CN111111456B

CN111111456B - 中空纤维膜寿命的评价方法

Info

Publication number: CN111111456B
Application number: CN201911327143.2A
Authority: CN
Inventors: 冯磊; 胡晓宇; 贾秋英
Original assignee: Tianjin Motimo Membrane Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Motimo Membrane Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: CN111111456A

Abstract

本发明属于膜评价领域，具体涉及一种中空纤维膜寿命的评价方法。包括下述步骤：1)样品制备截取外观完好的待测中空纤维膜中间段；2)采用腐殖酸水溶液测定产水水量；记录1次时间及对应的累计产水量；根据累计产水量计算单位膜面积累计产水量和比通量；当比通量衰减至膜比通量衰减至下限值70‑90％以下时，开始清洗；并利用拟合方程计算膜比通量衰减至下限值时的累计产水量；3)膜清洗恢复；4)重复步骤2)和步骤3)，直至清洗后膜比通量衰减至直到膜比通量衰减至一定程度且清洗后比通量仍无法恢复至下限值以上时，停止试验；使用本方法可以不需要膜在工程上运行即可评价预测中空纤维膜寿命，简单快捷方便。

Description

中空纤维膜寿命的评价方法

技术领域

本发明属于膜评价领域，具体涉及一种中空纤维膜寿命的评价方法。

背景技术

中空纤维膜是一种分离膜重要的形式，作为一种高效的分离材料，具有广泛应用领域，

主要包括食品工业、饮料工业、乳品工业、生物发酵、生物医药、医药化工、生物制剂、中药制剂、临床医学、印染废水、食品工业废水处理、资源回收以及环境工程等等。

目前，

膜使用寿命的评价指标和判定依据尚未形成明确统一的认识。膜寿命指的是膜从开始使用到由于性能下降、破损、膜框架以及设备老化等原因引起的膜法水处理工艺无法稳定运行(如产水水质、产水量等无法达到设计要求)或能耗和成本超过设计预期时的运行时间。膜生产商通常以膜系统的产水量或产水水质不能满足用户要求为膜寿命终止的标志。国内外的相关文献中主要是膜寿命影响因素的论述性分析，没有提到具体的测试方法和数据支持，其中提到膜寿命的评估方向有膜的过滤特征、表面特征、化学和结构特征、机械和热力学特征、形态特征、完整性检测等，膜到达使用寿命的特征包括渗透率下降、氧化老化、能源成本的增加、机械老化等。

目前尚无国内专利关于膜寿命评价方法的报道，国内文献中有关于膜生物反应器膜丝寿命评价的论述，评价是基于膜丝在膜在工程实际运行中的数据积累进行评价和预测的，该寿命评价/预测方法需要膜在工程应用的时间长达1年以上，效率低，准确性差，不能准确快速反应膜产品寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中空纤维膜寿命的评价方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种中空纤维膜寿命的评价方法,包括下述步骤：

1)样品制备截取外观完好的待测中空纤维膜中间段，用水浸泡后漂洗，多次浸泡和漂洗至清洗后的水pH值降为7.5以下，备用；

2)在统一跨膜压差和水温条件下，采用腐殖酸水溶液作为样品溶液测定产水水量；稳定运行产水，并开始计时，每隔一段时间记录1次时间tn及对应的累计产水量Qtn；根据累计产水量Qtn计算单位膜面积累计产水量Qsn和比通量Fsn；当比通量衰减至膜比通量衰减至下限值70-90％以下时，停止运行产水，开始清洗；并利用拟合方程计算膜比通量衰减至下限值时的累计产水量Qn；

3)膜清洗恢复；膜采用酸碱溶液浸泡后多次漂洗至清洗水pH值降为7.5以下；

4)重复步骤2)和步骤3)，直至清洗后膜比通量衰减至直到膜比通量衰减至一定程度且清洗后比通量仍无法恢复至下限值以上时，停止试验；

5)数据处理：根据每次运行中计算的单位膜面积累计产水量整个试验中膜的单位膜面积总产水量Qz，根据单位膜面积总产水量和膜的拟设计平均运行通量Fd，计算该运行条件下膜的使用寿命评价预期参数τ。

膜比通量衰减的下限值为300-500L/(m2·h·MPa)。

腐殖酸水溶液的浓度为1000mg/L-10000mg/L。

步骤3)中膜清洗恢复中采用质量分数0.5％的NaOH溶液+0.5％的NaClO溶液浸泡2h，多次漂洗至清洗水pH值降为7.5以下。

中空纤维膜的单位膜面积累计产水量Qsn，按式(1)计算：

式中：Qsn为试验记录的第n个运行产水时间内膜的单位膜面积累计产水量，单位为升每平方米(L/m2)；Qtn为试验记录的第n个运行产水时间内膜的累计产水量，单位为毫升(mL)；D为膜的外径，单位为毫米(mm)；L为膜的有效长度，单位为毫米(mm)。

中空纤维膜的比通量Fsn，按式(2)计算：

式中：Fsn为比通量，单位为升每平方米小时兆帕[L/(m2·h·MPa)]；Qsn为tn时间内的单位膜面积累计产水量，单位为升每平方米(L/m2)；Qsn-1为tn-1时间内的单位膜面积累计产水量，单位为升每平方米(L/m2)；tn为试验记录的第n个运行产水时间，单位为分钟(min)；tn-1为试验记录的第n-1个运行产水时间，单位为分钟(min)；P为跨膜压差，单位为兆帕(MPa)。

单位膜面积总产水量Qz，按式(3)计算：

式中：Qz为单位膜面积总产水量，单位为升每平方米(L/m2)；Qn为单次运行的单位膜面积累计产水量，单位为升每平方米(L/m2)；n为运行次数。

所述中空纤维膜的使用寿命预期参数τ，按式(4)计算：

式中：τ为中空纤维膜使用寿命评价预期参数，单位为小时(h)；Qz——单位膜面积总产水量，单位为升每平方米(L/m2)；Fd为设计平均运行通量，单位为升每平方米小时[L/(m2·h)]。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

使用本方法可以不需要膜在工程上运行即可评价预测中空纤维膜寿命，简单快捷方便。

附图说明

图1为本发明实施例1第1次运行试验Q_sn-F_sn数据图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：中空纤维膜寿命的评价方法采用下述步骤：

1)取有效长度为200mm的中空纤维膜样品，用水浸泡后漂洗，多次浸泡和漂洗至清洗后的水pH值降为7.5以下，备用；

2)以10000mg/L的腐植酸分散液为进膜液，在跨膜压差0.10MPa、水温25℃±1℃条件下稳定运行，连续产水和清洗，计算比通量衰减至500L/(m2·h·MPa)时的单位膜面积总产水量，再根据设计平均运行通量，计算膜的使用寿命评价预期参数。

使用寿命评价预期参数试验及计算步骤如下：在跨膜压差0.10MPa、水温25℃±1℃条件下稳定运行，每10min记录1次时间tn及对应的累计产水量Qtn；根据式(1)计算单位膜面积累计产水量Qsn，按式(2)计算比通量Fsn；第1次运行试验数据如下表1所示；

表1

根据表1的数据，以Qsn为横坐标，Fsn为纵坐标作图，见图1，并拟合为相关系数在0.99以上的Qsn—Fsn回归方程；根据回归方程：

Fsn＝-2930ln(Qsn)+20205，计算得出第1次运行试验中，比通量Fsn衰减至500L/(m2·h·MPa)时，单位膜面积累计产水量Q1为833.22L/m2；

3)将膜样品用0.5％NaOH溶液和0.5％NaClO溶液浸泡2h，然后用水将膜多次漂洗，至清洗水pH值降为7.5以下后，继续进行运行试验；

重复2)-3)试验步骤，依次进行运行产水和清洗试验(运行次数根据试验过程中比通量的衰减和清洗恢复情况确定)，分别绘制Qsn—Fsn的对应数据点图，并拟合为相关系数在0.99以上的Qsn—Fsn回归方程，计算比通量衰减至500L/(m2·h·MPa)时，各次运行的单位膜面积累计产水量Qn，得出各次试验数据如下表2所示：

表2

4)继续进行第7次试验，试验数据如下表3所示

表3

由上表数据可以看出，第7次运行试验中，膜样品的比通量在试验初期已衰减至500L/(m2·h·MPa)以下，且清洗后也无法恢复至500L/(m2·h·MPa)以上，膜样品已达到使用寿命，试验结束；

根据表2中数据，按式(3)计算单位膜面积总产水量：

Qz＝Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6＝833.22+475.68+155.47+103.41+37.64+31.54＝1636.96(L/m2)；

平行进行3组试验，得3组试验Qz的算术平均数为1640(L/m2)；若膜的设计平均运行通量为20L/(m2·h)，根据式(4)计算其使用寿命评价预期参数τ＝1640÷20＝82(h)。

2、评价结果:

试验膜样品以10000mg/L的腐植酸分散液为膜进水，在跨膜压差0.10MPa、水温25℃±1℃条件下稳定运行，连续产水和清洗，以膜的设计平均通量为20L/(m2·h)，比通量衰减至500L/(m2·h·MPa)时所需的时间表征膜达到使用寿命，则膜的使用寿命评价预期参数约为82h。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种中空纤维膜寿命的评价方法,其特征在于，包括下述步骤：

1）样品制备截取外观完好的待测中空纤维膜中间段，用水浸泡后漂洗，多次浸泡和漂洗至清洗后的水pH值降为7.5以下，备用；2)在统一跨膜压差和水温条件下，采用腐殖酸水溶液作为样品溶液测定产水水量；稳定运行产水，并开始计时，每隔一段时间记录1次时间tn及对应的累计产水量Qtn；根据累计产水量Qtn计算单位膜面积累计产水量Qsn和比通量Fsn；以Qsn为横坐标，Fsn为纵坐标作图，并拟合为相关系数在0.99以上的Qsn—Fsn回归方程；当比通量衰减至膜比通量衰减至下限值70-90%以下时，停止运行产水，开始清洗；并利用拟合的回归方程计算膜比通量衰减至下限值时的累计产水量Qn；其中，膜比通量衰减的下限值为300-500 L/（m²·h·MPa）；

3）膜清洗恢复；膜采用酸碱溶液浸泡后多次漂洗至清洗水pH值降为7.5以下；

4）重复步骤2）和步骤3），直至清洗后膜比通量衰减至直到膜比通量衰减至一定程度且清洗后比通量仍无法恢复至下限值以上时，停止试验；

5）数据处理：根据每次运行中计算的单位膜面积累计产水量整个试验中膜的单位膜面积总产水量Qz，根据单位膜面积总产水量和膜的拟设计平均运行通量Fd，计算该运行条件下按式（4）计算膜的使用寿命评价预期参数τ，

…………………………………………………(4)

式中：τ为中空纤维膜使用寿命评价预期参数，单位为小时h；Qz为单位膜面积总产水量，单位为升每平方米L/m²；Fd为设计平均运行通量，单位为升每平方米小时L/（m²·h）。

2.根据权利要求1所述的中空纤维膜寿命的评价方法,其特征在于，腐殖酸水溶液的浓度为1000mg/L-10000mg/L。

3.根据权利要求1所述的中空纤维膜寿命的评价方法,其特征在于，中空纤维膜的单位膜面积累计产水量Qsn，按式（1）计算：

………………………………………………(1)

式中：Qsn为试验记录的第n个运行产水时间内膜的单位膜面积累计产水量，单位为升每平方米L/m²；Qtn为试验记录的第n个运行产水时间内膜的累计产水量，单位为毫升mL；D为膜的外径，单位为毫米mm；L为膜的有效长度，单位为毫米mm。

4.根据权利要求1所述的中空纤维膜寿命的评价方法,其特征在于，中空纤维膜的比通量Fsn，按式（2）计算：

…………………………………………(2)

式中：Fsn 为比通量，单位为升每平方米小时兆帕L/（m²·h·MPa）；Qsn为tn时间内的单位膜面积累计产水量，单位为升每平方米L/m²；Qsn-1为tn-1时间内的单位膜面积累计产水量，单位为升每平方米L/m²；tn为试验记录的第n个运行产水时间，单位为分钟min；tn-1为试验记录的第n-1个运行产水时间，单位为分钟min；P为跨膜压差，单位为兆帕MPa。

5.根据权利要求1所述的中空纤维膜寿命的评价方法,其特征在于，单位膜面积总产水量Qz，按式（3）计算：

…………………………………………………(3)

式中：Qz为单位膜面积总产水量，单位为升每平方米L/m²；Qn为单次运行的单位膜面积累计产水量，单位为升每平方米L/m²；n为运行次数。