CN115959747A - 两磁耦合的膜分离系统及膜过滤方法 - Google Patents

两磁耦合的膜分离系统及膜过滤方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了两磁耦合的膜分离系统，包括膜过滤设备，膜过滤设备的进水管处和反洗水管处分别设置有磁场。本发明利用两种磁化方式作用于进水端和反洗端，不仅可以有效缓解膜污染，同时也降低了膜的使用成本以及日常维护成本。本发明还公开了两磁耦合的膜过滤方法，应用本发明的超滤系统对溶液进行过滤，通过对进水和反洗水施加磁场，改变待处理溶液中有机物的亲疏水性，从而改变待处理溶液中有机物与膜表面之间作用力，进一步缓解膜污染。

Description

两磁耦合的膜分离系统及膜过滤方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及两磁耦合的膜分离系统，还涉及两磁耦合的膜过滤方法。
背景技术
近些年，我国针对环境治理的力度大大加强。在国内水域环境治理过程中，因为背景应用不同，其技术手段也有所不同，其不同是为尽可能与现场条件嵌合，达到最佳的治理目的，但不可否认的是每种技术在实际工程应用中都存在一定的局限性。比如水处理领域中的膜分离工艺作为典型的物理分离技术，在不同水质要求条件下也衍生了众多的膜分离技术，其中以截留不同分子量分类的微滤、超滤、纳滤以及反渗透技术在不同的应用场景中被广泛使用。但是膜工艺在长期过滤运行中，会导致滤膜膜孔窄化、膜表面孔径堵塞以及膜表面截留物质堆积等。而有学者对膜污染进行归纳总结，认为最为常见的是大分子有机物比如蛋白质、多糖、腐殖质以黏附或者吸附的方式与膜表面发生作用，造成膜孔堵塞，膜通量下降，这是造成不可逆的膜污染(无法通过正常反洗达到清理的污染指数)主要来源，从而引起膜污染指数上升，超滤所需静压差增大，即膜通量下降(膜通量指的是标准温度下，在单位压力下，单位时间内通过单位膜面积的流量)，更严重会造成膜表面损伤以及其他膜配件的损坏。即使膜工艺在运行固定周期后会有相应的反洗程序，但对过滤膜层的清洗依然效果不佳，最终造成膜工艺中的膜组件需要进行化学清洗，甚至更换，从而增大运营成本。
一般工程中常见的是通过加入NaClO溶液或NaOH溶液，虽然在一定程度上可以减轻膜污染，但是药剂的投加成本以及在运行中对膜表面的不可逆损伤都是需要慎重考虑的；也可以通过膜分离技术结合预处理工艺改善膜污染，比如电催化、臭氧等技术通过改变进水有机物的结构，使其能够穿过膜孔从而减缓膜污染，或者通过吸附剂强化吸收降低有机物的浓度，进而降低进入膜分离工艺的有机物含量，这些技术不仅需要考虑到本身的技术成本，占地面积以及人工操作等问题，对降解过程中可能引来的生态风险、与膜工艺的契合度，以及工艺应用背景都需要进行慎重考量。目前也有一些新颖的场效应技术比如磁场、电场、超声等技术耦合膜分离工艺，都是为改变水中有机污染物的存在结构从而缓解一定程度的膜污染。众多的研究者从不同场效应的结构上改进，为达到具体的膜分离技术嵌合度提高，甚至不惜多重场效应来对膜分离系统的进水端进行布控，从而造成了运营成本的提高，那么如何在低成本下耦合膜分离技术，是一个值得去摸索的技术问题。同时，很少有人将关注点放在利用场效应结合膜分离系统的反洗端，提高反洗效率的目的是降低不可逆膜污染，从而待下一周期的膜污染程度自然也不会加重。所以控制成本前提下，对进水端、反洗端施加场效应来完全嵌合膜分离系统的功能，是一个结合实际现场缓解膜污染的创新概念。
发明内容
本发明的目的是提供两磁耦合的膜分离系统，不仅将磁场作用于待处理溶液，通过磁场作用改变有机物在水溶液中的基本属性(平均粒径、电位及亲疏水性)，同时利用磁场作用于反洗水(磁化水)，通过磁场改变水分子的排列状态，使其具备磁化特性，可以将膜污染的不可逆污染转化为膜污染的可逆污染，即膜过滤运行中无法被反洗清理的膜污染利用反洗将膜表面累积物能够深入清理。
本发明的另一目的是提供两磁耦合的膜过滤方法，通过永磁加固以及变频磁场加持的两种方式施加磁场，改变待处理溶液中有机物的结构属性，减缓其与膜表面的作用力，同时利用磁化反洗水深度清洁，膜表面及膜孔中受磁场影响作用后无法清理的有机物，从而在一定程度上会缓解膜污染。
本发明所采用的第一种技术方案是，两磁耦合的膜分离系统，包括膜过滤设备，膜过滤设备的进水管处和反洗水管处分别设置有磁场。
本发明的特点还在于，
膜过滤设备为超滤设备，超滤设备连接有进水管、反洗水管和产水管，进水管和反洗水管处均设置有磁场。
超滤设备的进水管外部套有管状的空心永磁磁铁，空心永磁磁铁的内径与进水管外径相适应，空心永磁磁铁一端靠近超滤设备，反洗水管外部缠绕有线圈，线圈的两端头连接有磁化水发生仪，磁化水发生仪连接有电源。
空心永磁磁铁采用烧结汝铁硼制成。
空心永磁磁铁的磁感应强度为2800Gs-3200Gs。
空心永磁磁铁的内径为1cm-3cm，空心永磁磁铁靠近超滤设备的一端距离超滤设备进水口25cm-40cm。
变频磁场是利用磁化水发生仪正负极连接一根线，并将这条线缠绕在反洗水管外部，线圈匝数为75～453，所缠线圈直径为1-3cm。
作用于反洗水的磁化水发生仪其磁场感应强度为2400Gs。
本发明采用的第二种技术方案是，两磁耦合的膜过滤方法，应用本发明的超滤系统对溶液进行过滤，基于超滤工艺不变的基础上，通过永磁加固以及变频磁场加持的两种方式分别对进水和反洗水施加磁场，作用于进水溶液中有机物的官能团结构，从而改变有机物平均粒径、亲疏水性、以及Zeta电位，达到改变进水有机物与膜表面之间作用力的目的，使其在外压推动下过滤，同时对反洗水施加磁场后，以磁化水的形式作为膜的反洗水源，待周期性的过滤结束后，进一步冲洗沉积在膜表面受磁场作用后的有机污染物，实现过滤后的清洗。
本发明的特点还在于，
具体按照如下步骤实施：
步骤1，启动超滤设备，待处理溶液通过进水管进入超滤设备中，此时，进水管具有磁场；
步骤2，进入超滤设备中的待处理溶液在外压推动下过滤，过滤后的溶液经产水管排出，按照设定过滤一个周期；
步骤3，过滤周期结束后，开启磁化水发生仪，将反洗水经反洗水管通入超滤设备中，对超滤设备中超滤膜的产水侧进行冲洗，待冲洗结束后，重复步骤2-3，直至所有待处理溶液处理完成。
本发明的有益效果是：
本发明是一种永磁磁场、变频磁场耦合的超滤膜分离系统，结构简单，使用方便，通过在进水管和反洗水管处施加磁场对待处理溶液和反洗水磁化，不仅可以缓解膜污染，提高膜的耐受性，同时也降低了膜的使用成本以及日常维护成本。
本发明是一种永磁磁场、变频磁场耦合超滤缓解膜污染的方法，通过永磁加固以及变频磁场加持的两种方式施加磁场，改变待处理溶液中有机物的官能团连接结构，影响有机物平均粒径、亲疏水性及Zeta电位，从而在一定程度上缓解膜污染，而反洗水通磁后对受到磁场作用沉积在膜表面的有机物，也更利于冲洗。
附图说明
图1是本发明一种永磁磁场、变频磁场耦合超滤装置的系统结构示意图；
图2是本发明一种中空永磁磁铁(作为施加膜进水端磁场)的结构图，其中，图2(a)是中空永磁磁铁的侧面视图，图2(b)是中空永磁磁铁的剖面视图；
图3是两种磁场耦合超滤装置而形成的三种典型膜污染有机物的比通量变化曲线，其中，图3(a)是BSA溶液经过基础超滤，以及经过双磁共同作用下的超滤的比通量变化曲线，图3(b)是SA溶液经过基础超滤，以及经过双磁共同作用下的超滤的比通量变化曲线，图3(c)是HA溶液经过基础超滤，以及经过双磁共同作用下的超滤的比通量变化曲线；
图4是磁场作用下对不同有机物的粒径、Zeta电位变化图，其中，图4(a)是粒径变化图，图4(b)是电位变化图；
图5是磁场作用下对反洗水以及不同有机物的接触角变化图；其中，图5(a)是反洗水的接触角变化图，图5(b)是反洗水经过磁化后的接触角变化图，图5(c)是BSA溶液的接触角变化图，图5(d)是BSA溶液经过磁化后的接触角变化图，图5(e)是SA溶液的接触角变化图，图5(f)是SA溶液经过磁化后的接触角变化图，图5(g)是HA溶液的接触角变化图，图5(h)是HA溶液经过磁化后的接触角变化图；
图6是磁场作用下对三种不同有机物的DOC含量变化图；
图7是磁场作用下对二级出水超滤膜污染过程中的比通量变化曲线图。
图中，1.超滤设备，2.进水管，3.反洗水管，4.产水管，5.空心永磁磁铁，6.磁化水发生仪，7.检测设备，8.线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明两磁耦合的膜分离系统，包括膜过滤设备，膜过滤设备的进水管处和反洗水管处分别设置有磁场，进水管处和反洗水管处设置的磁场可以相同也可以不同。
实施例
本实施例提供两磁耦合的膜分离系统，如图1所示，包括超滤设备1，超滤设备1连接有进水管2、反洗水管3和产水管4，进水管2和反洗水管3处均设置有磁场。
进水管2处设置的磁场为永磁磁场，具体为，超滤设备1的进水管2外部套有管状的空心永磁磁铁5，如图2所示，空心永磁磁铁5的内径与进水管2外径相适应，空心永磁磁铁5一端靠近超滤设备1。
空心永磁磁铁5采用烧结汝铁硼制成，空心永磁磁铁5的磁感应强度为2800Gs-3200Gs。空心永磁磁铁5的内径为1cm-3cm，空心永磁磁铁5靠近超滤设备1的一端距离超滤设备1进水口25cm-40cm。
反洗水管3处设置的磁场为变频磁场，具体为，反洗水管3外部缠绕有线圈8，线圈8的两端头连接有磁化水发生仪6，磁化水发生仪6连接有电源，缠绕在反洗水管3外部的线圈8为一根，线圈8匝数为75～453，所缠线圈8直径为1-3cm。
本实施例还提供两磁耦合的膜过滤方法，应用本实施例的膜分离系统对溶液进行过滤，基于膜过滤设备过滤工艺不变的基础上，通过永磁加固以及变频磁场加持的两种方式分别对进水和反洗水施加磁场，作用于进水溶液中有机物的官能团结构，从而改变有机物平均粒径、亲疏水性、以及Zeta电位基本属性，进而影响到进水有机物与膜表面之间的作用力，使其在外压推动下过滤，同时对反洗水施加磁场后，以磁化水的形式作为膜的反洗水源，待周期性的过滤结束后，水分子的排列形式受到磁场影响，对沉积在膜孔及膜层表面受磁场作用的有机污染物增大冲洗效果，实现膜微量污染的过滤效果。
具体按照如下步骤实施：
步骤1，启动超滤设备1，待处理溶液通过进水管2进入超滤设备1中，此时，进水管2具有磁场，该磁场作用下待处理溶液中的有机物的官能团受磁场作用其衔接结构发生变化，从而有机物的平均粒径、电位及亲疏属性都发生一定改变，其有机物也会具备一定的磁场特性；
步骤2，进入超滤设备1中的待处理溶液在外压推动下于膜表面进行过滤，过滤后的溶液经产水管4排出，按照设定过滤一个周期；由于待处理溶液中的有机物受到外压作用，会阻隔在膜的进水侧形成积累层，但因为进水管2处磁场作用，其有机物的亲疏水性产生一定变化(疏水性增强)，与亲水性膜之间的作用会发生变化，从而在膜表面的积累层疏松；
步骤3，过滤周期结束后，膜表面污染层变厚，开启磁化水发生仪6，将反洗水经反洗水管3通入超滤设备1中，反洗水在磁化水发生仪6的作用下磁化，磁化反洗水对超滤设备中超滤膜的产水侧进行冲洗，磁化的反洗水更容易冲洗沉积在膜孔及膜表面的有机污染物，待冲洗结束后，重复步骤2-3，直至所有待处理溶液处理完成。
实验验证
(一)为方便获取膜污染数据，本申请的超滤设备连接有检测设备7(荷兰Convergence)，检测设备用于在线监测膜通量(J，单位L/(m2·h·bar))以及跨膜压差(TMP，单位kbar)的变化。为验证本发明一种永磁磁场、变频磁场耦合的超滤系统及超滤方法对超滤设备1中膜污染具有缓解效果，进行如下实验验证：
1)配置目标溶液，确定过滤体积。分别配置牛血清蛋白(BSA)、腐殖酸(HA)、海藻酸钠(SA)作为常见的膜污染物蛋白质、腐殖质以及多糖的代表性有机物溶液，并分别以15mg/L的溶液浓度，配置5L过滤体积，并为更好模拟现场实际水体环境，向溶液中加入0.5mg/L的NaCl,1.2mg/L的CaCO3以保证一定的电导率。
2)通过超滤装置确定过滤的流量(恒流式)，采用3L/H。利用超滤系统(HydraUF,荷兰Convergence)进行膜污染过滤，进水管和反冲洗管管径1.5cm。
3)设置过滤条件，8min对目标溶液进行过滤，4min纯水反冲，以此作为一个循环，进而依次类推至第五循环结束，这样的超滤膜污染试验作为对照组，再通过磁场作用于有机物溶液和反洗水，保证其他过滤条件不变的情况下进行试验，探究磁场分别对三种有机物目标溶液进行过滤产生的影响。
4)待五个循环结束后，使用电脑记录的膜通量数据进行绘图，从图中直观看到磁场作用于三种典型膜污染有机物溶液所进行超滤试验的影响。
如图3所示，是实验室配置分别为BSA、SA、HA溶液经过超滤,以及磁场耦合超滤后经过超滤的比通量曲线，来验证膜过滤中进水端采用永磁加固，反洗端采用变频磁场加持，对膜污染溶液经过超滤后的实际效果。超滤实验分为五个循环，每个循环分别是进水膜污染8min，其中的膜通量曲线在线记录，再经过4min系统反冲，进入第二循环继续进行进水膜污染8min，按照此类步骤到第五循环结束。将五个循环膜污染过程中的膜通量数据进行“归一化”处理形成比通量数据并绘制曲线，曲线的平滑下移趋势代表了污染越严重。无论从图3(a)配置的BSA溶液、图3(b)SA溶液还是图3(c)的HA溶液来看，磁场作用下的超滤实验都能够对膜污染进行一定程度的缓解。其缓解的作用主要分为两部分，第一为磁场作用于进水溶液中的有机物，其结构特性受磁场作用发生变化，从而影响到与膜表面之间的作用力，第二为磁化水反冲洗膜表面更有利于清理受磁场作用沉积在膜表面及膜孔内部的物质。
5)为探究磁场对有机物结构属性的变化，利用马尔文(仪器：颗粒及电位测量仪，Malvern/ZS)进一步验证磁场作用于目标有机物溶液的Zeta电位和粒径变化的结构变化。
从图4(a)中能够看到，经过磁场作用后，膜污染有机物溶液的平均粒径都相对未经过磁场时的增大，其中BSA与SA相对HA的增大趋势更明显。图4(b)中能够看到经过磁场加持后，BSA、SA以及HA其负电位变化都有明显加剧趋势。因此可以判断得出，经过磁场加持，对三种膜污染有机物的官能团结构产生作用，从而在粒径和电位上都产生一定影响。
6)为进一步探究磁场对有机物溶液的具体效果，用永磁加固的进水管而出的有机物溶液进行接触角测试(仪器：接触角测试仪，上海联谊，XYM100H-50)，来验证磁场对反洗水以及三种有机物溶液在同一膜表面(与过滤所用的膜一致)的亲疏水性变化。
利用接触角测试仪检测经过磁化的膜污染有机物溶液和未经过磁化的膜污染有机物溶液在同一张膜表面的亲疏水性。从图5能够看到，反洗水以及模拟常见的三种膜污染有机物溶液BSA、SA、HA都在经过磁化后，其接触角发生明显变大的变化。这是因为反洗水经过磁化后，其水分子结构分布发生变化，疏水性增强，有利于清洗膜孔及膜表面沉积受磁场作用的有机物，而三种膜污染有机物溶液受磁场作用，其有机物结构属性发生变化，其疏水性同样增强，这也很好的解释了，无论是BSA、SA还是HA受磁场作用后，其疏水性增强，有机物与膜表面之间的作用力减弱，是减缓超滤膜污染的主要原因，而磁化后的反洗水同样增强了疏水性，提高对膜污染内部沉积物的清理效果，保证在下一个循环中污染程度不会显著提高。
7)最后在进水端、磁场作用后，以及超滤产水三个点取样进行溶解性有机物(DOC)的含量测试(仪器：艾力蒙塔varioTOC，德国)，并利用TOC分析仪进行分析，从图6能够看出，超滤足够对进水中的DOC有一定的去除作用，而磁场作用，对DOC的影响微乎其微。
由以上实验探究表明，磁场加持的作用，对溶液中溶解性含碳有机物(DOC)没有去除效果，主要体现在进水中有机物的官能团结构上的影响，从而改变到电位、平均粒径以及亲疏水性，其次是由于反洗水磁化后，其疏水性增强，对沉积膜表面具备磁性的有机物冲洗效果更显著，二者结合大大提高了膜污染的缓解程度。
(二)探究效果不止从实验中出发，也应联系实际水体。用双重磁场耦合超滤膜工艺应用污水厂中的二级出水进行深度处理。利用二级出水作为进水端(直径为2cm)，在进水端管道中加入空心永磁磁铁，总长度为33cm，反洗水管径同样是2cm，线圈匝数为217，进行试验。
用本发明的超滤方式，采用双重磁场耦合超滤装置对污水厂二级出水(经过二级生化池的产水)超滤实验来验证，并对在线记录的膜通量数据进行归一化处理后画图，如图7所示。原始二级出水经过五个循环的比通量曲线逐级下降，在第四循环反洗后，第五循环开始已经趋于严重的膜污染程度。而经过磁场作用后，比通量曲线下降趋势小于对照的原始二级出水，表明膜污染做到了一定程度的缓解。而且从第一循环开始就已经起了作用，其下降曲线缓慢，并经过磁化水反洗后，其下一循环的膜通量下降趋势也比较稳定。

Claims (9)

1.两磁耦合的膜分离系统，包括膜过滤设备，其特征在于，膜过滤设备的进水管处和反洗水管处分别设置有磁场。
2.根据权利要求1所述的两磁耦合的膜分离系统，其特征在于，所述膜过滤设备为超滤设备(1)，超滤设备(1)连接有进水管(2)、反洗水管(3)和产水管(4)，所述进水管(2)和反洗水管(3)处均设置有磁场。
3.根据权利要求2所述的两磁耦合的膜分离系统，其特征在于，所述超滤设备(1)的进水管(2)外部套有管状的空心永磁磁铁(5)，所述空心永磁磁铁(5)的内径与进水管(2)外径相适应，所述空心永磁磁铁(5)一端靠近超滤设备(1)，所述反洗水管(3)外部缠绕有线圈(8)，所述线圈(8)的两端头连接有磁化水发生仪(6)，所述磁化水发生仪(6)连接有电源。
4.根据权利要求3所述的两磁耦合的膜分离系统，其特征在于，所述空心永磁磁铁(5)采用烧结汝铁硼制成。
5.根据权利要求3所述的两磁耦合的膜分离系统，其特征在于，所述空心永磁磁铁(5)的磁感应强度为2800Gs-3200Gs。
6.根据权利要求3所述的两磁耦合的膜分离系统，其特征在于，所述空心永磁磁铁(5)的内径为1cm-3cm，所述空心永磁磁铁(5)靠近超滤设备(1)的一端距离超滤设备(1)进水口25cm-40cm。
7.根据权利要求3所述的两磁耦合的膜分离系统，其特征在于，缠绕在所述反洗水管(3)外部的线圈(8)为一根，线圈(8)匝数为75～453，所缠线圈(8)直径为1-3cm。
8.一种两磁耦合的膜过滤方法，应用如权利要求3所述的超滤系统对溶液进行过滤，其特征在于，基于膜过滤设备过滤工艺不变的基础上，通过永磁加固以及变频磁场加持的两种方式分别对进水和反洗水施加磁场，作用于进水溶液中的有机物官能团结构，从而改变有机物平均粒径、亲疏水性、以及Zeta电位，达到改变进水与膜表面之间的作用力的目的，使其在外压推动下过滤，同时对反洗水施加磁场后，以磁化水的形式作为膜的反洗水源，待周期性的过滤结束后，进一步冲洗沉积在膜表面受磁场作用后的有机污染物，实现过滤后的清洗。
9.根据权利要求8所述的两磁耦合的膜过滤方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
步骤1，启动超滤设备(1)，待处理溶液通过进水管(2)进入超滤设备(1)中，此时，进水管(2)具有磁场；
步骤2，进入超滤设备(1)中的待处理溶液在外压推动下过滤，过滤后的溶液经产水管(4)排出，按照设定过滤一个周期；
步骤3，过滤周期结束后，开启磁化水发生仪(6)，将反洗水经反洗水管(3)通入超滤设备(1)中，反洗水对超滤设备中超滤膜的产水侧进行冲洗，待冲洗结束后，重复步骤2-3，直至所有待处理溶液处理完成。
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