CN1221648A - 一种外压中空纤维膜的清洗方法及相应膜组件 - Google Patents

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本发明涉及外压中空纤维膜的清洗方法及设备。其特征是膜组件内的膜为U型并倒置单头铸封在膜组件的下方,在清洗过程中,反洗液由膜组件下端的一个管口进入倒U型膜内反向清洗;与此同时,由另一个管口注入压缩空气于膜组件的腔隙内,以对膜外部进行空气振洗,洗后液及空气则从膜组件上端的管口排出。本发明膜组件仅有三个出入管口,结构简单,操作方便。本发明可对膜内外进行有效清洗,迅速恢复膜通量。

Description

一种外压中空纤维膜的清洗方法及相应膜组件。
本发明涉及外压中空纤维膜的清洗方法和相关设备技术，国际分类号拟为Int.Cl6.BO1D 63/02、BO1D65/02。
水是生命之源。随着生活水平的提高，一方面，人们对饮用水的要求不断提高。所谓纯净水，太空水或净化水已进入人们的日常生活。另一方面，生产和工业用水如生化、医药、食品、调料等领域对水的纯度或净度要求也越来越高。近年人们开发研制的微滤和超滤膜技术用于水质的净化，正适应了这种需要，并且取得了良好的实际效果。其中尤以外压中空纤维膜用的最多。这是因为外压中空纤维膜(以下简称膜)具有单位体积内装填膜的面积最大，可去除原水中的藻类，微生物和胶体物质等多种悬浮物，并且净化纯度高的优点。但在实际应用中，膜的内腔、孔隙及外壁由于各种悬浮物的滞留、淤积而使膜的透水通量迅速下降，甚至堵塞而不能正常工作。因此对膜的清洗是膜应用技术不可缺少重要组成部分。特别是在目前原水(包括河水、湖水、井水、海水和自来水)已经或正在受到日趋严重污染的情况下，对膜有效并高效的清洗有着特别重要的实际意义。
对膜清洗常用的技术是反向渗透清洗(以下简称反洗或内洗)。由于污染膜通量已下降，这种技术清洗效率较低。特别是对于膜外壁淤沉粘附的污物不易去除，反洗效果不好。较先进的方法是在膜组件的腔内(即膜与膜组件壳体之间的空隙，但注有一定的洗液)充入压缩空气，使膜在所产生的空气泡和水流的作用下产生晃动和振荡，抖落或冲刷掉膜外的污物，达到清洗膜的目的。如日本特开平5-253450、特开平7-770号文献所给出的清洗方法。这种压入空气振荡清洗(以下简称振洗或外洗)的方法，对膜外污物去除较好，但对膜孔隙和膜内的污物去除作用不大，清洗效率仍不高。特公平7-60197号日本专利注意到这一问题，其既采用外压振洗的方法，又采用了内压反洗的方法，以期对膜内外有较好的清洗。但这一方法的外压振洗，与内压反洗分别单独进行，且反洗液利用的是膜组件内的残留水，反洗效果不明显，清洗效率也低。为了增加反洗效果，又有人提出在反洗液中加“药”(净化剂)的技术方案，如特开平7-275671号文献报道了在反洗液中加入次氯酸钠的反洗方法，每次工作20分钟，反洗一次25秒，每天或每周再采用一次空气振洗的清洗方法。这种方法加“药”频繁，不易控制，耗药费水，也易引起二次污染，特别是加药为某些净化过程如生化，医药等所不允许，应用效果不好。还有人为了提高清洗效果，提出了向外压中空纤维膜内充入高压压缩空气的方法，如日本特许公报2721787号专利报道了向外压中空纤维膜内充入0.6MPa高压压缩空气使其透过膜以提高内洗效果的方法。但这种方法首先就对外压中空纤维膜的内部耐压性能提出了更高的要求，使膜的成本提高，甚至不能作到；其次，在湿态下，在0.6MPa的高压压缩空气对于膜的孔径0.2μm以上者尚可通过，而对于0.1μm以下的微孔膜和超滤膜，则根本不能透过，也即该方法不适用。
另一方面，现有技术中的膜组件和水气系统设计也存在着缺陷；在所见文献报道中，膜组件中的膜设置方式有两种：一种为单开口(膜一端开口，另一端集束或为U型)向上的悬垂吊挂式，如前述特开平7-770号所示；另一种为双开口(膜上、下均开口)的两端固定式，如前述特许公报2721787号所示。第一种方式膜的上端作封头，下端则集束为整体，形成一种上端固定，下端束紧的悬垂吊挂式结构。这种结构使膜自然有一种归于铅直向下的力，不易摆动或振动，不利于振洗发挥更大的作用。这种结构还必须使出气口设计在膜组件上端膜封头以下的侧壁上。清洗气流向上遇封头受阻，转向侧壁排气，气流变速大，但此处正是膜被封头固定处，使其本应增加的振荡或摆动反而减弱或受到限制。同样道理，膜的集束处设计在膜组件的下端，正是清洗液水流即将排出的位置，污染水的浓度较大，但由于膜的束紧而较易残留污物或更不易清洁干净。因此，清洗效果不尽理想。第二种方式同样存在着第一种方式的缺陷，并且因膜在下端固定处形成流体死角而更易滞阻污物和更不易清洗干净，效果会更差。
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种对外压中空纤维膜新的清洗方法及相应的膜组件。它具有广泛的实用性、卓有效的清洗效果和更简单的结构。
本发明的目的是如下实现的：本发明方法适用于膜组件内为外压中空纤维膜的清洗。其特征是所述膜组件内的外压中空纤维膜为U型并倒置单头铸封在膜组件的下方，在清洗过程中，反洗液由膜组件下端的一个管口进入倒U型外压中空纤维膜内进行反向渗透清洗；与此同时，在膜组件下端的另一个管口注入压缩空气于倒U型外压中空纤维膜外与膜组件壳体之间的腔隙内，以对倒U型外压中空纤维膜外部进行空气振荡清洗，洗后液及空气则从膜组件上端的管口排出。
与此相应地，设计一套与本发明方法相适应的膜组件，它包括外压中空纤维膜1、封头6、膜组件壳体2、上、下端盖9、8，其特征是所述的外压中空纤维膜1为U型并倒置单头铸封在膜组件壳体2内的下方，膜组件的上端盖9上开有上管口3，膜组件的底部开有下管口4，上、下管口3、4均可从膜组件外部与倒U型外压中空纤维膜1的外表与膜组件壳体2之间的腔隙7相通，而膜组件底部的另一个下管口5受封头6的阻隔，仅与倒U型外压中空纤维膜1的内腔相通。
本发明方法和设备的积极效果表现在：首先，可实现同时对膜内外进行连续的反洗和振洗(因而可称为双洗法)，并且可使对膜内的反洗和对膜外的振洗两者相互促进，使其在各自清洗作用的同时发挥出比各自本身作用之和更大的协同作用。与现有技术或反洗或振洗或两者交错间隔洗的单一清洗(简称单洗)方法相比，具有明显的高效性和彻底性(这可由后述的实施例及比较例的膜通量对比曲线进一步作证)。其次，本发明方法不用加“药”，不会二次污染，节约清洗成本，提高工作效率，适用性强。再次，本发明方法仅采用一般低压压缩空气振洗，不用高压压缩空气，既降低了运行能耗、减少了清洗成本，又对膜本身无耐压及孔径的特殊要求，因而广泛适用，即不但适用于微孔膜，也适用于超滤膜。第四，本发明方法采用了反洗液和空气均从膜组件下端的管口进入，而洗后液和空气一并从膜组件的顶端排出的水气顺流清洗方式，可减少现有技术中的水气对流清洗方式(即水流自上而下，气流由下而上)所带来的水气流振洗力的减弱或无益损耗，从而有利于反洗和振洗效果的强化。最后，本发明方法膜组件可使洗液始终动态充满膜组件壳体内的全部隙腔，有利于空气和洗液对膜纤维的全长清洗，而传统的“半罐水”(如特公平7-60197所报道)的清洗方法则不易或不能很好地作到这一点。
与本发明方法一并设计的膜组件中，放弃了传统的在膜组件上端单头铸封膜的单开口向上吊挂悬垂式或双开口的双端固定式的设置方式，而采用了倒U型膜单头铸封在膜组件下端的单开口向下的独特设置结构。这种可称为托举式的U型膜设置方式由于膜的下端固定而重心在其之上，每一根U型膜都会有一种偏离各自铅直中心的自然力。这将有利于振洗水、气流对U型膜的晃动和抖落，易于污物的剥落和清洗，也可进一步提高清洗效果。特别是对U型膜的折弯处，本发明采用每根膜自然松散状态设置在膜组件内的托举方式，去除传统的束集或固定，更有利于膜纤维全长，特别是U型膜折弯处的清洁。
本发明方法相应设计的膜组件仅采用了三个管口，即膜外上、下管口各一个，膜内管口一个，简单实用，加工容易，成本也低。进而在膜分离装置中与之相配套的外部管路阀门等也可相应减少，并且控制容易，操作方便，具有良好的实用性。
下面结合实施例及其附图详述本发明：
图1为本发明方法的一种实施例的原理示意图；
图2为本发明方法的另一种实施例的原理示意图；
图3为与本发明方法相适应的一种膜组件结构示意图；
图4为与本发明方法相适应的另一种膜组件结构示意图；
图5为使用本发明方法及设备实施例与对比例的膜通量曲线图。
本发明方法适用于外压中空纤维膜构成的膜组件或膜分离装置的清洗。其设计关键是提供了采用U型膜且倒置开口向下单头铸封在膜组件下方的托举式设置方式，并使膜的内洗、外洗可同时进行的技术方案，即在反洗液对膜内腔和膜孔隙进行反向渗透清洗(即内洗或反洗)的同时，对膜外利用压缩空气进行振荡清洗(即外洗或振洗)，内洗液、外压气均由膜组件的下端注入清洗，洗后液和空气一并从其顶端排出，水气顺流，由下而上地连续动态清洗膜。
在图1、图2所示发明方法的两种实施例原理图中，可以看出：在正常微滤或超滤工作过程中，可将阀门11、14关闭，原水(需净化过滤的水)从打开的阀门12进入膜组件的膜外腔隙中，因是外压膜，原水可透过膜而被净化。净化后的滤过液由打开的阀门13流出，完成过滤净化工作。此时，如果阀门15部分打开，将有部分浓缩液从膜组件上端回流，称为错流循环过滤，如果阀门15不打开，没有浓缩液回流，称为全过滤。在需要清洗时，首先关闭阀门12，切断原水，再将阀门15开启至最大，以排空膜组件内的残液。然后将阀门13关闭，打开阀门14，使反洗液注入膜内以对膜内腔和膜孔隙进行反向渗透清洗；随后，打开阀门11注入压缩空气，使其在透过液(反洗液经膜的反向渗出液)中产生大量的振荡气泡。气泡的产生、运动、破碎，可使膜产生振动、摇摆及相互间摩擦碰撞，从而使膜外壁附着或粘连的污染物松动而脱落，达到对膜外清洗作用。洗后液携污物和空气一并可经阀门15排出，完成膜内外双洗任务。本发明方法不但可使内外洗各自发挥各自本身的清洗作用，而且还可使两者发挥协同促进作用，即内洗液从膜孔不断渗出，有利于膜外膜孔附近的污物脱落，并产生连锁反应；而膜外空气振洗，也对膜孔、膜内腔的清洗产生强化作用，从而产生比其各自作用更大的清洗效果。在清洗过程中，由于阀门15、11和14始终打开着，因此本发明的双洗过程是动态连续进行的，即随着携污洗后液及空气的不断排出，则有新的反洗液不断注入膜内进行反洗，同时又补充了透过液，进而又可使连续注入的压缩空气在透过液中不断地产生大量振荡气泡，对膜外进行有效的清洗，从而迅速高效地实现对膜内外的清洗。这意味着，本发明方法不但是内外双洗，并且是动态连续双洗，要比现有技术的单洗或一罐(因排污常为半罐)水静态间续清洗要高效的多。图1和图2是本发明方法两种不同的实施方式，其区别仅在于反洗液(滤过液)和压缩空气(原水)在膜组件下方的注入方式不同，两者并无本质区别。采用哪种方式取决膜组件的机加工方便程度(成本)和膜分离装置的整体结构设计。
为适应本发明方法配套设计了相应的膜组件，以使该方法更好的发挥效用和具体实现。本发明的膜组件包括外压中空纤维膜1、封头6、膜组件壳体2、上、下端盖9、8，其特征是所述的外压中空纤维膜1为U型并倒置单头铸封在膜组件壳体2内的下方，膜组件的上端盖9上开有上管口3，膜组件的底部开有下管口4，上、下管口3、4均可从膜组件外部与倒U型外压中空纤维膜1的外表与膜组件壳体2之间的腔隙7相通；而膜组件底部的另一个下管口5受封头6的阻隔，仅与倒U型外压中空纤维膜1的内腔相通。简单说，膜组件仅设计了三个管口：下管口5为内洗入口，下管口4为外洗入口，而上管口3为水、气排出口。水、气流整体均由下而上，连续动态清洗，很快即可洗净，恢复膜原有的通量。本发明膜组件中的膜独特地采用U型并倒置方式，即以单开口向下的托举式替代单开口向上的吊挂式或双开口式的好处是：一是水、气同流，不会使其作用相对流动而减耗，也不会使污染物受阻(水向下流，气往上托)而排出不畅，可提高清洗效率；二是U型膜的开口端虽在膜组件下端被铸封固定，不易振摆，但此处正是水、气入口，流速大，冲击力强，有利于对其清洗；三是U型膜折弯处不束紧，是单根散状，且位于水、气出口处，流速也相应增大，同样有利于该处的清洗。因此本发明膜组件有利于对纤维膜全长进行有效清洗，迅速提高膜通量，增强本发明方法的清洗效果。
本发明膜组件可有两种具体实施方式，如图3、图4所示。两种实施例结构的不同之处在于反洗液和压缩空气在膜组件下方的入口设计不同。图3给出的实施例是所述的下管口4位置设计在膜组件壳体2下方的侧壁上，并且在其内口附近安置有挡圈10；所述的下管口5设计在膜组件下端盖8的中心。图4给出的实施例是所述的下管口5位置设计在膜组件下端盖8的侧壁，而下管口4则设计在下端盖8的中心。此外，在图3所示实施例中设计了挡圈10，其目的是为了减弱压缩空气入口处流速和压力并均匀分配给纤维膜的各处。挡圈10材料可为不锈钢或ABS工程塑料，其上均布有适宜孔径的配气孔。图4所示实施例由于下管口4设计在膜下端盖8的中心，并延伸至膜组件的内腔中心，属于中心分配型，故可以不使用挡圈10。这也意味着图3所示实施例中不采用挡圈10同样可以完成本发明目的。
不论哪种膜组件实施例的结构，仅设计了三个出入管口，比现有技术少得多(如前所述日本特开平7-770和特公平7-60197专利文献报道的现有技术中，膜组件出入管口多达8个和6个)。这样带来的好处是结构简单、配套管路明晰、操作方便，同时也给过滤净化与清洗工作两个过程的相互转换和自动控制带来了很大便利。
利用本发明的膜组件，配以相应的阀门、管路、泵件、压力表等部件，普通技术人员不难组配成一种新的膜分离装置。对现有膜分离装置进行适当改进，也可适用于本发明方法。此外，本发明膜组件和膜分离装置，不但适用于双洗，而且也完全适用于单洗、间续洗或“药洗”。这主要根据实际需要而定。
使用本发明的膜分离装置和方法的试验表明，压缩空气在膜组件中入口(即下管口4)处压力为0.02～0.1MPa的情况下，依原水水质的差异，一般正常过滤净化运行20～180分钟后，清洗10～60秒钟即可完成有效的清洗，恢复原有膜通量，达到满意的清洗效果。
下面给出具体的实施例和比较例：
实施例：利用本发明方法和相应膜组件构成的膜分离装置进行清洗实验。以经过膜浓缩的自来水为原水，其溶解固体总量为650mg/l，原水进口压力为0.12MPa，出口压力为0.10MPa，进行滤过净水。在正常过滤净化工作30分钟后，转换为双洗。反洗液进口压力为0.1MPa，压缩空气为0.06Mpa，双洗15秒钟之后，再冲洗2秒钟。实验前后测量膜通量，连续进行36小时，得图5中实线曲线A。
比较例1：采用天津纺织工学院膜天膜技术公司研制的全自动膜分离装置，进行空气振洗清洗对比实验。原水、压力、时间等条件与实施例相同，实验前后测量膜通量，得图5中虚线曲线B。
比较例2：设备和工艺条件均同比较例1，但仅进行反洗对比实验。实验前后测量膜通量，得图5中双点画线曲线C。
对比A、B、C三组曲线可以看出：使用本发明方法和装置，正常净化工作30分钟后，膜通量由初始的1.6吨/小时降至1.0吨/小时。经15秒钟清洗，2秒钟冲洗后，膜通量迅速恢复至初始的1.6吨/小时水平，反复工作反复清洗，直至36个小时后，膜通量依然可恢复如初。作为对比，无论是采用哪种传统方法和装置，其每一工作，清洗循环后，膜通量都在逐渐降低，35个小时后，单纯的振洗(B曲线)或反洗(C曲线)清洗后的膜通量仅能分别恢复至0.8和0.5吨/小时，分别仅是其初始值1.6吨/小时的50％和30％；而净化工作后的膜通量分别低至0.3和0.1吨/小时，分别仅是初始值1.0吨/小时的30％和10％，几近堵塞。由此可见本发明效果十分显著。

Claims (4)

1．一种适用于膜组件内为外压中空纤维膜的清洗方法，其特征是所述膜组件内的外压中空纤维膜为U型并倒置单头铸封在膜组件的下方，在清洗过程中，反洗液由膜组件下端的一个管口进入倒U型外压中空纤维膜内进行反向渗透清洗；与此同时，在膜组件下端的另一个管口注入压缩空气于倒U型外压中空纤维膜外与膜组件壳体之间的腔隙内，以对倒U型外压中空纤维膜外部进行空气振荡清洗，洗后液及空气则从膜组件上端的管口排出。
2．一种适用于权利要求1所述清洗方法的膜组件，它包括外压中空纤维膜(1)、封头(6)、膜组件壳体(2)、上、下端盖(9)、(8)，其特征是所述的外压中空纤维膜(1)为U型并倒置单头铸封在膜组件壳体(2)内的下方，膜组件的上端盖(9)上开有上管口(3)，膜组件的底部开有下管口(4)，上、下管口(3)、(4)均可从膜组件外部与倒U型外压中空纤维膜(1)的外表与膜组件壳体(2)之间的腔隙(7)相通；而膜组件底部的另一个下管口(5)受封头(6)的阻隔，仅与倒U型外压中空纤维膜(1)的内腔相通。
3．根据权利要求2所述的组膜件，其特征是所述的下管口(4)位置设计在膜组件壳体(2)下方的侧壁上，并且在其内口附近设置有挡圈(10)；所述的下管口(5)设计在膜组件下端盖(8)的中心。
4．根据权利要求2所述的组膜件，其特征是所述的下管口(5)位置设计在膜组件下端盖(8)的侧壁，而下管口(4)则设计在下端盖(8)的中心。
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