CN102284249A

CN102284249A - 一种污染膜的清洗方法和装置

Info

Publication number: CN102284249A
Application number: CN2011101512164A
Authority: CN
Inventors: 王薇; 田恩玲; 孙静; 于湉
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明公开一种污染膜的清洗方法和装置。该清洗方法采用原料液和汲取液两个循环系统，通过高渗透压的汲取液将低渗透压的原料液“吸”过来，并且在原料液在进入汲取液的过程中，将污染膜内腔皮层表面杂质及多孔支撑层内吸附的杂质带走，实现对污染膜的彻底清洗；原料液循环系统和汲取液循环系统在正渗透膜组件处错流配制，清洗循环速率为2.0-3.0L/min，清洗压力为0.2MPa，清洗温度为室温，清洗时间为20-30min；原料液为蒸馏水；汲取液包括无机盐类溶液、糖类溶液或无机盐类与糖类溶液的混合液。该清洗装置适用于本发明清洗方法，包括原料液和汲取液两个循环系统，两个循环系统在正渗透膜组件处错流配制。

Description

一种污染膜的清洗方法和装置

技术领域

本发明涉及膜分离技术，具体为一种污染膜的清洗方法和装置。

背景技术

膜污染是指被分离物质中某些成分与膜发生物理、化学作用、或因浓差极化使溶质在膜表面的浓度超过其溶解度，以及因机械作用而引起的在膜表面或膜孔内的吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性不可逆变化的现象。尽管膜分离污水处理技术已得到越来越广泛的应用，但膜污染已成为制约膜分离技术进一步发展和应用的瓶颈。

污染物尤其是蛋白质等大分子在膜表面和膜孔内的吸附所引起的通量衰减及分离能力的降低是造成膜通量衰减的主要原因。膜污染引起的通量衰减又往往和浓差极化现象引起的可逆通量下降混合在一起，使得膜分离效果进一步降低。此外，离子结垢溶度积较小的盐类，在反渗透过程中易析出而形成水垢；生物污泥经预处理仍残留的微生物颗粒，在水中的自身繁殖等都是造成膜污染的原因。膜的水解、有机溶剂及氧化性物质侵蚀等也会造成膜材料的本质改变。

为恢复污染膜的分离性能及通量，各种膜清洗方法应运而生，如机械清洗，物理清洗，超声波清洗和化学清洗等。但这些现有清洗方法都存在一定缺点。为方便说明列于表1。

表1 现有膜清洗方法的工作原理及缺点

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种污染膜的清洗方法和装置，该方法和装置采用正渗透膜清洗工艺，具有工艺简单、清洗效果优良，并具有清洗时间短、对膜几乎无损伤、能耗低、残留少、设备结构简单，没有环境污染等优点。

本发明解决所述清洗方法技术问题的技术方案是，设计一种污染膜的清洗方法，该清洗方法采用原料液和汲取液两个循环系统，通过高渗透压的汲取液将低渗透压的原料液“吸”过来，并且在原料液在进入汲取液的过程中，将污染膜内腔皮层表面杂质及多孔支撑层内吸附的杂质带走，实现对污染膜的彻底清洗；所述原料液循环系统和汲取液循环系统在正渗透膜组件处错流配制，清洗循环速率为2.0-3.0L/min，清洗压力为0.2MPa，清洗温度为室温，清洗时间为20-30min；所述原料液为蒸馏水；所述汲取液包括无机盐类溶液、糖类溶液、或是无机盐类溶液与糖类溶液的混合液。

本发明解决所述清洗装置技术问题的技术方案是，设计一种污染膜的清洗装置，该清洗装置适用于本发明所述的清洗方法，其特征在于该清洗装置包括原料液和汲取液两个循环系统，所述原料液循环系统包括依次管路连接的原料液罐、隔膜泵、原料液压力表和原料液阀门，并在隔膜泵后接入正渗透膜组件中污染膜的一侧；所述汲取液循环系统包括依次管路连接的汲取液罐、蠕动泵、汲取液压力表和汲取液阀门，并在蠕动泵后接入正渗透膜组件中污染膜的另一侧；所述原料液循环系统和汲取液循环系统在正渗透膜组件处错流配制。

与现有技术相比，本发明清洗方法和装置优点如下：

(1)清洗效率高。采用正渗透工艺，大大缩短了膜的清洗时间，可由现有技术的3h缩短到0.5h，提高了生产效率，有利于生产的连续化。

(2)清洗效果好。可将污染膜彻底清洗干净。

(3)绿色清洗。膜清洗过程中，不加入任何外来物质，不会对膜的物理化学性质产生影响，膜内无化学品残留，没有环境污染，是一种绿色清洗方法。

(4)运行成本和能耗低。由于清洗时间短且无需加热，减少了热能的消耗，降低了运行成本，适于工业化使用。

附图说明

图1为本发明污染膜清洗方法和清洗装置一种实施例的工艺原理和清洗装置结构组成示意图。

具体实施方式

本发明设计的污染膜清洗方法(简称清洗方法，参见图1)采用原料液和汲取液两个循环系统，通过高渗透压(低化学势)的汲取液将低渗透压(高化学势)的原料液“吸”过来，并且在原料液在进入汲取液的过程中，将污染膜内腔皮层表面杂质及多孔支撑层内吸附的杂质冲洗带走，实现对污染膜的彻底清洗；所述原料液循环系统和汲取液循环系统在正渗透膜组件3处错流配制，清洗循环速率为2.0-3.0L/min，清洗压力为0.2MPa，清洗温度为室温，清洗时间为20-30min；所述原料液为蒸馏水；所述汲取液包括无机盐类溶液、糖类溶液、或是无机盐类溶液与糖类溶液的混合液。

本发明设计的污染膜清洗装置(简称清洗装置，参见图1)适用于本发明所述污染膜的清洗方法，其特征在于该清洗装置包括原料液和汲取液两个循环系统，所述原料液循环系统包括依次管路连接的原料液罐1、隔膜泵2、原料液压力表4和原料液阀门5，并在隔膜泵2后接入正渗透膜组件3中污染膜的一侧；所述汲取液循环系统包括依次管路连接的汲取液罐6、蠕动泵7、汲取液压力表8和汲取液阀门9，并在蠕动泵7后接入正渗透膜组件3中污染膜的另一侧；所述原料液循环系统和汲取液循环系统在正渗透膜组件3处错流配制。

本发明作为汲取液溶质的物质须具备以下特性：(1)必须有高的渗透性，这意味着它必须具有高的溶解度，低的分子量，才能产生高的渗透压；(2)必须与被清洗的污染膜具有化学相容性，以免与被清洗的污染膜反应或降低膜的性能。根据这一原则，本发明所述汲取液包括无机盐类溶液、糖类溶液、或是无机盐类溶液与糖类溶液的混合液。所述的无机盐类溶液优选氯化钠溶液，氯化镁溶液或硫酸钠溶液。所述的糖类溶液优选葡萄糖溶液、果糖溶液或蔗糖溶液。当选择无机盐类溶液与糖类溶液的混合液做汲取液时，所述的汲取液优选1M无机盐类溶液和5M糖类溶液按2∶1比例配制的混合液、或者是1M碳酸氢铵溶液与3M氢氧化铵溶液按1.2∶1比例配制的混合液。

本发明清洗方法所述的原料液或/和汲取液可以被加热，加热温度为20-50℃。加热方法和加热装置为现有技术。

本发明设计的清洗方法为正渗透洗膜方法，该方法是一种新型的绿色清洗方法。正渗透洗膜方法的工作原理是：正渗透也称为渗透，是一种自然界广泛存在的物理现象。以水为例，正渗透(FO)过程中是水透过选择性半透膜从水化学位高的区域(低渗透压侧)自发地传递到水化学位低的区域(高渗透压侧)的过程。水和盐水两种渗透压不同的溶液被半透膜隔开，那么水会自发地从低渗透压侧通过半透膜扩散到高渗透压一侧，使盐水侧液位提高，直到膜两侧的液位压差(P)与膜两侧的渗透压差(Δ∏)相等(P＝Δ∏)时停止。

该渗透过程的推动力是溶剂在两种溶液中的化学位差，或者是溶液的渗透压差。1886年，荷兰化学家范特霍夫提出了一个能普遍适用的渗透压公式：

∏＝icRT或∏＝inRT/V (1)

式中，∏是溶液的渗透压；i是等渗系数；c是溶液的摩尔浓度；R是理想气体摩尔常数；T是溶液的热力学温度；n是溶质的物质量；V是溶液的体积。

由渗透压公式(1)可得到盐水侧的渗透压高(例如0.5M的盐水渗透压约为25atm)，则在渗透压的作用下，水会从低渗透压侧扩散到高渗透压侧。

下面以清洗中空纤维膜为例进行说明，中空纤维膜的腔内为起截留作用的致密皮层，隔膜泵将蒸馏水从膜组件的底端压入中空纤维膜内腔，然后从膜组件左侧流入原料液罐，形成一个封闭的循环系统，由于蒸馏水是从膜底端向高端处流动，这样可将膜内腔表面清洗得更加全面，干净；蠕动泵将汲取液从右侧压入，流经中空纤维膜外侧，再从上端流出，然后回流至汲取液罐。在该过程中，汲取液将膜内腔的蒸馏水“吸”出来，随汲取液一起回流至汲取液罐，汲取液“吸”蒸馏水的过程，恰是膜孔被清洗的过程，蒸馏水从膜内腔流经多孔支撑层，可将膜孔内吸附的杂质冲洗掉，由于膜的截留作用，汲取液分子不会进入膜内腔，不会对膜造成二次污染，保证了膜性质的稳定。

本发明清洗中空纤维膜(管式膜相同)的过程是：先将待清洗的中空纤维膜污染膜组件3装入塑料管内，隔膜泵2接入浇注好的膜组件3的底端，膜组件3的顶端与压力表4连接，然后连接阀门5，中空纤维膜的内腔及其管路构成原料液循环系统，蒸馏水做原料液，冲洗污染膜的内腔；将汲取液装填在塑料管内，即中空纤维膜的外侧，蠕动泵7接入塑料管的一侧，塑料管的另一侧接入压力表8，再连接阀门9，构成汲取液循环系统。在系统运行过程中，汲取液会将原料液(蒸馏水)不断“吸”过来，蒸馏水被“吸”的过程，即是中空纤维膜孔得到清洗的过程。

本发明清洗板框式平板膜的过程是：将板框式平板膜污染膜装入三角架评价池中，如上所述，隔膜泵2接入三角架评价池的上端口，形成原料液循环系统，蒸馏水冲洗污染膜的皮层侧；蠕动泵7接入三角架评价池的侧端口，形成汲取液循环系统。在系统运行过程中，汲取液将蒸馏水“吸”过来，被污染的平板膜孔得到清洗。

本发明清洗卷式膜的过程是：将隔膜泵2接入卷式膜集合管端口，形成原料液循环系统，蒸馏水冲洗卷式膜皮层侧；蠕动泵7接入卷式膜另一端口，形成汲取液循环系统。在系统运行过程中，汲取液将蒸馏水“吸”过来，被污染的卷式膜得到清洗。

本发明清洗方法和清洗装置适用于各种类型的污染膜，包括中空纤维膜、管式膜、板框膜或卷式膜等。在每种形式的膜组件下，适用于各种孔径的膜的清洗，如微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；还可清洗各种材质的膜，如有机高聚物膜及无机陶瓷膜。虽然以中空纤维膜为例进行了说明，但其它几种类型的膜组件的清洗原理和过程与所述中空纤维膜组件的清洗原理和过程相同。各种类型膜组件的连接方式是本领域技术人员的公知技术。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出本发明的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

实施例1

将1M碳酸氢铵溶液和3M氢氧化铵溶液按1.2∶1的比例混合配制成汲取液，以蒸馏水作原料液。原料液在污染中空纤维膜(简称污染膜)的皮层侧，汲取液在污染膜的支撑层侧。原料液和汲取液的错流速率保持在2.0L/min，二者温度都在室温下工作。将待清洗的污染膜放入正渗透膜组件3中，接通电源，分别打开原料液阀门5和汲取液阀门9，并分别启动隔膜泵2和蠕动泵7，调节压力表，使得原料液压力表4和汲取液压力表8的示数都保持在0.2MPa。隔膜泵2将蒸馏水从膜组件3的底端压入污染膜的内腔，然后从膜组件3的左侧经原料液压力表4和原料液阀门5回流入原料液罐1中，形成一个封闭的原料液循环系统，循环往复；同时，蠕动泵7将汲取液从膜组件3的右侧压入，流经污染膜的外侧，再从膜组件3的顶端流出，经汲取液压力表8和汲取液阀门9回流至汲取液罐6中，形成一个封闭的汲取液循环系统。在汲取液循环过程中，汲取液将污染膜内腔的蒸馏水“吸”出来，对污染膜进行正渗透清洗，“吸”出来的蒸馏水随汲取液一起回流至汲取液罐6中，循环往复。依次清洗运行0.5h，然后关闭电源，即得到完全清洗干净的膜。

实施例2

将5M果糖溶液作汲取液，以蒸馏水作原料液，原料液在污染膜的皮层侧，汲取液在污染膜的支撑层侧，二者的错流速率为2.0L/min，原料液与汲取液温度均加热到50℃，其余同于实施例1中所述方法，运行0.5h后关闭电源。即可得到完全清洗干净的膜。

实施例3

将5M的蔗糖溶液和1M的氯化钠溶液按照2∶1的比例混合配制成汲取液，以蒸馏水作原料液，原料液和汲取液错流速率控制在100ml/min，实验温度保持在25±2℃，原料液在污染膜的皮层侧，汲取液在污染膜的支撑层侧。其余同于实施例1中所述方法，运行0.5h，然后关闭电源，即得到完全清洗干净的膜。

Claims

1.一种污染膜的清洗方法，该清洗方法采用原料液和汲取液两个循环系统，通过高渗透压的汲取液将低渗透压的原料液“吸”过来，并且在原料液在进入汲取液的过程中，将污染膜内腔皮层表面杂质及多孔支撑层内吸附的杂质带走，实现对污染膜的彻底清洗；所述原料液循环系统和汲取液循环系统在正渗透膜组件处错流配制，清洗循环速率为2.0-3.0L/min，清洗压力为0.2MPa，清洗温度为室温，清洗时间为20-30min；所述原料液为蒸馏水；所述汲取液包括无机盐类溶液、糖类溶液、或是无机盐类溶液与糖类溶液的混合液。

2.根据权利要求1所述的污染膜的清洗方法，其特征在于所述的无机盐类溶液为氯化钠溶液，氯化镁溶液或硫酸钠溶液。

3.根据权利要求1所述的污染膜的清洗方法，其特征在于所述的糖类溶液葡萄糖溶液、果糖溶液或蔗糖溶液。

4.根据权利要求1所述的污染膜的清洗方法，其特征在于所述的汲取液为1M无机盐类溶液和5M糖类溶液按2∶1比例配制的混合液、或者是1M碳酸氢铵溶液与3M氢氧化铵溶液按1.2∶1比例配制的混合液。

5.根据权利要求1所述的污染膜的清洗方法，其特征在于所述的原料液或/和汲取液可被加热，加热温度为20-50℃。

6.一种适用于权利要求1-5任一项所述污染膜清洗方法的污染膜清洗装置，其特征在于该清洗装置包括原料液和汲取液两个循环系统，所述原料液循环系统包括依次管路连接的原料液罐、隔膜泵、原料液压力表和原料液阀门，并在隔膜泵后接入正渗透膜组件中污染膜的一侧；所述汲取液循环系统包括依次管路连接的汲取液罐、蠕动泵、汲取液压力表和汲取液阀门，并在蠕动泵后接入正渗透膜组件中污染膜的另一侧；所述原料液循环系统和汲取液循环系统在正渗透膜组件处错流配制。