CN102895879B

CN102895879B - 改进膜过滤过程的方法和装置

Info

Publication number: CN102895879B
Application number: CN201210322664.0A
Authority: CN
Inventors: 埃里克·F·图梭; 哈特穆特·布鲁斯克; 刘德华; 赵雪冰
Original assignee: Tsinghua University; Acs Agrochemical System Co ltd
Current assignee: Tsinghua University; Acs Agrochemical System Co ltd
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-09-03
Also published as: CN102895879A

Abstract

本发明公开了一种改进膜过滤过程的方法，包括以下步骤：1）在膜过滤操作压力下使膜的进料液侧保持进料液连续切向流过；2）迅速停止渗透液流出，同时在渗透液侧施加压力脉冲使渗透液瞬间反冲，并维持该压力脉冲的最大压力；3）降低渗透液侧的压力，使渗透液恢复流动。本发明提供的改善膜过滤过程的方法是通过相应装置产生瞬时高压，将堵塞在膜孔上的杂质除去，从而可使得膜通量在较长时间内保持较高水平。本发明公开的方法和装置可应用于微滤、超滤、纳滤等多种膜分离过程，避免了使用复杂的设备，在不干扰正常的过滤过程的前提下除去和控制污染层，亦可减少或避免化学清洗带来的物料损失和废液排放。

Description

改进膜过滤过程的方法和装置

技术领域

本发明属于化学工程领域，涉及改进过滤过程，特别是改进膜过滤过程的方法和装置。

背景技术

膜过滤，例如微滤、超滤和纳滤，是当前流体分离过程中最常用和最重要的方法之一。当含有溶剂和溶解或分散在溶剂中的颗粒或大分子物质等的溶液以切向流的方式在一定的压力下从多孔膜的端流向另一端时，溶剂分子因足够小而可通过膜的孔道，而大分子和颗粒因太大而不能通过膜孔道，因而被截留。特别地，当待处理的液体较为污浊且难以以切向流方式流动时，可采用“垂直流过滤”的方式进行处理。对于上述过程中使用的膜材料可由多种材料制备，包括多组分聚合物、陶瓷或金属，同时所述膜材料可包含多个膜层。所述膜材料亦可有不同的几何形状，包括不同直径和长度的膜管、方形或圆形膜板以及弧形膜板。

根据分离要求和过程不同，膜的孔径大小有所差别。微滤膜孔径为3-0.2毫米，超滤膜孔径为0.3毫米—2-5纳米，而纳滤膜孔径为0.8-5纳米。但根据不同的分离过程，膜孔径大小范围已有重叠。

在压力的作用下，溶剂分子可通过膜孔径，而大粒径的粒子以及溶解在溶剂中的大分子物质被截留。在大多是情况下，溶剂是水，但本领域熟知的大多数有机溶剂亦可采用类似的分离和处理过程。

膜分离过程中根据分离要求和过程特点不同，所采用的压力不同。微滤过程中压力在0.3bar-5bar，而超滤和纳滤过程中压力可高达30bar。

随着溶剂分子在压差推动作用下通过膜孔，颗粒或溶解的大分子物质被截留。随着分离过程的进行，这些颗粒和大分子物质会富集在膜表面，形成一层沉积层。最终膜通量以及膜分离的特性将不是由起初的膜材料及其膜孔决定，而是由这层富集在膜表面的沉积层决定。随着分离时间增加，膜通量降低，最终变为0.

这种由被截留物质富集在膜表面形成的沉积层可通过增加膜进料端的切向流率来降低其形成。但在实际应用中，这种操作具有局限性。增加进料流速将增大压力损失和增加电泵功耗，使得膜分离操作成本增加而不具有经济可行性。此外，提高进料流速起初会增加膜通量，但同时也加快了截留物质的沉积，加速沉积层的形成，膜通量下降的速率也随之加快。这种由于沉积层的形成导致膜通量降低和分离特性变化的现象即称为膜污染。

有很多种方法可以清除膜表面的沉积层以恢复膜通量和分离特性。这些方法包括采用不同化学试剂清洗膜表面，或者通过机械方法，例如搅拌，来避免污染层的形成，或通过采用膜表面可在其中旋转的设备在切向流中产生二次流，或者在进料室内采用超声振荡。

US2008/0257822公开了一种膜材料的清洗方法，包括暂停过滤操作；往膜表面通气清除污染物；开启过滤操作同时暂停进料泵入进料罐；再次暂停过滤操作并对污染物进行清洗；从进料罐中除去含有清除的污染物的液体；重新开始过滤操作等步骤。

US2007/0034570公开了另一种从膜进料表面清除污染层的方法，所述方法是通过连续或间歇地往膜进料口通入二氧化氯实现的。所述方法要求特别适用于除去生物膜和生物污染层。二氧化氯可能会通过膜进入渗透液中，或者如果是间歇操作，二氧化氯会被带入其它罐中。

US2011/0067737公开了一种连续测量跨膜压力损失的方法。当实际压力损失与初始压力损失之比为小于1.2时，在膜进料端采用气液混合物进行冲洗。当该比例大于1.2时，改变物流流向，并从膜的另一侧通入气液混合物清洗膜。当该比例更大时则添加清洁剂以清洗膜表面。

现有的方法不仅要求复杂的设备，而且在清洗过程中需要停止膜过滤操作。添加的清洗剂会污染料液和设备。因此有必要对膜过滤过程进行改进，在不影响膜过滤过程的正常运行前提下，来提高膜通量的稳定性和降低清洗频率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进膜过滤过程的方法和装置，所述方法避免了使用复杂的设备，在不干扰正常的过滤过程的前提下除去和控制污染层。

本发明公开了一种有效地除去和控制膜过滤过程中形成的二次污染层的方法和装置。根据本发明的实施例，所述方法只需在已有的膜过滤装置上进行适当改进，即可显著地改善膜通量。

一方面，根据本发明的实施例，本发明提供了改进膜过滤过程的方法，其包括以下步骤：1）在膜过滤操作压力下使膜的进料液侧保持进料液连续切向流过；2）迅速停止渗透液流出，同时在渗透液侧施加压力脉冲使渗透液瞬间反冲，并维持该压力脉冲的最大压力；3）降低渗透液侧的压力，使渗透液恢复流动。

根据本发明的实施例，在优选的实施方案中，所述压力脉冲在100-1000毫秒内达到脉冲最大压力；优选地，所述压力脉冲在200-600毫秒内达到脉冲最大压力。

根据本发明的实施例，在另一优选的实施方案中，所述压力脉冲的最大压力为膜过滤操作压力的至少2倍。

根据本发明的实施例，优选地，所述维持压力脉冲最大压力的时间为1-120秒；更优选地，所述维持压力脉冲最大压力的时间为2-20秒。

根据本发明的实施例，优选地，所述使用压力脉冲使渗透液瞬间反冲的间隔时间为10秒-10小时，优选为1分钟-3小时。

根据本发明的实施例，优选地，所述膜过滤过程为微滤、超滤或纳滤。

另一方面，根据本发明的实施例，本发明提供了用于改进膜过滤过程的装置，其包括：三通20；膜过滤组件1，其包括进料室3、过滤膜2和渗透液室4；加压设备11，其包括填充有高压流体9的压力罐14和可移动的活塞15；其中，三通20的一个接头与渗透液室4相连接，另一个接头与阀门8和加压设备11的底部依次连接，第三接头与阀门9相连接。

根据本发明的实施例，在另一优选的实施方案中，所述活塞15具有上端面16和下端面17，且下端面17的面积小于上端面16的面积，通过使活塞15快速移动而形成压力脉冲；优选地，所述活塞15的快速移动是由高压流体19推动的；更优选地，所述高压流体19是通过高压物流13产生的；进一步优选地，所述高压物流13为压缩气体或高压液体。

根据本发明的实施例，在优选的实施方案中，通过开启阀门12，8，同时关闭阀门9来启动压力脉冲实现渗透液的瞬间反冲；优选地，所述阀门12、8和9的关闭或开启是在1000毫秒内完成的；更优选地，所述阀门12、8和9的关闭或开启是在600毫秒内完成的。

根据本发明的实施例，优选地，阀门12、8和9的同时开启和关闭，以及压力脉冲的产生和反冲过程的进行是自动控制的。

图1显示了根据本发明的实施例的原理和装置示意图。图中给出了本发明所公开的装置的核心部件。显而易见，在实际的膜过滤生产中，本领域的技术人员可根据需要增加其他管道、阀门、泵和其他组件，但并未改变本发明所公开方法的基本原理。

根据本发明的实施例，如图1所示，所述的装置中膜过滤组件1包含过滤膜2，进料室3和渗透液室4。含有溶剂、颗粒和溶解大分子物质的进料物流5在压力作用下进入进料室3，并切向流过过滤膜2的进料表面，所述进料表面位于进料室3一侧。在进料室3和渗透室4的压差作用下，所述进料物流5中部分溶剂通过膜进入渗透液室4，而颗粒和大分子物质被过滤膜2截留。所截留颗粒或大分子物质的大小和性质取决于膜过滤过程的性质和过滤膜2的分离特性。渗透液物流7中已除去大部分或不含有所述被截留颗粒或大分子物质，其流出渗透液室4，经过三通20和阀门9，最终进入物流10。经过膜过滤后，渗余液物流6中颗粒或大分子物质的浓度增加，并从进料室3中流出。渗透液物流7经过三通20后还与阀门8连接。阀门8另一端通过物流18与加压设备11连接。加压设备11包括：压力罐14，其中充满高压流体19；可移动的活塞15，所述活塞的上端面16位于压力罐一侧，下端面17位于物流18一侧，且其面积小于上端面16的面积。所述活塞的的上端面16可在高位与低位之间移动。加压前活塞15位于高位位置，通过高压物流13和阀门12，可使压力罐14和高压流体19的压力增加至高于进料室3的压力，活塞15迅速移至低位。同样地，通过物流13和阀门12，高压流体19可泄压至低于进料室3的压力，此时活塞15复位至高位位置。

根据本发明的实施例，在正常的膜过滤过程中，渗透液物流7通过过滤膜2后经阀门9和物流10流出渗透液室4。此时阀门8关闭，活塞15位于高位位置。当颗粒和大分子物质被过滤膜2截留并最终在过滤膜2表面形成污染层时，膜的分离性能发生改变，导致膜通量下降。随后膜通量会迅速降低至过程非经济可行的水平。

为使膜通量恢复至接近初始水平，需要将该污染层从过滤膜2表面除去并随主体液体溜走。因此，瞬间增加渗透液室4中的压力，且该压力显著高于进料室3中的压力，可使部分渗透液逆向冲过过滤膜2，从而将污染层反冲出膜孔，而膜进料一侧的切向流动未受到干扰。当该反冲过程进行时，阀门9关闭，阀门8开启，二者同时进行。在压力罐14和高压流体19的作用下，活塞15从高位迅速移至低位，在物流18，阀门8和渗透液物流7组成的回路中形成高压脉冲。在此高压脉冲的作用下，一部分渗透液从渗透液室4迅速反冲通过过滤膜2进入进料室3，从而将过滤膜2表面的污染层冲走。当活塞15到达低位位置时，阀门8关闭，同时开启阀门9，渗透液物流7恢复原先状态。

这种反冲的效果取决于压力脉冲陡增的程度、反冲频率（脉冲使用的间隔时间）、压力增加的速率、压力脉冲的最大值以及压力脉冲的持续时间。

反冲频率可在几秒到几小时之间。一般情况下，反冲频率在10秒到10小时之间，优选地，反冲频率为1分钟到3小时。

压力脉冲的增加所需的时间越短越好，一般情况下，压力脉冲在100毫秒到1000毫秒内达到最大值，优选为200-600毫秒。

压力脉冲的最大压力取决于膜分离过程，但至少是膜分离过程操作压力的2倍。在微滤过程中，操作压力一般为1bar到6bar，因此反冲的压力脉冲最大值为2bar到12bar。在超滤过程中，操作压力一般为1bar到10bar，因此反冲的压力脉冲最大值为2bar到20bar。在纳滤过程中，操作压力一般为5bar到30bar，因此反冲的压力脉冲最大值为10bar到60bar。

压力脉冲的持续时间为1秒到2分钟，优选地，压力脉冲的持续时间为2秒到10秒。

根据本发明的实施例，在一个优选的操作方案中，阀门8，9和12的开启和关闭是自动控制的；优选地，阀门8，9和12的开启和关闭是通过计时器自动控制的。

根据本发明的实施例，在另一个优选的方案中，阀门8，9和12的开启和关闭是当膜通量小于10时自动控制的。

根据本发明的实施例，在一个优选的方案中，加压设备11中的高压流体19是气体；优选地，所述气体为空气。

根据本发明的实施例，在另一个优选的方案中，加压设备11中的高压流体19是液体；优选地，所述液体为渗透液。

很显然，其它形成压力脉冲的方法，例如通过机械泵驱动活塞15产生压力脉冲，亦属于本发明所公开的技术范畴。

综上所述，本发明提供的改进膜过滤过程的方法和装置通过在膜渗透液一次的瞬时高压脉冲的作用下，将堵塞在膜孔上的杂质除去，从而可使得膜通量在较长时间内保持较高水平。本发明公开的方法和装置可应用于微滤、超滤、纳滤等多种膜分离过程，避免了使用复杂的设备，在不干扰正常的过滤过程的前提下除去和控制污染层，亦可减少或避免化学清洗带来的物料损失和废液排放。虽然直接使用高压气体从渗透液一测对膜进行反冲也可一定程度上除去污染层恢复膜通量，但由于气体具有较强的可压缩性，当其从高压气瓶或气泵中打入渗透液室时，由于气体体积的增加导致反冲压力降低而达不到有效的反冲效果。此外，直接以高压气体进行反冲，会造成气体与液体直接接触，导致高压气体动量耗散，降低反冲效果。而本发明公开的方法和装置中，加压设备11中活塞15在高压流体19和高压物流13驱动下，迅速从高位移至低位，快速挤压填充在连接管道中的液体，由于液体的可压缩性很低，活塞产生的高压脉冲可以迅速传至渗透液室，使过滤膜2在渗透液室一侧获得瞬间反冲高压，从而有效地提高了反冲效果。此外，本发明提供的改进膜过滤过程的方法和装置中，活塞15具有面积较大的上端面16和面积较小的下端面17，当高压流体19在高压物流13的推动下作用于上端面16一推力，该推力经面积较小的下端面17转化为更大的压强作用于物流8和进一步作用于渗透液室。活塞15的这种设计可有效提高反冲压力，而直接采用高压气体和液体对膜进行反冲时则达不到这种效果。另外，本发明提供的改进膜过滤过程的方法和装置中，阀门8，9和12的开启和关闭是通过监控膜通量而自动控制的，且其开启和关闭可在瞬间完成，因而可在反冲回路上形成一压力陡增的压力脉冲。由于脉冲冲量的大小与压力增加至最大值的时间成反比，因此，通过控制阀门的瞬间开启和关闭时间，可获得所需的脉冲冲量来作用于过滤膜2，达到所需的反冲效果。而现有反冲装置中，阀门开启和关闭的时间往往大于1秒以上，难以获得足够大的冲量来除去堵塞在膜孔中的物质，因而难以达到所需的反冲作用。

附图说明

图1显示了根据本发明实施例的膜过滤过程的方法和装置示意图。

具体实施方式

下面参考实施例，对本发明进行说明，需要说明的是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围，并且在实施例中所采用的试剂和材料也均为市售可得的，如非特别说明，在实施例中所采用的设备可以为本领域中任何已知的设备。

实施例1

图1所示的装置用于过滤淀粉液化糖化体系，其中添加了α-淀粉酶用于淀粉液化糖化生产葡萄糖。利用陶瓷超滤膜进行过滤，该膜的截留分子量为5kD，纯水通量为120L/(m²h)。在跨膜压力为4bar，液体切向流速为1.5m/s的条件下进行过滤，体系中只有葡萄糖可以透过膜，而α-淀粉酶和未糖化的淀粉则被膜截留。当未进行反冲操作或膜清洗时，渗透液通量在一小时内从90L/(m²h)下降到10L/(m²h)。此时停止过滤操作，先后采用酸（1%磷酸，0.1Mpa，50℃，30min）、碱（2%NaOH，0.1Mpa，60℃，30min）和去离子水清洗膜后，渗透液初始通量可恢复至90L/(m²h)，但在1小时内渗透液通量又迅速下降至10L/(m²h)。

实施例2

所用装置、过滤体系和初始操作条件同实施例1。当渗透液通量下降至10L/(m²h)时，停止过滤，采用实施例1中的化学清洗方法对膜进行清洗后重新开启过滤，同时开启反冲操作。反冲过程为自动控制，每3分钟开启一次，并在15bar的最大反冲压力下维持3秒钟。所述反冲压力是通过活塞15从高位迅速移至低位形成的，且反冲压力提高至15bar的时间为500ms。在此开启反冲操作的过滤过程中，渗透液通量在65L/(m²h)到55L/(m²h)之间变化，且可以平均值为60L/(m²h)的渗透通量稳定运行一星期，而不用停止过滤过程来进行膜清洗。只有当连续运行10天后，渗透液通量下降至30L/(m²h)时才需要进一步采用酸、碱等化学物质清洗来恢复通量。

实施例3

所用装置、过滤体系和过滤操作条件同实施例2。反冲过程为自动控制，每3分钟开启一次，并在15bar的最大反冲压力下维持3秒钟。反冲压力提高至15bar的时间为200-1000ms，连续运行一星期后渗透液的平均通量如下表所示：

实施例4

所用装置、过滤体系和过滤操作条件同实施例2。反冲过程为自动控制，每3分钟开启一次，并在6-20bar的最大反冲压力下维持3秒钟，反冲压力提高至最大值的时间为500ms，连续运行一星期后渗透液的平均通量如下表所示：

反冲压力最大值（bar）	平均通量L/(m²h)
		6	35
8	50
		12	57
15	60
		17	63
20	65

实施例5

所用装置、过滤体系和过滤操作条件同实施例2。反冲过程为自动控制，每3分钟开启一次，并在15bar的最大反冲压力下维持1-120秒钟，反冲压力提高至最大值的时间为500ms，连续运行一星期后渗透液的平均通量如下表所示：

最大反冲压力维持时间（s）	平均通量L/(m²h)
		1	33
2	50
		3	60
10	62
		20	61
50	60
		100	64
120	61

实施例6

所用装置、过滤体系和过滤操作条件同实施例2。反冲过程为自动控制，每0.5-180分钟开启一次，并在15bar的最大反冲压力下维持3秒钟，反冲压力提高至最大值的时间为500ms，连续运行一星期后渗透液的平均通量如下表所示：

反冲间隔时间（分钟）	平均通量L/(m²h)
		0.5	65
1	65
		3	60
10	55
		30	47
60	30
		180	15

实施例7

图1所示的装置用于过滤淀粉液化糖化体系，其中添加了α-淀粉酶用于淀粉液化糖化生产葡萄糖。采用陶瓷纳滤膜进行过滤，该膜的截留分子量为1.0kD，在6bar的跨膜操作压力下纯水通量为110L/(m²h)。在跨膜压力为6bar，液体切向流速为2.5m/s的条件下对滤淀粉液化糖化体系进行过滤，只有葡萄糖可以透过膜，而α-淀粉酶、未糖化的淀粉和寡糖则被膜截留。当未进行反冲操作或膜清洗时，渗透液通量在一小时内从80L/(m²h)下降到5L/(m²h)。此时停止过滤操作，先后采用酸（1%磷酸，0.1Mpa，50℃，30min）、碱（2%NaOH，0.1Mpa，60℃，30min）和去离子水清洗膜后，渗透液初始通量可恢复至80L/(m²h)，但在1小时内渗透液通量又迅速下降至5L/(m²h)。

实施例8

所用装置、过滤体系和初始操作条件同实施例7。当渗透液通量下降至5L/(m²h)时，停止过滤，采用实施例7中的化学清洗方法对膜进行清洗后重新开启过滤，同时开启反冲操作。反冲过程为自动控制，每2分钟开启一次，并在18bar的最大反冲压力下维持3秒钟。所述反冲压力是通过活塞15从高位迅速移至低位形成的，且反冲压力提高至18bar的时间为300ms。在此开启反冲操作的过滤过程中，渗透液通量在60L/(m²h)到50L/(m²h)之间变化，且可以平均值为55L/(m²h)的渗透通量稳定运行一星期。

很明显，本领域的技术人员可在本发明公开的实施例基础上根据需要增加或删减发酵罐、膜分离器和蒸发器以达到预期目标，但这些改动仍然在本发明公开方法的范围之内。

Claims

1.一种改进膜过滤过程的方法，其包括以下步骤：

1)在膜过滤操作压力下，保持膜的进料液侧进料液连续切向流过；

2)迅速停止渗透液流出，同时在渗透液侧施加压力脉冲，使渗透液瞬间反冲，并维持该压力脉冲的最大压力；

3)降低渗透液侧的压力，使渗透液恢复流出，

其中，所述压力脉冲在200-600毫秒内达到最大压力，

所述压力脉冲的最大压力为膜过滤操作压力的至少2倍，

所述维持最大压力的时间为2-20秒，

所述使用压力脉冲使渗透液瞬间反冲的间隔时间为1分钟-3小时，

所述膜过滤过程为微滤、超滤或纳滤。

2.一种用于改进膜过滤过程的装置，其包括：

三通(20)；

膜过滤组件(1)，其包括过滤膜(2)、进料室(3)和渗透液室(4)；

加压设备(11)，其包括填充有高压流体(19)的压力罐(14)和可移动的活塞(15)；

其中，三通(20)的一个接头与渗透液室(4)相连接，另一个接头与第一阀门(8)和加压设备(11)的底部依次连接，第三接头与第二阀门(9)相连接，

所述活塞(15)具有上端面(16)和下端面(17)，且下端面(17)的面积小于上端面(16)的面积，通过使活塞(15)快速移动而形成压力脉冲，

其中，通过开启所述第一阀门(8)和第三阀门(12)，同时关闭所述第二阀门(9)来启动压力脉冲实现渗透液的瞬间反冲；所述活塞(15)的快速移动是由高压流体(19)推动的；

所述第一阀门(8)、第二阀门(9)和第三阀门(12)的同时开启和关闭，以及压力脉冲的产生和反冲过程的进行是自动控制的。

3.根据权利要求2所述的用于改进膜过滤过程的装置，其特征在于，所述第一阀门(8)、第二阀门(9)和第三阀门(12)的关闭或开启是在1000毫秒内完成的。

4.根据权利要求3所述的用于改进膜过滤过程的装置，其特征在于，所述第一阀门(8)、第二阀门(9)和第三阀门(12)的关闭或开启是在600毫秒内完成的。

5.根据权利要求2所述的用于改进膜过滤过程的装置，其特征在于，所述高压流体(19)是通过高压物流(13)产生的。

6.根据权利要求5所述的用于改进膜过滤过程的装置，其特征在于，所述高压物流(13)为压缩气体或高压液体。