CN118179274A - 一种污染膜元件恢复方案的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种污染膜元件恢复方案的确定方法,该确定方法的建立包含以下步骤:待测膜元件表观分析,取样切片,清洗试验,性能测试,依据性能测试结果,选取最优的化学清洗条件。此方法针对待测膜组件构建了完整的膜污染恢复确定体系,可为待测膜系统的清洗恢复提供有力支持。特别是在大型膜系统工程中,可提前判断膜污染特征,确定膜清洗方案,实现膜污染的高效恢复,减少膜系统的维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及膜技术应用领域,尤其是涉及一种污染膜元件恢复方案的确定方法。
背景技术
膜具有选择透过性,利用膜的这一特性可以实现不同物料组分的分离、浓缩及纯化。近年来,随着膜技术的发展,膜的应用愈加广泛。在水处理领域,膜技术作为净化分离水体污染物的重要手段而备受关注。利用膜的强制截流作用,可以有效的实现污水中细菌、病毒、胶体、颗粒物及盐分的筛分去除。在此过程中,分离物会被膜以表面截留、膜孔吸附及孔内沉积等多种方式拦截,造成膜污染问题,进而影响膜的分离传质效率。
膜污染一般可分为有机污染、无机污染和微生物污染。水体中的溶解性有机物(DOM)在分离过程中附着于膜表面,形成的有机质层为微生物提供了生长基质,并且可以作为微生物及无机污染物附着的粘合剂。微生物利用这些有机质生长代谢,逐渐在膜表面聚集并释放胞外聚合物,形成致密的微生物污染层。无机污染则主要是以无机胶体、微粒及金属盐结垢为主,水中存在的金属阳离子,可以降低表面电荷,在膜表面和DOM间形成分子架桥,从而加速DOM的附着沉积。各类型的膜污染物在一定时空内交错分布,互相影响,并以复合污染的形式存在。其污染机制复杂,很多情况下难以判断,由此引发的膜清洗维护问题,很大程度上限制了膜技术应用的进一步发展。
在实际应用中,膜污染的恢复主要是以化学清洗为主,一般采取定时或者以膜系统运行压力、出水水质等参数作为清洗的依据。在大型膜系统工程中,往往是根据水质类型设置固定的清洗模式及频率,缺乏对污染物组分、分布特性的判断及体系化的清洗恢复方案的确定方法,导致在控制膜污染的过程中存在一定的盲目性,造成了资源和能源的浪费,无形中提高了运行成本,难以指导实践中膜污染的清洗恢复。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明旨在提供一种污染膜元件恢复方案的确定方法,通过对待测膜元件进行表观分析和元素分析,识别污染物的组分及分布特征,揭示膜污染的形成机理。基于识别结果对待测膜元件开展多种条件下的清洗试验,最终通过性能测试,全面评估膜污染的恢复效果,确定最优控制方案,实现膜污染的高效控制。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明提供一种污染膜元件恢复方案的确定方法,包括原水箱、产水箱、产水泵、压力表及调节阀,其中:
所述产水泵的进水口连接进水管,所述进水管末端连接待测膜元件,所述测膜元件放置在原水箱中,所述进水管上设置有压力表、进水调节阀;所述产水泵的出水口通过出水管连接至产水箱,所述出水管上设置有流量计、出水调节阀。
所述确定方法包括如下步骤:
S1:待测膜元件表观分析:观察待测膜元件表面,结合跨膜压差数据判断污染程度,若跨膜压差在0~30kpa,则为一般污染;若跨膜压差超过30kpa,则为严重污染。
S2:待测膜元件元素分析:从待测膜元件上取样,对膜元件进行形貌及元素分析,表征膜污染的污染元素及空间分布,确定膜污染的种类及成因;
S3:待测膜元件恢复清洗试验:结合步骤S1得出的膜污染程度和步骤S2得出的膜污染种类,确定清洗方案,针对性的选取酸性清洗试剂、碱性清洗试剂及氧化性清洗试剂,得到清洗完成后的膜元件;
S4:膜元件性能恢复测试:对步骤S3得到的清洗完成后的膜元件进行性能恢复测试,在所述原水箱内装满纯水,完全淹没待测膜元件,打开进水调节阀、出水调节阀,开启产水泵,通过调节进水调节阀至运行压力达到预期值(通过调节进水调节阀至运行压力达到设定值12kpa,30kpa),分别读取流量计的数值,根据待测膜元件的面积A计算出过滤通量,进而得到膜元件通量恢复率;当膜元件通量恢复率≥95%,认为清洗效果较好;根据上述性能测试结果,确认最优清洗方案。
进一步地,步骤S4中所述的过滤通量通过以下公式确定:
其中,J为过滤通量(L·(m2·h)-1),V为通过待测膜元件产生的纯水体积(m3),A为待测膜元件过滤面积(m2),t为过滤时间(h)。
进一步地,步骤S4中所述的膜元件通量恢复率通过以下公式确定:
其中,S为膜元件通量恢复率;Jc为未污染膜元件过滤通量(取相同面积未污染膜元件,通过上述步骤计算得到过滤通量);Jw为清洗后膜元件过滤通量(通过上述步骤计算得到过滤通量)。
进一步地,步骤S2中所述形貌及元素分析的方法,包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线电子能谱仪以及X射线能谱分析仪中的一种或多种组合,用于表征膜元件的微观形貌,确定膜污染的分布特征,对污染元素的空间分布及种类进行综合分析。
进一步地,步骤S3中所述的酸性清洗试剂以及碱性清洗剂的浓度范围为0.5%~5%,所述是氧化性清洗剂浓度为0.3%~1%。
进一步地,步骤S3中所述的清洗方案包括酸性清洗试剂、碱性清洗剂、氧化性清洗剂中的一种或多种;根据元素分析确认的污染物成分,若为有机物成份污染,则采用碱性清洗剂和氧化性清洗剂清洗;若为金属离子成分污染,则采用酸性清洗试剂。
更进一步地,所述的酸性清洗试剂选自柠檬酸溶液、草酸溶液、盐酸溶液中的一种或多种。
更进一步地,所述的碱性清洗剂选自氢氧化钠溶液;所述的氧化性清洗剂选自次氯酸钠溶液。
进一步地,所述的膜元件包括中空纤维膜和平板膜。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
通过对待测膜元件进行表观分析和元素分析,识别污染物的组分及分布特征,揭示膜污染的形成机理。基于识别结果对待测膜元件进行多种条件下清洗试验,最终通过性能测试,全面评估膜污染的恢复效果,确定最优控制方案,实现膜污染的高效控制。
附图说明
图1为本发明实施例中待测膜元件恢复方案的确定方法的流程图;
图2为本发明实施例中膜性能恢复测试装置示意图;
图3为本发明实施例中待测膜元件微观形貌示意图;
图4为本发明实施例中待测膜元件元素分布图。
图中标号:1、原水箱;2、膜元件;3、压力表;4、进水调节阀;5、出水调节阀;6、产水泵;7、流量计;8、产水箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。如无具体说明,本发明的各种原料均可市售购得,或根据本领域的常规方法制备得到。
实施例
本实施例提供一种污染膜元件恢复方案的确定方法,通过对待测膜元件进行表观分析和元素分析,识别污染物的组分及分布特征,揭示膜污染形成机理。基于识别结果对待测膜元件开展多种条件下清洗试验,最终经过性能测试,全面评估膜污染的恢复效果,确定最优控制方案。装置包括原水箱1、产水箱8、产水泵6、压力表3及调节阀,其中:
产水泵6的进水口连接进水管,进水管末端连接待测膜元件2,待膜元件2放置在原水箱1中,进水管上设置有压力表3、进水调节阀4;产水泵6的出水口通过出水管连接至产水箱8,所述出水管上设置有流量计7、出水调节阀5。
确定方法包括如下步骤:
S1:观察待测膜元件表面,确定污染物的分布区域。结合跨膜压差数据判断污染程度,若跨膜压差在0~30kpa,则为一般污染;若跨膜压差超过30kpa,则为严重污染。
S2:从待测膜元件上取样,对膜元件进行形貌及元素分析,表征膜污染的污染元素及空间分布,确定膜污染的种类及成因。
如图3所示,采用SEM对待测膜元件微观形貌进行表征,可以观察到膜表面污染的总体分布及外貌形态。
如图4所示,本实施例中采用EDS对待测膜元件进行元素分析。元素的变化情况见下表1,其中待测膜元件相比于新膜元件,其F、C、O、Si、AI、Fe及Ca几种元素发生明显变化。膜表面C、O的原子比上升,表明膜表面附着物含有机物凝胶层,推测是以多糖类的生物聚合污染物为主。Ca、Fe呈面状分布,分布均匀,表明存在Ca、Fe离子态污染物,且伴有少量Ca、Fe无机颗粒物。Al、Si的空间分布呈点状分布,说明部分膜孔隙内存在硅铝化合物,且与O元素的影响区重叠,以硅铝酸盐污染为主。
表1各元素含量变化量分析
元素分析 | 待测膜元件weight% | 新膜元件weight% |
F | 36.30 | 78.61 |
C | 20.63 | 18.67 |
O | 21.37 | 2.72 |
Si | 1.71 | - |
Al | 4.22 | - |
Fe | 6.80 | - |
Ca | 5.36 | - |
S3:对待测膜元件进行恢复清洗试验。结合膜污染的程度和种类,确定清洗方案,针对性的选取酸性清洗试剂、碱性清洗试剂及氧化性清洗试剂,其中酸性清洗试剂、碱性清洗剂的浓度范围为0.5%~5%,氧化性清洗剂浓度为0.3%~1%。
本实施例中,将待测膜元件等分成多份,按0.5%、1%、3%、5%的浓度梯度分别配置酸性清洗试剂和碱性清洗试剂,所采用的清洗试剂包括柠檬酸、氢氧化钠和次氯酸钠溶液,其中氢氧化钠与次氯酸钠混合配置成复合清洗剂。将待测膜样品放入烧杯中,依次加入不同浓度的酸碱清洗试剂进行组合清洗试验。随后观察各组膜元件表面污染物的清洗效果,记录随清洗时间延长的变化,直至待测膜元件表面污染物全部洗净。
S4:对上述步骤清洗完成后的膜元件进行性能恢复测试,在所述原水箱内装满纯水,完全淹没待测膜元件,打开进水调节阀、出水调节阀,开启产水泵,通过调节进水调节阀至运行压力达到预期值,读取产水流量计的数值,通过计算通量及通量恢复率对膜元件的恢复效果进行评估。
膜元件性能测试检验装置示意图见图2。将清洗后的膜元件2连接至测试装置上,分别记录在12kpa和30kpa下膜组件过滤流量的变化情况,经三次平行测试取流量平均值。本实施例在不同浓度和压力下测试结果如表2所示。其中,3%(3#)、5%(4#)两组清洗浓度膜元件恢复效果较好,通量恢复率均达到95%以上。综合比较,3%(3#)浓度药剂消耗量仅为5%(4#)浓度的60%,可以明显降低药剂消耗量。最终确定采用碱洗+酸洗的组合方式(3#),其中碱为3%的氢氧化钠和0.3%次氯酸钠混合液,酸为3%的柠檬酸溶液,酸碱分别浸泡6h。
表2膜元件性能测试结果分析
由上述实施例可以看出,本发明通过对待测膜元件进行综合的表观分析、元素分析,识别污染物的组分及分布特征,并基于识别结果展开浓度梯度、清洗时间和清洗次序等不同条件下膜污染恢复试验,最终通过性能测试,全面评估膜污染的恢复效果,确定最优控制方案,实现膜污染的高效控制。
上述实施例是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解,并非以此限定本发明的具体实施范围,熟悉本领域技术的人员显然可轻易对上述实例做出各种修改。因此,本案不限于上述实施例,本领域的技术人员根据本案的揭示,对于本案做出的改进和修改都应该在本案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种污染膜元件恢复方案的确定方法,其特征在于,包括原水箱、产水箱、产水泵、压力表及调节阀,其中:
所述产水泵的进水口连接进水管,所述进水管末端连接待测膜元件,所述待测膜元件放置在原水箱中,所述进水管上设置有压力表、进水调节阀;所述产水泵的出水口通过出水管连接至产水箱,所述出水管上设置有流量计、出水调节阀;
所述确定方法包括如下步骤:
S1:待测膜元件表观分析:观察待测膜元件表面,结合跨膜压差数据判断污染程度,若跨膜压差在0~30kpa,则为一般污染;若跨膜压差超过30kpa,则为严重污染;
S2:待测膜元件元素分析:从待测膜元件上取样,对膜元件进行形貌及元素分析,表征膜污染的污染元素及空间分布,确定膜污染的种类及成因;
S3:待测膜元件恢复清洗试验:结合步骤S1得出的膜污染程度和步骤S2得出的膜污染种类,确定清洗方案,针对性的选取酸性清洗试剂、碱性清洗试剂及氧化性清洗试剂,得到清洗完成后的膜元件;
S4:膜元件性能恢复测试:对步骤S3得到的清洗完成后的膜元件进行性能恢复测试,在所述原水箱内装满纯水,完全淹没待测膜元件,打开进水调节阀、出水调节阀,开启产水泵,通过调节进水调节阀至运行压力达到预期值,读取流量计的数值,根据待测膜元件的面积A计算出过滤通量,进而得到膜元件通量恢复率;当膜元件通量恢复率≥95%,认为清洗效果较好;根据上述性能测试结果,确认最优清洗方案。
2.根据权利要求1所述的一种污染膜元件恢复方案的确定方法,其特征在于,步骤S4中所述的预期值具体为通过调节进水调节阀至压力表所示压力达到12kpa或30kpa。
3.根据权利要求1所述的一种污染膜元件恢复方案的确定方法,其特征在于,步骤S4中所述的过滤通量通过以下公式确定:
其中,J为过滤通量,单位为:L·(m2·h)-1,V为通过待测膜元件产生的纯水体积,单位为:m3,A为待测膜元件过滤面积,单位为:m2,t为过滤时间,单位为:h。
4.根据权利要求1所述的一种污染膜元件恢复方案的确定方法,其特征在于,步骤S4中所述的膜元件通量恢复率通过以下公式确定:
其中,S为膜元件通量恢复率,Jc为未污染膜元件过滤通量,Jw为清洗后膜元件过滤通量。
5.根据权利要求1所述的一种污染膜元件恢复方案的确定方法,其特征在于,步骤S2中所述形貌及元素分析的方法,包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线电子能谱仪以及X射线能谱分析仪中的一种或多种组合,用于表征膜元件的微观形貌,确定膜污染的分布特征,对污染元素的空间分布及种类进行综合分析。
6.根据权利要求1所述的一种污染膜元件恢复方案的确定方法,其特征在于,步骤S3中所述的酸性清洗试剂以及碱性清洗剂的浓度范围为0.5%~5%,所述氧化性清洗剂浓度为0.3%~1%。
7.根据权利要求1所述的一种污染膜元件恢复方案的确定方法,其特征在于,步骤S3中所述的清洗方案包括酸性清洗试剂、碱性清洗剂、氧化性清洗剂中的一种或多种;根据元素分析确认的污染物成分,若为有机物成份污染,则采用碱性清洗剂和氧化性清洗剂清洗;若为金属离子成分污染,则采用酸性清洗试剂。
8.根据权利要求7所述的一种污染膜元件恢复方案的确定方法,其特征在于,所述的酸性清洗试剂选自柠檬酸溶液、草酸溶液、盐酸溶液中的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的一种污染膜元件恢复方案的确定方法,其特征在于,所述的碱性清洗剂选自氢氧化钠溶液;所述的氧化性清洗剂选自次氯酸钠溶液。
10.根据权利要求1所述的一种污染膜元件恢复方案的确定方法,其特征在于,所述的膜元件包括中空纤维膜和平板膜。
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