速为1L/min-10L/min的高压气体和10℃～50℃且流量为100mL/min～1000mL/min的清洗液，清洗液在压力作用下透过膜孔，同时带走附着在膜孔壁的各类污染物进入另一侧，与另一侧的高压气流形成气液混合相湍流，对膜表面的各类污染物进行有效清洗。

所述的清洗液通过齿轮泵泵入，并经流量计调节流量和控温装置控温进入膜组件的壳程；

所述的高速脉冲气体通过带有电磁继电器的空压机输出，经流量计调节流量和控温装置控温进入膜组件的管程。

所述的清洗液采用水、酸溶液、碱溶液、氧化剂、表面活性剂、螯合剂或酶中的一种或其组合。

所述的酸溶液采用盐酸、硫酸、硝酸或柠檬酸。

所述的碱溶液采用氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠、次氯酸钠、磷酸钠、氢氧化钾或碳酸钙。

所述气体可以是空气、臭氧等特殊气体。

当清洗液在压力作用下透过膜孔，同时带走附着在膜孔壁的各类污染物，到达膜壁的另一侧后被高速流动的压力气体打成局部高速(可达10m/s)的小液滴，产生的巨大局部剪切力连续冲击膜的表面，对膜表面上附着的各类污染物进行撞击和冲刷，使之松动脱离，达到有效的清洗作用。

整个过程中，气体脉冲间隔在0.5min以内，重复3～5次即可达到良好的清洗效果。针对极难去除的污染物，可通过改变清洗液的性质(添加酸、碱，表面活性剂、螯合剂、颗粒物等)、加热清洗液、以及连续或间歇模式等，优化实现膜的清洗。膜两侧的压力分别由气路和液路的压力阀控制，并由膜组件四个出口处接入的压力表指示。

本发明充分利用特定的气-液混合相流，实现对膜表面及膜孔内的各类污染物高效、快速的清洗，有效恢复膜原有的分离功能，极大延长膜的使用寿命。清洗液在压力作用下透过膜孔同时带走附着在膜孔壁上的各类污染物，到达膜壁的另一侧后被高速流动的压力气体打成局部高速的小液滴，由此产生的巨大的局部剪切力连续冲击膜的表面，对膜表面上附着的各类污染物进行撞击和冲刷，使之松动脱离，达到有效的清洗作用。该清洗方法(1)效率高：利用特定的气-液混合相流，突破现行物理清洗方法存在的流体动力学局限，有效去除膜表面及膜孔内的各类污染物；(2)费用低：相比现行的膜清洗技术，大大降低了对清洗剂的依赖，从而大大降低了膜清洗费用；(3)环保：清洗剂的使用量和浓度可大为减少甚至不采用，有效减少了二次污染。另外，由于膜组件寿命的延长，大大减少了对膜组件数量的需求，从而降低废弃膜组件的处置费用，这也体现了该技术属环保型；(4)操作方式灵活：工艺过程中的操作参数可优化、针对不同的应用，可方便结合不同的化学清洗剂、气体类型、操作方式等；(5)实现目标的时间短：能在数秒或几分钟内快速实现对膜的清洗。(6)应用范围广：针对的膜污染物包括无机物、有机物、细菌以及生物膜等；可广泛应用于各行业中凡有膜应用的场合(环保领域各类污水的处理、生物制药、食品行业等)，涵盖各类膜工艺(微滤、超滤、纳滤、反渗透等)及膜组件(板框式、卷式、管式和中空纤维式)。

附图说明

图1为实施例中空纤维超滤膜组件及膜管内的气-液混合相示意图。

图2为实施例超滤膜组件结构示意图。

图3为实施例气液两相流工作流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实例以现有过滤膜组件中有效膜面积最大的中空纤维膜组件为例进行实施：

实施例1

1)将清水作为清洗液在贮液罐中加热到20℃，然后调节流量至100ml/min进入中空纤维膜组件的壳程。清水由中空纤维膜组件壳程入口5连续进入，从壳程的出口6流出并排走，不进行循环使用。

2)关闭入口3和6，前述步骤同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件壳程入口5进入，从管程的出口4流出，不进行循环使用；

切换流向阀门，关闭入口4和5，前述步骤同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件壳程入口6进入，从管程的出口3流出，不进行循环使用；

重复过程2)三次。

3)壳程入口5开，出口6闭，其它操作条件同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件的入口5进入壳程，由管程的出口4流出；

同时开启空压机使产生的0.2MPa空气流，经流量调节阀控制流速在2L/min，经入口3进入中空纤维膜组件的管程，由出口4流出；

压力气体在采用的10min清洗时间内脉冲式地通过中空纤维膜(脉冲间隔为15s)，并与从膜孔透过的清洗液形成气-液混合湍流冲击膜的表面。

4)其他条件同3)，切换流向阀门，清洗液从组件壳程入口6进入(出口5关闭)，由管程出口3流出；空气流从管程入口4进入，由出口3流出。

5)重复步骤3)和4)三次。

6)清洗10min结束后，用清水对膜组件进行冲洗，完成被污染的中空纤维膜组件的清洗过程。

实施例2

1)将清水作为清洗液在贮液罐中加热到20℃，然后调节流量至100ml/min进入中空纤维膜组件的壳程。清水由中空纤维膜组件壳程入口5连续进入，从壳程的出口6流出并排走，不进行循环使用。

2)关闭入口3和6，前述步骤同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件壳程入口5进入，从管程的出口4流出，不进行循环使用；

切换流向阀门，关闭入口4和5，前述步骤同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件壳程入口6进入，从管程的出口3流出，不进行循环使用；

重复过程2)三次。

3)壳程入口5开，出口6闭，其它操作条件同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件的入口5进入壳程，由管程的出口4流出；

同时开启空压机使产生的0.2MPa空气流，经流量调节阀控制流速在5L/min，经入口3进入中空纤维膜组件的管程，由出口4流出；

压力气体在采用的10min清洗时间内脉冲式地通过中空纤维膜(脉冲间隔为15s)，并与从膜孔透过的清洗液形成气-液混合湍流冲击膜的表面。

4)其他条件同3)，切换流向阀门，清洗液从组件壳程入口6进入(出口5关闭)，由管程出口3流出；空气流从管程入口4进入，由出口3流出。

5)重复步骤3)和4)三次。

6)清洗10min结束后，用清水对膜组件进行冲洗，完成被污染的中空纤维膜组件的清洗过程。

实施例3

1)将清水作为清洗液在贮液罐中加热到20℃，然后调节流量至100ml/min进入中空纤维膜组件的壳程。清水由中空纤维膜组件壳程入口5连续进入，从壳程的出口6流出并排走，不进行循环使用。

2)关闭入口3和6，前述步骤同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件壳程入口5进入，从管程的出口4流出，不进行循环使用；

切换流向阀门，关闭入口4和5，前述步骤同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件壳程入口6进入，从管程的出口3流出，不进行循环使用；

重复过程2)三次。

3)壳程入口5开，出口6闭，其它操作条件同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件的入口5进入壳程，由管程的出口4流出；

同时开启空压机使产生的0.2MPa空气流，经流量调节阀控制流速在2L/min，经入口3进入中空纤维膜组件的管程，由出口4流出；

压力气体在采用的20min清洗时间内脉冲式地通过中空纤维膜(脉冲间隔为15s)，并与从膜孔透过的清洗液形成气-液混合湍流冲击膜的表面。

4)其他条件同3)，切换流向阀门，清洗液从组件壳程入口6进入(出口5关闭)，由管程出口3流出；空气流从管程入口4进入，由出口3流出。

5)重复步骤3)和4)三次。

6)清洗20min结束后，用清水对膜组件进行冲洗，完成被污染的中空纤维膜组件的清洗过程。

实施例4

1)将清水作为清洗液在贮液罐中加热到40℃，然后调节流量至100ml/min进入中空纤维膜组件的壳程。清水由中空纤维膜组件壳程入口5连续进入，从壳程的出口6流出并排走，不进行循环使用。

2)关闭入口3和6，前述步骤同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件壳程入口5进入，从管程的出口4流出，不进行循环使用；

切换流向阀门，关闭入口4和5，前述步骤同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件壳程入口6进入，从管程的出口3流出，不进行循环使用；

重复过程2)三次。

3)壳程入口5开，出口6闭，其它操作条件同1)，清洗液从中空纤维超滤膜组件的入口5进入壳程，由管程的出口4流出；

同时开启空压机使产生的0.2MPa空气流，经流量调节阀控制流速在2L/min，经入口3进入中空纤维膜组件的管程，由出口4流出；

压力气体在采用的10min清洗时间内脉冲式地通过中空纤维膜(脉冲间隔为15s)，并与从膜孔透过的清洗液形成气-液混合湍流冲击膜的表面。

4)其他条件同3)，切换流向阀门，清洗液从组件壳程入口6进入(出口5关闭)，由管程出口3流出；空气流从管程入口4进入，由出口3流出。

5)重复步骤3)和4)三次。

6)清洗10min结束后，用清水对膜组件进行冲洗，完成被污染的中空纤维膜组件的清洗过程。

Claims (9)

1.一种用于过滤膜组件的清洗方法，其特征在于，通过在膜的两侧分别施加0.15MPa-0.5MPa且流速为1L/min-10L/min的高压气体和10℃～50℃且流量为100mL/min～1000mL/min的清洗液，清洗液在压力作用下透过膜孔，同时带走附着在膜孔壁的各类污染物进入另一侧，与另一侧的高压气流形成气液混合相湍流，对膜表面的各类污染物进行有效清洗。

2.根据权利要求1所述的用于过滤膜组件的清洗方法，其特征是，所述的清洗液通过齿轮泵泵入，并经流量计调节流量和控温装置控温进入膜组件的壳程。

3.根据权利要求1所述的用于过滤膜组件的清洗方法，其特征是，所述的高压气体通过带有电磁继电器的空压机输出，经流量计调节流量和控温装置控温进入膜组件的管程。

4.根据权利要求1或2所述的用于过滤膜组件的清洗方法，其特征是，所述的清洗液采用水、酸溶液、碱溶液、氧化剂、表面活性剂、螯合剂或酶中的一种或其组合。

5.根据权利要求4所述的用于过滤膜组件的清洗方法，其特征是，所述的酸溶液采用盐酸、硫酸、硝酸或柠檬酸。

6.根据权利要求4所述的用于过滤膜组件的清洗方法，其特征是，所述的碱溶液采用氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠、次氯酸钠、磷酸钠、氢氧化钾或碳酸钙。

7.根据权利要求1或3所述的用于过滤膜组件的清洗方法，其特征是，所述的气体采用空气、臭氧。

8.根据权利要求1或2所述的用于过滤膜组件的清洗方法，其特征是，清洗液由方向阀控制从膜组件壳程接口连续进入，或按从壳程两端交替进入。

9.根据权利要求1或3所述的用于过滤膜组件的清洗方法，其特征是，所述压力气体在设定的清洗时间内连续式或脉冲式地进入中空纤维气超滤膜组件。

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