CN1108182C - 一种错流式膜过滤系统的膜反洗设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种错流式膜过滤系统的膜反洗设备。设备采用双活塞结构，形成两个气室，当高压气体进入其中一个气室，推动该气室内活塞运动时，另一个气室中的气体得到迅速释放，并使气室内的活塞被前一个气室内活塞拉动而移动，迅速改变活塞的位置和使活塞复位，克服了依赖膜渗透侧流体压力使活塞复位的缺点，解决了流体在超滤或微孔膜过滤过程中膜渗透通量下降、浓差极化和膜堵塞的问题。本发明设备在保持膜过滤系统正常运行的状态下，用渗透清液对膜进行定期或不定期脉动清洗的膜反洗。

Description

一种错流式膜过滤系统的膜反洗设备

本发明涉及一种用于错流式膜过滤系统的膜反洗设备，特别是用于错流式超滤和微孔膜过滤系统的膜反洗设备。

错流式膜过滤，特别是超滤和微孔膜过滤主要适用于流体介质的净化处理和回收，如作为含盐水反渗透脱盐制备淡化水的前处理、含乳化油废水的除油处理、含胶体或微细悬浮物粒子的废水净化处理、催化剂生产过程排放的工艺废水中微细颗粒或胶体状催化剂产品或半成品的处理和回收等。在错流式膜过滤过程中，流体介质以较大的流速(形成湍流或涡流)从超滤膜或微孔膜的膜内侧连续通过，在膜传送压差的作用下，过滤膜渗透液透过超滤膜或微孔膜膜孔产生纯净流体，滞留液得到浓缩。但由于流体介质中可能含有较膜孔径细小的粒子颗粒或胶体，它们会随渗透液透过膜壁，较大一部分会被渗透液带出系统，但也会有少部分被吸附在膜壁或膜孔内，使得膜渗透通量下降，甚至堵塞膜孔；对于含乳化油废水的除油处理，尽管大多数乳化油粒子的粒径比膜孔径大，可以被超滤膜或微孔膜所截留，但由于乳化油的易被膜表面所吸附的性质，使得流体介质中的乳化油粒子大量集聚在膜壁上，当达到一定的浓度后，导致出现浓差极化现象，膜渗透通量快速下降，这时若采用较高的膜传送压差，将会使乳化油粒子发生变形，透过膜壁和膜孔，进入渗透液中。因此，为保持流体超滤或微孔膜过滤过程中较高的膜渗透通量，避免或减轻浓差极化和膜堵塞，除了从设计、工艺流程到设备操作运行、储运和停机保养等各个环节制定维护与预防措施外，如对料液采取预过滤、预凝絮等去除粗粒子胶体和固体悬浮物；提高进料流速以增大膜面水流速度，降低膜截留物在膜上的滞留；减少膜过滤设备的死角；提高料液温度，加速分子扩散，增大滤速；或降低膜两侧的压力差或料液浓度，以减轻浓差极化现象；过滤结束后对膜进行酸碱或化学药剂清洗等，在膜过滤运行过程中还必须对膜进行定期清洗。

关于膜过滤运行过程中对膜进行定期反向清洗的方法，Faten F.Nazzal，MarkR.Wiesner在“Microfiltration of Oil-in-Water Emulsions”(Water Environ.Res，68.1187，1996)一文中曾提到，当需要进行膜清洗时，关闭渗透液线，用配备的膜表面清洗设施中的超纯水用泵快速反向清洗膜壁和膜孔，清洗结束后再打开渗透液线，进行正常膜过滤操作。由于在膜过滤过程中，需要每隔5-10min即对膜进行一次瞬间清洗，因此采用这种膜清洗方法，需要不断地关闭和开动处理进料液泵或使进料液循环回进料罐中，不断地开启超纯水泵，膜渗透液不能保持连续排出，操作非常繁琐，而且需要耗费大量的超纯水。

US5512167提出一种用于错流式过滤机膜清洗的脉动活塞，试图在保持过滤系统正常运行的状态下，用膜过滤过程所产生的渗透清液对膜进行脉动清洗，这种用于膜清洗的脉动活塞采用了液压气动原理，在脉动活塞的空室上开设两个出口，其中第一个出口与错流式超滤或微孔过滤膜的渗透液出水口相连，第二个出口开设在与第一个口不同的位置上，脉动活塞由一个气缸、一个活塞和一个联接气缸与活塞的联接杆组成，其中气缸由可调节的空气源带动，由一个换向电磁阀控制气缸进气和排气，在正常膜过滤时，渗透液由膜过滤机渗透液出口流经脉动活塞的第一个出口，进入脉动活塞的空室，由第二个出口排出过滤系统；当需要进行膜反向冲洗时，由换向电磁阀控制进气阀，使气源中的高压空气快速进入气缸，推动气缸带动活塞运动，使活塞迅速移动到脉动活塞第一出口与第二出口之间的位置上，截断两个出口间渗透液的流动，使渗透液由膜渗透液侧快速压过超滤膜或微孔过滤膜，进入循环液侧，以实现超滤膜或微孔过滤膜的反向脉动清洗，然后控制电磁阀换向，排出气缸中的高压空气，依靠过滤机膜渗透液侧流体对活塞表面所施加的压力推动活塞慢慢恢复到初始位置，使得渗透液在脉动活塞的第一个出口与第二个出口间重新保持相通，保持膜过滤系统正常运行。然而事实上，采用这种形式的膜清洗设备对错流式膜过滤系统进行快速反洗后，这种依靠过滤机膜渗透液侧的流体对活塞表面所施加的压力推动活塞回到初始位置是行不通的。因为在流体的错流式超滤和微孔膜过滤过程中，流体是以很高的流速由膜管的一端进入，由膜管的另一端循环排出(循环液)，而渗透液是依靠膜两侧的压力差(膜传送压差)驱动透过膜孔的，为了保持良好的膜截留效果，常常需要采用很低的膜传送压差，如＜0.10MPa，保持膜渗透液侧的压力接近或等于常压，当采用上述结构的膜清洗设备对膜进行快速反洗后，膜渗透液侧流体会停留在过滤机渗透液出口与活塞之间，使渗透液侧流体压力升高，但由于渗透液是依靠膜两侧的压力差驱动产生的，因此渗透液侧流体压力最高只能达到膜进入侧的驱动压力，如＜0.10Mpa，由于此时膜传送压差为0，膜渗透不再发生，由膜一端进入的流动流体全部由另一端循环排出，因此这时仅仅依靠膜渗透液侧流体对活塞表面施加的如此有限的压力是不会推动活塞回到初始位置的。这时如果强制大幅度提高膜进入一端流体的流动压力，或对另一端的循环液实行节流，会再次产生膜传送压差，使渗透液流体压力升高，但由于压力升高后，会使大量的膜截留物被压实在膜壁、膜孔或强制挤过膜进入渗透液中，会造成膜截效率降低、或使膜形成难以恢复性的堵塞，但既使是这样，当活塞在渗透液较高的渗透压力的推动下慢慢地移动时，一旦接触或通过脉动活塞上的第二个出口的瞬间，渗透液较高的渗透压力得到快速释放，活塞将马上终止移动，这时活塞只能停留在渗透液的出液口处，使出液口变得狭小，流体阻力增大，从而造成了清液侧的压力升高，使液体渗透压差减小，通量减少，并且活塞复位时间较长，在复位期间的通量很小，影响过滤的稳定连续进行，同时由于活塞没有恢复到初始位置，影响了下一次膜清洗过程中活塞的有效行程，使膜反洗效果变差。因此这种依靠过滤机膜渗透液侧的流体对活塞表面所施加的压力推动活塞回到初始位置是行不通的。

本发明的目的在于克服已有反洗设备不能实现错流式膜过滤系统稳定连续运行的不足，提出一种用于错流式膜过滤系统中实现膜过滤稳定连续正常运行的膜反洗设备，特别是用于错流超过滤和微孔膜过滤系统中的膜反洗设备。

本发明的错流式膜过滤系统的反洗设备包括：缸体3、液缸活塞1、气缸活塞2、隔板4及活塞连杆5，其中隔板4将缸体3分成液缸和气缸两部分，液缸活塞1置于液缸中，气缸活塞2置于气缸中，两个活塞通过活塞连杆5相连。在液缸上设置液体进口7和液体出口8，在隔板4的两侧设置液缸充气/排气口9和气缸充气/排气口10。

图1是本发明设备一种典型实施例的结构示意图。

下面结合附图进一步说明本发明设备的结构和功能。

本发明的错流式膜过滤系统的反洗设备的缸体3被隔板4、液缸活塞1和气缸活塞2分成液腔12、液缸气室13、气缸气室14及气腔15。在液缸上设有液体进口7、液体出口8和液缸充气/排气口9，液体进口7最好设置在液缸的端部，液体出口8设置在液缸活塞1后死点的前面，液缸充气/排气口9设置在液缸活塞1后死点的后面。在气缸上设有气缸充气/排气口10和压力平衡口11，气缸充气/排气口10设置在气缸活塞2后死点的后面，压力平衡口11设置在气缸活塞2前死点的前面。隔板4可以设计成特定形状，以保证活塞在后死点位置时不能挡住充气/排气口9和10。两个活塞通过活塞连杆5连接为耦联运动部件，活塞可以通过螺母6固定在活塞连杆5上，两个活塞上应设有密封圈21防止泄漏，活塞连杆5穿过隔板4可以往复运动，隔板4与活塞连杆5之间应保持一定的密封性。为了防止意外情况发生，可以在液缸活塞1的后死点后面和/或气缸活塞2后死点后面设置排液口。

液缸充气/排气口9和气缸充气排气口10通过气路管线16、17与双向换向电磁阀18相连通，双向换向电磁阀18通过气路管线19与气量调节阀20及气源相连通。

可以将本发明的膜过滤反洗设备通过液体进口7与过滤装置相连通，当进行正常过滤操作时，液缸活塞1位于后死点处，气缸活塞2位于前死点处，这时，从膜过滤器流出的过滤清液通过液体进口7、液腔12、液体出口8流出系统，反洗设备是清液通道的一部分。当运行一定时间后，膜有所堵塞，膜通量下降时，可以启动本发明的反洗设备进行反洗。

反洗过程如下：液缸活塞1在通人液缸气室13中的高压气体的推动下迅速移动直至液缸活塞的前死点，活塞在移动过程中隔断液体进口7与液体出口8间渗透液的流动，并推动液腔12内的渗透液反向压入超滤和微孔膜，进入循环液中，实现超滤膜和微孔过滤膜的脉动反洗。而后高压气体经双向换向电磁阀18的换向，释放出液缸气室13中的高压气体，并向气缸气室14内快速充入高压空气，将气缸活塞2推到其前死点处，由于两个活塞通过一个活塞连杆连接，因此液缸活塞1也同时运动到了其后死点位置。对过滤器膜的反洗过程是瞬间完成的，液缸活塞1从后死点处开始移动到前死点位置，然后再回到后死点位置，整个反洗过程一般仅为1/10秒。

由于反洗过程是瞬间完成的动作，高压气体给予活塞很高的速度，因此当液缸活塞1越过液体出口8后仍可以继续向前移动直至其前死点，完成反洗任务。由于活塞往返速度很快，整个过程瞬间就可完成，因此在正常操作条件下，液缸气室13内不会有液体滞留。

本发明用于错流超滤和微孔膜过滤的膜反洗设备适用于在错流式膜过滤，特别是在超过滤和微孔膜过滤流体介质的净化处理和回收中，保持膜过滤系统正常运行的状态下，用膜过滤过程所产生的膜渗透清液对膜进行定期或不定期的脉动反洗，如在含盐水反渗透脱盐制备淡化水的前处理、含乳化油废水的除油处理、含胶体或微细悬浮物粒子的废水的净化处理、催化剂生产过程排放的工艺废水中的微细颗粒或胶体状催化剂产品或半成品的处理和回收等。

本发明所涉及的用于错流式超滤和微孔膜过滤的膜反洗设备采用双活塞结构，形成两个气室，当高压气体进入其中一个气室，推动该气室内活塞运动时，另一个气室中的气体得到迅速释放，并使气室内的活塞被前一个气室内活塞拉动而移动，迅速改变活塞的位置和使活塞复位，克服了瞬间反洗后依靠过滤机膜渗透液侧流体对活塞表面所施加的压力推动活塞恢复到原位的缺点，真正适应了错流超滤和微孔膜过滤机的正常膜过滤和膜反洗，在保持过滤系统正常运行的状态下，用膜过滤过程所产生的渗透清液对膜进行脉动冲洗，使过滤过程长期连续稳定运行。本发明的膜反洗设备结构简单、制造安装容易，适用于任何错流式膜过滤，特别是超过滤和微孔膜过滤在对流体介质净化处理和回收过程中，避免或减缓了流体在超滤或微孔膜过滤过程中膜渗透通量下降、浓差极化和膜堵塞的问题。

Claims (9)

1、一种用于错流式膜过滤系统的反洗设备包括：缸体[3]、液缸活塞[1]、气缸活塞[2]、隔板[4]及活塞连杆[5]，其中隔板[4]将缸体[3]分成液缸和气缸两部分，液缸活塞[1]置于液缸中，气缸活塞[2]置于气缸中，两个活塞通过活塞连杆[5]相连，在液缸上设置液体进口[7]和液体出口[8]，在隔板[4]的两侧设置液缸充气/排气口[9]和气缸充气/排气口[10]。

2、按照权利要求1的设备，其特征在于所述的液体进口[7]设置在液缸的端部。

3、按照权利要求1或2的设备，其特征在于所述的液体出口[8]设置在液缸活塞[1]后死点的前面。

4、按照权利要求1的设备，其特征在于所述的液缸充气/排气口[9]设置在液缸活塞[1]后死点的后面。

5、按照权利要求1或4的设备，其特征在于所述的气缸充气/排气口[10]设置在气缸活塞[2]后死点的后面。

6、按照权利要求1的设备，其特征在于在气缸活塞[2]前死点的前面设置压力平衡口[11]。

7、按照权利要求1的设备，其特征在于所述的两个活塞上设有密封圈[21]。

8、按照权利要求1的设备，其特征在于在液缸活塞[1]的后死点后面和/或气缸活塞[2]后死点后面设置排液口。

9、按照权利要求1的设备，其特征在于液缸充气/排气口[9]和气缸充气/排气口[10]与气路管线[16]、[17]、双向换向电磁阀[18]相连通，双向换向电磁阀[18]通过气路管线[19]与气量调节阀[20]及气源相连通。

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