CN112473374A - 一种具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，利用正渗透原理及正向、逆向冲洗的方法，将膜表面的污染物在来自膜内侧、垂直于膜表面的产水和膜侧面的冲洗水的双重作用下带离膜系统。本发明采用无活塞压力交换装置，通过液‑液直接接触的方式，将浓水压力直接传递给产水，在保证膜系统安全同时降低系统复杂度和成本，利用变渗透压的运行提高清洗强度，瞬间产水流量释放来改善浓差极化；实施本发明对膜系统进水盐含量无特殊要求，所用元件皆为通用设备，适用于各类脱盐物料浓缩领域以及旧项目升级改造。
Description
技术领域
本发明属于膜技术领域，涉及半透膜(反渗透膜、纳滤膜)的在线清洗，特别涉及一种具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置与方法。
背景技术
目前在脱盐系统中广泛应用的半透膜分别是反渗透膜和纳滤膜，目前广泛应用的反渗透膜和纳滤膜都采用非对称复合膜结构。非对称复合膜在正渗透(FO)和反渗透(RO)过程中，都共同面临两个相同的问题：浓化极差和膜污染。
在反渗透(RO)过程中，由于膜的选择性透过，溶剂(通常是水)透过膜，而溶质则被膜截留，其浓度在膜表面升高；同时发生从膜表面到本体的回扩散，当这两种传质过程达到动态平衡时，膜表面的浓度C2高于主体溶液浓度C1，这种现象称为浓化极差。由于非对称结构中支撑层的作用，非对称复合膜在正渗透(FO)内浓化极差严重，因此膜的水通量比理论值要低很多。
浓化极差也是导致膜污染的一个重要因素，由于膜表面的浓度增加，导致水中的微溶盐沉淀在膜表面，这种现象被称为膜结垢。除了结垢以外，膜污染还包括微生物污堵，它是由水中的胶体及微生物(细菌、病毒和藻类)引起的。膜运行在高微生物活动的进水中时，在接触各种微生物之后的3～5天就会出生物膜。
综上所述，半透膜正常运行的情况下，原水在压力的驱动下，透过膜从而得到透过液，剩余的原水被浓缩排出膜系统。半透膜运行的过程，同时也是膜受到污染的过程。膜的污染导致膜通量的下降，膜同量下降会进一步加剧膜的污染。
对于非半透膜，如微滤、超滤膜，可以利用反冲洗对膜进行清洗。即在外压得作用下，使用膜的透过液从同膜正常工作相反的方向通过膜，使膜得到清洗。半透膜受限于产水背压的限制，无法用简单的加压的方式进行反冲洗。近年来发展出利用正渗透(FO)原理，对半透膜进行反洗的技术。中国专利CN1686848A报道了一种可在线反冲洗的反渗透脱盐系统。该专利的实施存在如下问题:
1.制造成本、维护成本高，经济性很差
依据中国专利CN1686848A权利要求1所述，“反冲洗水筒为空心耐高压圆筒，空心耐高压圆筒内设置有活塞。”该设备利用液压的原理实现了压力的传递，传递能量的介质是高渗透压的浓盐水，其实质上是一种水液压装置。众所周知，相较于液压油，水的粘度低、润滑性能差、腐蚀性强，即便是纯水都是不适宜作为液压传递能量介质。由于高渗透压浓盐水具有很强的腐蚀性，反渗透系统的工作压力通常在1.8MPa-10.0MPa之间，因此反冲洗筒的活塞、筒壁、密封材料均需采用耐腐蚀性强、耐高压的材料，如CF8M、2205双相钢、022Cr17Ni12Mo2等特种不锈钢。液压装备属于非标设备，缸筒的直线度、圆柱度、圆度加工精度要求较高，与液压油相比，浓盐水硬度高、腐蚀性强、易结垢、润滑性差、无防锈作用，因此对密封圈等装置提出很高要求，加工费用昂贵。近年来，随着反渗透膜、纳滤膜价格的不断下降，作为保护装置，其成本应远低于被保护设备，否则没有实施价值。在日常运行过程中，活塞及缸筒的浓水端始终浸泡在浓水溶液中，因此也会发生生物污堵和结垢，导致活塞卡死等问题，维护费用也较高。
2.存在“背压”
虽然该专利的说明书中描述原理时提到：“使产水侧的压力略低于反渗透膜浓水侧的压力”，同样还提到，“在反渗透膜基本不能承受背压……否则活性层将出现剥离，从而造成反渗透膜组件报废。”然而在权利要求中提到“高压泵的出口端通过原水给水发与反洗水筒的原水端相连”。由于原水在高压泵的作用下从进水口向浓水口流动时，需要克服膜元件的阻力，其压力P不断降低。一般来用膜组件的跨膜压PD差来描述这个差值。
PD＝浓水口压力PBR-高压泵出口处压力PRW
反渗透膜系统的正常跨膜压差PD范围约为0.1-0.2MPa。因此当产水侧的压力PPR与高压泵出口压力PRW一致时，实际上靠近浓水口处的膜元件就处于“背压”状态。因此，该专利的权力要求与其说明书描述是相互抵触的，同时也不是违背了客观规律，是无法实施的。
3，内浓化极差
由于采用了正渗透(FO)方式，因此不可避免的带来内浓化极差的问题，清洗效果因此而大打折扣。
发明内容
针对正渗透清洗反渗透膜、纳滤膜的过程中存在的问题，如清洗装置造价高、存在“背压”，以及现有技术无法解决的其它问题，如内浓差极化等问题，本发明的目的在于提供一种具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置与方法，利用正渗透原理及正向、逆向冲洗的方法，将膜表面的污染物在来自膜内侧、垂直于膜表面的产水和膜侧面的冲洗水的双重作用下带离膜系统，从而解决上述问题以达到延长反渗透系统稳定运行周期、降低设备投资、降低维护费用的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，包括若干置有半透膜组件的膜组件压力容器，所述膜组件压力容器上设有进水口、产水口一、产水口二和浓水口，各进水口分别通过一个进水支管与进水主管16的一端相连，各产水口二分别通过一个带产水阀的产水支管与产水总管21相连，各浓水口分别通过一个浓水支管与浓水总管17的一端相连，浓水总管17的另一端与泄压装置15相连，其特征在于，各产水口一分别通过一个带清洗阀的清洗支管与清洗总管20的一端相连，所述浓水总管17通过带浓水驱动阀13的浓水驱动支管18与耐压清洗容器5的接口一相连，耐压清洗容器5的接口二与清洗总管20的另一端相连，使得浓水和产水能够在耐压清洗容器5流动，所述清洗总管20上设置有实时测量管内水质变化和/或水流量的检测装置6。
优选地，所述进水主管16上设置有切换阀门一22，切换阀门一22的第一口与给水装置1相连，第二口与各进水支管相连，第三口通过切换管一23与各浓水支管相连，所述浓水总管17上设置有切换阀门二24，切换阀门二24的第一口与各浓水支管相连，第二口与泄压装置15以及浓水驱动支管18相连，第三口通过切换管二25与各进水支管相连；正向在线清洗时，切换阀门一22、切换阀门二24均保持第一口和第二口接通，膜外侧水流方向是：给水装置1—进水主管16—膜组件—浓水总管17—泄压装置15；逆向在线清洗时，切换阀门一22、切换阀门二24均保持第一口和第三口接通，膜外侧水流方向是：给水装置1—切换管一23—膜组件—切换管二25—泄压装置15。
优选地，所述膜组件以及清洗支管分为一组或多组；所述清洗支管的分组与所述膜组件的分组一致。
优选地，所述浓水驱动支管18上设置有带清洗排放阀14的清洗排放支管19。
优选地，所述检测装置6采用下列检测方式中的一种或多种的组合：
检测方式1)，测量流过所述监测装置6的流体的流量或体积或质量，判断产水的流出量，预测何时停止清洗；
检测方式2)，测量一种或多种流过所述监测装置6的流体的水质成分或指标，根据水质成分或指标的变化，预测何时停止清洗。
优选地，所述膜组件为反渗透膜组件，所述耐压清洗容器5为反渗透耐压清洗容器。
优选地，所述耐压清洗容器5可具有以下一种或多种特征：
特征1)，为单个容器单元，或由多个容器单元串联或并联组成；
特征2)，容器内部被分为分隔为若干个独立的筒状流道，流道的出/入口直径d与圆筒直径D之比小于1，
特征3)，出/入口处流速小于2m/s。
优选地，所述耐压清洗容器5可由一个或多个下列设备构成：
1)，通用耐压管道；
2)，膜组件压力容器。
本发明还提供了该半透膜脱盐装置的在线清洗方法，包括正向清洗和逆向冲洗，控制阀门使产水盛满耐压清洗容器5，再控制阀门使浓水进入耐压清洗容器5，基于正渗透原理，通过液-液直接接触的方式，将浓水压力直接传递给产水，将产水挤出耐压清洗容器5，在渗透压的作用下，产水回流至膜外侧，使膜表面的污染物在来自膜内侧、垂直于膜表面的产水和膜侧面的冲洗水的双重作用下带离膜组件。
优选地，在正向清洗和逆向冲洗的过程中，将产水管内聚集的产水释放以消除内浓差极化。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、使用液体-液体直接接触的耐压清洗容器和通用的水质监测设备替代了“耐高压圆筒”和“活塞”，在确保膜系统安全的同时实现了压力的传递，将现有技术的“耐高压圆筒”和“活塞”方案由定制件转变为标准件，压力容器是一个静置设备，没有运动部件，也无需高精度复杂的机加工、结构简单、安装调试及运维成本低。
2、目前的现有技术，大都采用逆向冲洗的方法对膜进行保护。本发明在不在增加给水装置的前提下，实现了逆向正渗透在线清洗，即清洗过程即包括从膜内侧到外侧的正渗透过程，也包括从膜外侧的浓水端都到进水端的冲洗过程。
3、本发明采用无活塞压力交换装置，通过液-液直接接触的方式，将浓水压力直接传递给产水，在保证膜系统安全同时降低系统复杂度和成本，在正向清洗和逆向冲洗的过程中，将产水管内聚集的产水释放以消除内浓差极化。
4、本发明对膜系统进水盐含量无特殊要求，所用元件皆为通用设备，适用于各类脱盐物料浓缩领域以及旧项目升级改造。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是耐压清洗容器的进出水原理图。
图3是多个容器单元并联组成的耐压清洗容器结构示意图。
图4是多个容器单元串联组成的耐压清洗容器结构示意图。
图5是多支膜组件压力容器组成的耐压清洗容器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。
本发明一种具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，包括反渗透膜堆、耐压清洗容器5以及连接管路、阀门和泵等。参考图1，根据功能，可将本发明装置分为半透膜堆部分、在线清洗部分、产水排放部分和逆向清洗部分。其中：
1.半透膜堆部分
由N排8寸膜组件并联组成，N≥1，图1示出了N＝3的情况，本实施例中，具体选择反渗透膜组件。
膜组件一2、膜组件二3和膜组件三4可分别设置于膜组件压力容器中，各膜组件压力容器分别设置有进水口、产水口一、产水口二和浓水口，其中，产水口一、产水口二是产水管的两端。
各进水口分别通过一个进水支管与进水主管16的一端相连，进水主管16的另一端连接给水装置1。
各浓水口分别通过一个浓水支管与浓水总管17的一端相连，浓水总管17的另一端与泄压装置15相连。
2.在线清洗部分
浓水总管17通过带浓水驱动阀13的浓水驱动支管18与耐压清洗容器5的接口一以及带清洗排放阀14的清洗排放支管19相连。
膜组件一2的产水口一通过带清洗阀一8的清洗支管连接清洗总管20的一端，膜组件二3的产水口一通过带清洗阀二10的清洗支管连接清洗总管20的一端，膜组件三4的产水口一通过带清洗阀三12的清洗支管连接清洗总管20的一端。清洗总管20的另一端与耐压清洗容器5的接口二相连。清洗总管20上设置有检测装置6。
本发明中，耐压清洗容器5的原理如图2所示，其具有以下一种或多种特征，使得浓水和产水能够在耐压清洗容器5流动：
特征1)，为单个容器单元，或由多个容器单元串联或并联组成，如图3或图4所示；
特征2)，容器内部被分为分隔为若干个独立的筒状流道，流道的出/入口直径d与圆筒直径D之比小于1，
特征3)，出/入口处流速小于2m/s。
实际使用中，耐压清洗容器5可由一个或多个下列设备构成：
1)，通用耐压管道；
2)，膜组件压力容器，不装膜，仅作为管道使用，在膜堆中可以与装了膜的膜组件压力容器很好地安装在一起，采用膜组件压力容器组成的耐压清洗容器5如图5所示。
检测装置6用于实时测量管内水质变化和/或水流量，以预测何时停止清洗，可采用下列检测方式中的之一或者其组合：
检测方式1)，测量流过所述监测装置6的流体的流量或体积或质量，判断产水的流出量，预测何时停止清洗；
检测方式2)，测量一种或多种流过所述监测装置6的流体的水质成分或指标，如电导率、总溶解固体、PH值、硬度、碱度、氧化还原电位(OPR)等；根据水质成分或指标的变化，预测何时停止清洗。
本发明中，浓水含盐量较高，带有杂质，导电性较好，而产水含盐量较低，杂质少，导电性差，因此可以通过测量电导率、总溶解固体来判断。另外，由于产水很纯净，所以ORP、硬度、碱度、PH值也与浓水有很大差别。无论检测哪个制备，其目的均是为了了解产水是否已经全部从耐压清洗容器5流出，或者说产水和浓水是不是混合到一起，如果混合的太多，那么该混合水就无法再进行清洗，需要停止清洗动作。
本实施例中，耐压清洗容器5采用8英寸的反渗透耐压清洗容器，检测装置6采用电导率在线仪表，实时测量清洗总管20内溶液电导率的变化。
实际使用中，可将膜组件以及清洗支管分为一组或多组，且清洗支管的分组与膜组件的分组一致。
在一些应用实例中，为了消除内浓差极化，本发明提供了消除浓化极差的装置，清洗支管与对应分组的所有膜组件的产水口一相连。现有技术都是采用同端连接，即清洗支管与对应分组的产水支管相连，本发明提供了对端连接的技术方案，该方案能在不中断正渗透清洗的过程，利用产水支管及产水阀将膜内侧被浓缩的产水排出膜装置。本发明在不增加新设备的前提下，避免了内浓化极差的发生。
3.产水排放部分
膜组件一2的产水口二通过带产水阀一7的产水支管连接产水总管21，膜组件二3的产水口二通过带产水阀二9的产水支管连接产水总管21，膜组件三4的产水口二通过带产水阀三11的产水支管连接产水总管21。
4.逆向清洗部分：
进水主管16上设置有切换阀门一22，切换阀门一22的第一口与给水装置1相连，第二口与各进水支管相连，第三口通过切换管一23与各浓水支管相连，浓水总管17上设置有切换阀门二24，切换阀门二24的第一口与各浓水支管相连，第二口与泄压装置15以及浓水驱动支管18相连，第三口通过切换管二25与各进水支管相连。
在膜系统生产(产水)过程中，各阀门状态除产水阀一7、产水阀二9和产水阀三11外，均为关闭状态，逆向清洗部分的切换阀门一22、切换阀门二24均保持第一口和第二口接通。
本装置的使用方法包括正向清洗和反向清洗两种，两种方法的区别在于切换阀门一22和切换阀门二24的位置不同，导致膜外侧(原水侧-浓水侧)的流向不同，具体如下：
正向在线清洗时，正向在线清洗时，切换阀门一22、切换阀门二24均保持第一口和第二口接通，膜外侧水流方向是：给水装置1—进水主管16—膜组件—浓水总管17—泄压装置15。
逆向在线清洗时，切换阀门一22、切换阀门二24均保持第一口和第三口接通，膜外侧水流方向是：给水装置1—切换管一23—膜组件—切换管二25—泄压装置15。
本发明利用正渗透原理，及正向、逆向冲洗的方法，将膜表面的污染物在来自膜内侧、垂直于膜表面的产水和膜侧面的冲洗水的双重作用下带离膜系统。耐压清洗容器5中浓水的压力通过液-液接触传递给膜的产水侧，膜内外侧的压力接近相等，产水在渗透压的作用下，从产水侧向膜外侧(进水侧–浓水侧)渗透，冲击附着在膜外侧表面的污垢。为了将污垢彻底从膜表面冲洗干净，膜外侧溶液流动的方向可以通过阀门切换改变流向，其中正向流动为从膜组件进水侧至浓水侧，逆向流动为浓水侧至进水侧。在清洗的过程中，产水可以周期性从产水口排出膜组件，以避免内浓差极化的发生。
浓水和产水的液-液接触不可避免的会带来掺混，本发明通过控制入口流速、入口管径d与耐压清洗容器的内径D之比等方法来控制掺混率，同时通过在线仪表等方法清洗过程中的溶液进行水质实时检测，亦可采用体积、质量测量的方法对溶液水质进行检测。
本装置正向在线清洗和逆向在线清洗的具体步骤是：
(一)耐压清洗容器的注水
按照正向或逆向清洗的方法，将切换阀门一22、切换阀门二24放置在预定的位置；启动给水装置1；打开清洗排放阀14和第M排反渗透膜组的清洗阀，关闭第M排反渗透膜组的产水阀；第M排的产水进入耐压清洗容器5。当产水充满耐压清洗容器5后，关闭清洗排放阀14。
(二)在线清洗
打开浓水驱动阀13，浓水总管17中的高压浓水从耐压清洗容器5的接口一进入，产水从耐压清洗容器5的接口二被挤出到清洗总管20中，检测装置6不断监测流过清洗总管20中产水水质(如电导率)或者流量。冲洗过程中，浓水总管17中的高压浓水压力PBR是流过膜组件的压力，考虑到管道阻力等因素，传递给产水之后的压力PPRODUCT必然小于PBR，因此，在任何时刻都不会有背压产生。产水在渗透压作用下透过反渗透膜向膜外侧运动，将附着在膜表面的污垢冲掉，并随着膜外侧的溶液一起从膜外侧排除膜组件之外。其中，在正向清洗的时候，污垢从浓水总管17流出，在逆向清洗的时候，污垢从进水主管16流出。
为了避免内浓差极化的发生，在清洗的过程中每隔一定的时间t，可以打开产水阀，将产水管内聚集的产水排出系统，然后再关闭产水阀，继续在线清洗过程。
当清洗总管20中产水的电导率出现上升(或其它表明由产水变为浓水的指标)时，关闭第M排反渗透膜组的清洗阀，打开第M排反渗透膜组产水阀。
(三)再次充水
打开清洗排放阀14和第M+1排反渗透膜组的清洗阀，关闭第M+1排反渗透膜组的产水阀，对耐压清洗容器5再次充水。
对于一般的膜系统，为避免不必要的停机，可以在产水的过程中每隔一定的时间进行一次正向清洗，在产水开始之前和结束后，进行逆向清洗。
需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种形变或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，包括若干置有半透膜组件的膜组件压力容器，所述膜组件压力容器上设有进水口、产水口一、产水口二和浓水口，各进水口分别通过一个进水支管与进水主管(16)的一端相连，各产水口二分别通过一个带产水阀的产水支管与产水总管(21)相连，各浓水口分别通过一个浓水支管与浓水总管(17)的一端相连，浓水总管(17)的另一端与泄压装置(15)相连，其特征在于，各产水口一分别通过一个带清洗阀的清洗支管与清洗总管(20)的一端相连，所述浓水总管(17)通过带浓水驱动阀(13)的浓水驱动支管(18)与耐压清洗容器(5)的接口一相连，耐压清洗容器(5)的接口二与清洗总管(20)的另一端相连，使得浓水和产水能够在耐压清洗容器(5)流动，所述清洗总管(20)上设置有实时测量管内水质变化和/或水流量的检测装置(6)。
2.根据权利要求1所述具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，其特征在于，所述进水主管(16)上设置有切换阀门一(22)，切换阀门一(22)的第一口与给水装置(1)相连，第二口与各进水支管相连，第三口通过切换管一(23)与各浓水支管相连，所述浓水总管(17)上设置有切换阀门二(24)，切换阀门二(24)的第一口与各浓水支管相连，第二口与泄压装置(15)以及浓水驱动支管(18)相连，第三口通过切换管二(25)与各进水支管相连；正向在线清洗时，切换阀门一(22)、切换阀门二(24)均保持第一口和第二口接通，膜外侧水流方向是：给水装置(1)—进水主管(16)—膜组件—浓水总管(17)—泄压装置(15)；逆向在线清洗时，切换阀门一(22)、切换阀门二(24)均保持第一口和第三口接通，膜外侧水流方向是：给水装置(1)—切换管一(23)—膜组件—切换管二(25)—泄压装置(15)。
3.根据权利要求1所述具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，其特征在于，所述膜组件以及清洗支管分为一组或多组；所述清洗支管的分组与所述膜组件的分组一致。
4.根据权利要求1所述具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，其特征在于，所述浓水驱动支管(18)上设置有带清洗排放阀(14)的清洗排放支管(19)。
5.根据权利要求1所述具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，其特征在于，所述检测装置(6)采用下列检测方式中的一种或多种的组合：
检测方式1)，测量流过所述监测装置(6)的流体的流量或体积或质量，判断产水的流出量，预测何时停止清洗；
检测方式2)，测量一种或多种流过所述监测装置(6)的流体的水质成分或指标，根据水质成分或指标的变化，预测何时停止清洗。
6.根据权利要求1所述具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，其特征在于，所述膜组件为反渗透膜组件，所述耐压清洗容器(5)为反渗透耐压清洗容器。
7.根据权利要求1或6所述具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，其特征在于，所述耐压清洗容器(5)具有以下一种或多种特征：
特征1)，为单个容器单元，或由多个容器单元串联或并联组成；
特征2)，容器内部被分为分隔为若干个独立的筒状流道，流道的出/入口直径d与圆筒直径D之比小于1，
特征3)，出/入口处流速小于2m/s。
8.根据权利要求1或6所述具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置，其特征在于，所述耐压清洗容器(5)由一个或多个下列设备构成：
1)通用耐压管道；
2)膜组件压力容器。
9.权利要求1所述具有双向正渗透在线清洗功能的半透膜脱盐装置的在线清洗方法，包括正向清洗和逆向冲洗，其特征在于，控制阀门使产水盛满耐压清洗容器(5)，再控制阀门使浓水进入耐压清洗容器(5)，基于正渗透原理，通过液-液直接接触的方式，将浓水压力直接传递给产水，将产水挤出耐压清洗容器(5)，在渗透压的作用下，产水回流至膜外侧，使膜表面的污染物在来自膜内侧、垂直于膜表面的产水和膜侧面的冲洗水的双重作用下带离膜组件。
10.根据权利要求9所述的在线清洗方法，其特征在于，在正向清洗和逆向冲洗的过程中，将产水管内聚集的产水释放以消除内浓差极化。
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Inventor after: Yu Guoxu Inventor after: Zhang Rui Inventor after: Zhu Xiaoming Inventor after: Zhang Mei Inventor after: Other inventors ask not to disclose names Inventor before: Zhu Xiaoming Inventor before: Zhang Mei Inventor before: Other inventors ask not to disclose names |
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