CN1179115A - 含盐水的淡化方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用中空纤维型逆渗透膜的咸水或海水淡化方法及其装置,其目的在于提供一种在使该逆渗透膜使用寿命长的同时,而又能使用简单且经济的新方法及其装置。在所述含盐水的淡化方法中,使用中空纤维型逆渗透膜装置通水时,不经前处理即将原海水供给该逆渗透膜装置,该原水由沿着该装置中心轴所配置的芯管,经过该芯管与该装置纤维层内侧面之间所设置的内侧空间流入该纤维层,然后经过该纤维层的外侧面与该装置外筒之间所设置的空间流出。
Description
本发明涉及利用中空纤维型逆渗透膜的咸水或海水淡化方法及其装置。
如图5所示，在利用逆渗透膜的已有的含盐水(以下只要不另加说明，是指以海水为例说明的)的淡化方法中，通常采用将向逆渗透膜装置6供给的含盐水(以下称原水)预先进行前处理的系统。这里所谓的前处理是指：1)为除去造成逆渗透膜装置6的压降上升因素的原海水中悬浮物的“过滤”处理(通常是，加入试剂，如FeCl3等的凝聚剂CL2，使该悬浮物凝聚，并变为粗大化之后，用沙过滤装置3过滤)；2)为防止逆渗透膜生物污染而进行的″氯″的前处理(以杀死并消灭微生物为处理对象，通常，在″过滤处理″前，加入试剂如Cl2或NaClO等CL1。尤其，在使用避免用氯作前处理的逆渗透膜的情况下，需要加入对该试剂进行还原处理用的试剂，例如NaHSO3等还原剂CL3)。
若将这样的前处理装置装配在全部系统中，则将导致原始成本(前处理装置本身的成本当然包括前处理装置与调节逆渗透膜装置的处理量用的流量控制阀以及其电气设备与检测仪表设备的成本)的上升，以及流动成本(投入试剂的成本以及克服前处理装置本身阻力部分及设置在管道C上的流量控制阀(未图未)阻力部分用的泵2的动力成本)的上升，进而导致生产水的制造成本上升。
所述的前处理必须定期地向系统之外排放出由过滤材料所捕捉的原水中的悬浮物以及为使该悬浮物凝聚和粗大化而加入的凝聚剂CL2的絮凝物，而且在环境对策上，必须将其作为废物处理。
在逆渗透膜装置6的压降超过规定值时，暂时停止淡水生产，清洗该逆渗透膜装置。如图5所示，利用淡水生产系统中所另设的清洗设备进行清洗。利用专用泵和含有柠檬酸铵或有机清洗剂的清洗液，从该清洗设备开始，经过管道D2→该逆渗透膜装置(原水一侧)→管道F1的路线，进行循环清洗。在该清洗系统中，除在淡水生产系统中另设清洗设备外，还必须准备专用的清洗液，这一点也成了整个系统成本上升的主要原因。还有，该清洗效果仅限于其对象是溶解金属氧化物等清洗液。
以前还提出过这样一种新的清洗方法，即利用正渗透现象使淡水由处理水一侧向原水一侧的逆流的方法(特公昭54-40232号、特开昭63-59312号，以及特开平1-119306号各公报)，这些发明只不过是利用淡水的逆流作为膜面附着微粒子的物理剥离力，所以其清洗效果并不充分。
本发明的目的在于：为解决上述已有技术的课题而提出一种可简单而经济地使咸水或海水等盐水的淡化方法及其装置。
本发明人注意到系统整体的压降的主要原因当然地包括逆渗透膜装置压降上升的性能下降的主要原因，通过研究与验证完成了本发明。
首先，作为系统整体的压降的主要原因，在前处理装置本身的阻力部分以及前处理装置与逆渗透膜装置之间所设置的流量控制阀的阻力部分都是不可忽视的，而这里将其省略了。
根据已有的观点，如省略前处理，则会发出包括使逆渗透膜装置压降上升的障碍，但是对逆渗透膜装置在进行其装置改进并研究该装置运用时，发现可不一定必须用前处理。
也就是说，本发明利用中空纤维型逆渗透膜的含盐水淡化方法，其特征是，使用纵型圆筒形逆渗透膜装置，通水时，不经前处理而将原水供给该逆渗透膜装置，该原水由沿着该逆渗透膜装置中心轴所配置的芯管，经过该芯管与该逆浸透膜装置纤维内侧面之间所设置的内侧空间流入该纤维层，然后经过该纤维层的外侧面与该逆渗透膜装置外筒之间所设置的外侧空间流出。
在省略前处理的情况下，可预料到对逆渗透膜的障碍如下。
(1)如图6及图7所示，在已有的逆渗透膜的装置中，纤维层(由于是中空纤维型逆渗透膜，所以以下将各膜称为“纤维65”，其集合体称为“纤维层64”)的入口部通过内部过滤网63与芯管61的外侧面相接，因此在该纤维层入口部，即穿过该芯管的原水的通孔62(以下称孔)的出口部，捕获到较粗大的粒子，因此该部分被堵塞，其结果增加了流道的阻力(逆渗逆膜装置本身的压降的大部分为这一主要原因所造成)，同时产生偏流而引起性能下降。还有，若降低通过孔62的流速，则可减少该部分闭塞的发生，但是为此必须使该孔的全部开口面积加大，这样，具有原水供给压力的芯管61的强度(抗弯曲力)下降，所以是非现实的。
(2)若长时间地连续运转，则微粒子会开始缓缓地存积在纤维层内部，这便成为一种阻力，降低淡水化的效率(生产水量/原水量)。当然，也会使压降上升。
(3)水透过纤维时进入纤维层内的微粒子附着在纤维表面而形成凝胶层，这便成为一种阻力，降低淡水化的效率，产生浓度极化，增加了盐向处理水一侧的透过量。当然，也会使压降上升。
(4)微生物开始在所述凝胶层上繁殖，其中栖息在纤维表面附近的微生物，过去是采用预先向原水中注入Cl2或NaClO将其全部杀死，因此，该微生物本身及/或其分泌物即成为粘接物，该附着的微粒子牢固地附着在该纤维表面，其结果使所述(3)的障碍增大了。
(5)由于所述细菌等的作用，纤维本身受到损伤。
本发明对上述障碍采取了下列对策。
对障碍(1)的对策
在逆渗透膜装置6的纤维层64(确切地说，内部过滤网63)与芯管61之间设置空间67a(以下称为内侧空间)，一旦向该内侧空间导入由孔62出来的原水，则经过该空间均匀而低速地(以1-5mm/sec)为宜)流入该纤维层。这里所述的内侧空间67a是通过在芯管61的外侧面上沿该芯管轴方向延伸配置的多条肋板66而必然形成的。也就是说，在所述肋板的上端面通过内部过滤网63，与纤维层64的内侧面相接所致(参照图2及图3)。还有，孔62的全开口面积比已有方法小为好，而且孔62集中地配置在芯管的上部和下部(其结果，促进了原水向内侧空间67a中芯管的轴方向分散，同时与肋板的配置相结合，也可避免芯管本身的强度下降)。若使孔的全开口面积变小，则孔部的压降当然变大，而且原水向纤维层64的流入变为均匀，尤其通过低流速地进行，可大幅度地降低该部分的闭塞，其结果，与降低的压降相比，可忽略。
另外，本发明的装置是纵型的，即所述的芯管是垂直配置的，原水沿该芯管的轴线流动(由上至下或由下至上，可任一方向流动)，所以通过内部过滤网63及纤维层64的内侧面阻止流入的微粒子(与原水的流动方向无关)，以及沉降速度快的大粒子(只指原水由上向下流的情况)堆积在内侧空间67a及该芯管流动方向的下部。对于前者，可用如后所述的纤维层64的反洗以及空气洗进行处理(出于对装置的考虑，即向孔62的芯管61的上部和下部集中配置，并有效地使用以内侧空间67a作为该堆积物发送路，是有效果的)；对于后者，则可用下列方法处理，即利用原水的水压从该下部所设置的排泄管(带阀)向系统外或浓缩水管道排出该堆积物(该阀为常“开”)。
根据需要，停止逆渗透膜装置6的通水，沿着与通水时反方向使原水或浓缩水流入逆渗透膜的原水一侧(纤维65的外侧)，清洗该逆浸透膜装置的纤维层64(以下将该操作称为反洗)。该障碍只是微粒子附着纤维，所以通过反洗很容易除去该微粒子。清洗频率可根据原水的水质适当的设定，但对付该障碍早采取措施有效，以数日进行一次为宜。
对障碍(2)的对策
纤维层64的内部空间相当大，与障碍(1)及(3)相比，该障碍发生迟、因此通过采用对障碍(1)及(3)的对策，必然得到解决。
对障碍(3)的对策
对兼有对障碍(4)的对策，并实施对所述障碍(1)的对策(反洗)时，通过向逆渗透膜的处理水一侧(纤维65的中空部分)沿与通水时反方向供给加有Cl2或SO2的生产水或向其中再加有CO2的生产水，进行该逆渗透膜装置的纤维65表面的清洗。Cl2、SO2、CO2是气态物质，很容易通过逆渗透膜，由于具有由处理水一侧向原水一侧通过逆渗透膜的该气态物质，所以首先栖息在该纤维原水侧表面附近的微生物发生变质，直到死亡(因此，通水时不需要原水杀菌)。其结果，失去了凝胶层向膜面的附着力，进而，具有生产水的正渗透现象(通过浓缩水流向逆渗透膜的原水一侧，含盐水即使在咸水的情况下，也可得到充分的渗透压)，该凝胶层由膜面剥离，而这种已剥离的凝胶层随着逆行的原水或浓缩水迅速地向系统外排出。这里，在使用不能将Cl2用于逆渗透膜装置6的逆渗透膜时，使用SO2是有效的。CO2在有CaCO3水垢等的情况下，起着其溶解剂的功能。当然，通过实施对障碍(3)的对策也可消除障碍(4)及(5)。
本发明为了取得更完善的清洗效果，施加上述各种措施，进行纤维层64的空气清洗[以下称为空气洗，横型逆渗透膜装置不可能有此种操作]。具体地说，在所述正渗透并用反洗之后，在空气洗工艺的适当条件下，一旦抽出逆渗透膜装置6模块内保有的水之后，沿通水时反方向将浓缩水送入该逆渗透膜装置的原水一侧，同时由纤维层64的下部送入空气。这样，本发明的装置由于是纵型的，所以逆渗透膜装置6的模块内由下往上移动的水面附近成了激烈流动的气液混合流，纤维层64成为脉动，因此附着在该纤维层内部的各纤维表面的粒子由下往上依次而容易地从该纤维剥离。这里，对于逆渗透膜装置6的外侧空间67b为防止从下边向上直接继续地吹入清洗用的空气，在该外侧空间，沿该逆渗透膜装置的轴方向以一定的间隔，至少配置两个可封闭流道的隔板67b。还有，为了防止纤维65干燥，有效地利用正渗透现象产生的附着粒子的剥离力，在该工艺中要向逆渗透膜的处理水一侧继续供给加有Cl2或SO2的生产水，或向其中再加有CO2的生产水(其结果，该纤维表面经常处于湿的状态，所以附着的粒子容易滑向下方)。经过空气清洗完了之后的逆渗透膜装置6内保有的水中，含有大量的剥离粒子，因此一旦使该保有水排出系统外之后，再次进行所述的正渗透并用反洗，使残留在逆渗透膜装置6内的剥离粒子经清洗后流出。
下面对附图作简单说明。
图1是本发明方法一实施例装置线图的说明图。
图2是本发明一实施例装置逆渗透膜装置的芯管与纤维层之间关系模式所示出的部分放大剖面图(沿芯管轴线剖面)。
图3是图2所示的装置一部分(芯管及内侧空间)放大剖面图。
图4是本发明一实施例装置逆渗透膜装置的模块内水流动模式所示出的剖面图。
图5是已有系统线图的说明图。
图6是已有的逆渗透膜装置的芯管与纤维层的关系模式的示出的部分放大剖面图。
图7是图6示出的装置一部分放大剖面图。
下面参照附图，详细说明本发明。
图1所示是本发明的基本流动线图(由含盐水取得淡水的本来目的流动，即通水时的流动图)。图中符号1是原水贮槽，4b是过滤器，5a是高压泵，5b是回收涡轮机，6是逆渗透膜装置，7是生产水贮槽，8是生产水泵，A-H是各管道，CL4是Cl2或NaClO等后用氯试剂(用于对生产水的杀菌目的)。
本发明的方法是，被处理的含盐水(原水)不经“沙过滤”等前处理，即供给逆渗透膜装置6。但是，为了防止异物的流入而导致高压泵5 a以及逆渗透膜装置6的物理损伤，在高压泵5a之前设置过滤器4b(尤其，为装置的安全也可设置微过滤器)。通水时的流动以管道示出如下：
本发明的装置具有图2及图3所示的结构。若与图6与图7相比较，可容易看出，本发明的装置是纵型(已有的装置为横型的。图6及图7中纵向的左侧是左，同向的右侧是右，而图2及图3中，则纵向的左侧是上，同向的右侧是下)。还有，本发明的装置在芯管61与纤维层64(确切地说，内部过滤网63)之间设置内侧空间67a，同时在该芯管壁的上部和下部集中设置可在该壁上下部通水的孔62，这是主要的不同点。用高压泵5a加压，沿芯管61的轴方向导入的原水(压力：约65kg/cm2)大部分通过上部的孔62而进入内侧空间67a，流向该内侧空间下方(一部分流向芯管内下方之后，通过下部孔62进入内侧空间67a)，同时通过内部过滤网63以缓慢的流速流入纤维层64的全部内侧面，于是，大部分边沿半径方向流动，边脱盐(一部分沿芯管61的轴方向流动)。生产水通过纤维65的中空部从逆渗透膜装置6的上部流出，而浓缩水由外部过滤网68进入外部空间67b，通过该逆渗透膜装置的下部流出(参照图4。图中示出原水在芯管61内从上往下流的例子)。以一定的时间连续运转的逆渗透膜装置6停止通水后，进入清洗操作(按区分的工艺说明，序号表示工艺的顺序)。
(1)反洗
高压泵5a和回收涡轮机5b以及管道F3上所设置的单向阀等(未图示)的阻力经分流后，其过程，为管道H1→F1→D3→H2(表示流动过程，实际的配管也可不共用，下同)，流出原水或浓缩水，清洗纤维层64的内部及入口部[利用另设的冲洗泵(未图示)]。这里，在浓缩水中含有通水时经过纤维层64出现的粒子，因此为了阻止该粒子再次流入纤维层，在冲洗泵的出口设置微孔过滤器(未图示)。
同时，利用生产水泵8通过管道E将存贮在生产水贮槽7中的生产水供给逆渗透膜装置6的处理水一侧(纤维65的中空部)[对障碍(3)-(5)的对策]。在原水一侧没有了通水时的高水压，具有原水或浓缩水的渗透压，淡水由逆渗透膜的处理水一侧向原水一侧透过(正渗透现象)。原水有27kg/cm2的渗透压(海水的情况)，因此作为冲洗用的浓缩水的水压1kg/cm2也可得到正渗透用的充分驱动力。当然供给的淡水量可以是对透过原水侧部分的补偿量。这里，作为Cl4使用Cl2或SO2(避免Cl2的逆渗透膜的情况)，根据情况还可合并使用CO2(考虑CaCO3的水垢沉积物的情况)。其使用量虽无规定，但为避免操作复杂，也可达到饱和浓度。添加的场所既可是生产水贮槽7，也可是因该生产水贮槽容量过大而设置的专用槽。在逆送生产水的管道处设置喷射器，也可以用所需量与生产水进行吸入与混合。
(2)空气洗
①排水
从纤维层64的下部流入空气，从逆渗透膜装置6的上部(在原水从入口通水时，使原水从上往下流的情况)使该逆渗透膜装置内的一部分水与该空气一起排水，在该逆渗透膜装置内形成气泡层。在这一过程中也可得到一定程度的清洗效果。但是，由于纤维层64内的空气气流不均匀，所以仅此一次，不能充分洗净。
②加压
封闭所述的排水口，继续供给空气，使逆渗透膜装置6内形成加压状态(2kg/cm2)。
③排出
停止空气供给之后，打开逆渗透膜装置6下部设置的排放阀(未图示)，一口气将逆渗透膜装置内的水排出系统之外。水的流动方向是向下流，而各纤维65的表面从该纤维内部渗出的生产水(继续反洗工艺之后的空气洗工艺中，也时常供给逆渗透膜装置6的处理水一侧)附着的粒子成了易滑状态，所以要以迅速的水流排出，以排除相当数量的附着粒子。
④空气洗
对于空的逆渗透膜装置64的模块，从其下部(浓缩水的出口)同时送入原水或浓缩水(与反洗工艺相同，通过微孔过滤器的)与空气。在这一过程中，纤维层64内的空气气流均匀，而且水面激烈波动，呈上升。因此，纤维层64内部补充的粒子也很容易地被剥离。而且，在这一过程中，在纤维层64内的水与芯管61内的水之间起因于有无气泡而产生密度差，因此产生循环流，其结果，助长了先剥离的粒子的浮游。这里，被送入的水，与所述过程①的排水相同，由原水的入口流出。还有，本发明的装置在外侧空间67b配置可阻止沿芯管61轴方向，即该外周空间上下方向垂直流动的隔板69，所以空气就不能优先地吹进该外周空间。
(3)反洗
在反复进行所述工艺(2)空气洗的过程②与③之后，再次进行所述工艺(1)的反洗，冲洗系统中残留的粒子。
本发明装置是纵型的，通过清洗操作进行剥离，使残留系统中的粒子在通水时缓缓地向下方移动。其结果，在纤维层的上部常常存在着压降的部分，作为整体的压降上升是缓慢的。还有，即使在纤维层内部，由于密度作用而发生下降流，在防止上部封闭的同时，也减少浓度的极化，有利于水的通过。当然，更直接的是，由于可进行空气洗，所以包括延长可运转时间在内的效益也是很大的。
具体的效益，如可降低建设费为已有系统的60％；动力消耗量可降低至约10％；用本发明系统生产的淡水成本减少为已有系统的约75％。
根据压降上升经过进行预测，利用本发明的方法及装置，不经前处理，可望延长膜块2-4年的使用寿命，方法简单且经济效益好。
Claims (8)
1.一种利用中空纤维型逆渗透膜的含盐水淡化方法，其特征在于，使用纵型圆筒形逆渗透膜装置，通水时，不经前处理而将原水供给该逆渗透膜装置，该原水由沿着该逆渗透膜装置中心轴所配置的芯管，经过该芯管与该逆浸透膜装置纤维层内侧面之间所设置的内侧空间流入该纤维层，然后经过该纤维层的外侧面与该逆渗透膜装置外筒之间所设置的外侧空间流出。
2.根据权利要求1所述的含盐水淡化方法，其特征在于，调节所述的外侧空间内的水沿上下方向直线式地流入该外侧空间内。
3.根据权利要求1所述的含盐水淡化方法，其特征在于，所述的内侧空间是由所述的芯管的外侧面与在该芯管的外侧面沿该芯管的轴方向延伸设置的多条肋板以及所述纤维层的内侧面形成的，向该内侧空间供给原水是通过集中穿过该芯管壁上下部的水能流过的孔进行的。
4.根据权利要求1-3的任一项所述的含盐水淡化方法，其特征在于，包括下列工艺：在停止通水后，向逆渗透膜的处理水一侧沿与通水时反方向供给加有Cl2或SO2的生产水或向其中再加有CO2的生产水，同时向逆渗透膜的原水一侧沿与通水时反方向供给浓缩水。
5.根据权利要求4所述的含盐水淡化方法，其特征在于，还包括下列工艺：继所述工艺之后，放出逆渗透膜装置内所保有的水，此后，向逆渗透膜的处理水一侧沿与通水时反方向供给加有Cl2或SO2的生产水或向其中再加有CO2的生产水，同时向逆渗透膜的原水一侧沿与通水时反方向与空气一起供给浓缩水。
6.一种中空纤维型逆渗透膜装置，其特征在于，沿纵型圆筒形的逆渗透膜装置中心轴配置芯管，在该芯管与该逆渗透膜装置的内侧面之间设置原水或浓缩水可沿轴方向移动的内侧空间，同时在该纤维层的外侧面与该逆渗透膜装置的外筒之间设置原水及/或浓缩水可沿轴方向移动的空间。
7.根据权利要求6所述的中空纤维型逆渗透膜装置，其特征在于，在所述的外侧空间，沿该逆渗透膜装置的轴方向以一定的间隔，至少配置两个可封闭该流路的隔板。
8.根据权利要求6所述的中空纤维型逆渗透膜装置，其特征在于，所述的内侧空间是由所述芯管与该芯管的外侧面沿该芯管轴方向延伸设置的多条肋板以及所述纤维层内侧面形成的，水可集中穿过该芯管壁的上下部由可流过的孔通过。
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