CN1379697A - 用于膜分离系统的静电增强设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于提高膜分离系统(70、90)(尤其是反渗透装置)的性能的高电压静电设备(10),其中特定离子极性的物质从水中被分离出来。所述设备(10)浸入通过膜(74)的水流中并持续地在高电压下操作,所述电压优选高于30,000V DC。使用这样产生的静电场能改变悬浮颗粒湿表面的电荷,并发现能减少生物膜的形成,因而大大地提高了所述膜分离系统(70、90)的性能。所述高电压静电场的使用还能减少对系统中金属表面的腐蚀。

Description

用于膜分离系统的静电增强设备
相关申请的参照
该申请是美国专利申请第09/167,115号(申请日为1998年12月6日)的部分继续申请，后者是美国专利申请第08/779,819号(申请日为1997年1月6日，专利公开号US5817224)的部分继续申请，再后者又是美国专利申请第08/197,154号(申请日为1994年2月16日，专利公开号为US5591317)的部分继续申请。
发明背景
发明领域
本发明一般涉及一种对水流进行静电处理的方法。更具体地说，本发明描述了一种通过使用一种电容静电设备在传统的膜分离系统中防止形成沉淀(尤其是生物膜沉淀)的方法。
相关技术的描述
水处理系统通常会受到效率降低和失效问题的困挠，这是由于悬浮在含水介质中的固体颗粒会出现结垢并产生堵塞，以及形成生物膜，所述生物膜粘着在所述设备的裸露表面。由生物膜、生物污泥和结垢沉淀引起的腐蚀也是设备失效和维修的原因。在水处理设备中引入静电场处理水的原理已为大家知悉，许多设备已经利用了这一原理并取得了不同程度的成功，包括在工业应用和家庭应用中，使用其作为一个设备促进沉淀及将矿物质和有机沉淀物沉淀出来。虽然现有技术的处理系统在促进去除悬浮物方面是成功的，但是它们仍然不能阻止在过滤膜和水处理设备的湿表面上形成矿物沉淀和有机物沉淀，尤其是形成生物膜。
通过在流动的水体中安放一个绝缘电极以通过所述水体产生一个电容层，从而在流动的水体中产生电容静电场。在水和电极之间绝缘材料的完整性和强度对于系统的连续操作是关键的，因为绝缘层的任何击穿会通过水体产生短路及使所述系统不可避免地被关闭。因而所建造的电容静电设备必须确保用于与所述电极(在降低结垢的应用中该电极通常是正极)相绝缘的电介质材料的完整性。这一要求已经通过如下技术手段得以实现：用Teflon套管包裹一个管状金属电极，围绕所述电极外表面的Teflon套管受热收缩，以及用保护性的电介质衬套密封所得到的绝缘电极的每一端。围绕所述金属电极的没有接合的Teflon绝缘层被用来确保两种材料之间的紧密接触。这种紧密接触是很重要的，因为在所述金属和电介质之间留下的任何空气隙(如在介电层中通过水泡或气泡产生)会引起电弧，该电弧最终会击穿所述Teflon层，造成电介质与水体的短路，及大大地降低所述设备的静电效率。此外，大空气隙会在所述系统内形成另一个介电层，这不是所期望的，因为空气的极低电容会进一步降低所述系统的全部电容量。
因为通过水介质的电容静电场与施加于该系统的电压成比例，在所述装置的耐压限度内施加尽可能高的电压是期望的。象发明人在美国专利US5817224A和US5591317A中公开的，已经发现较高的电压是更有效的，这时常是重要的，为了处理具有高溶解或高悬浮的固体浓度(如具有高于1000ppm的总溶解固体)的水，已经发现这样的水完全不受传统的仅仅在低于10,000伏电压下操作的设备和方法的影响。对于给定的水量和水流速度，存在一个临界场强，在该场强以下没有电容静电效应。
现有技术的设备在应用中由于存在两方面问题而受到限制。由于PTFE材料众所周知的物理性质，除了通过热缩加工之外PTFE材料(如Teflon)不适宜于粘着在金属导体的表面上。任何试图通过除热缩以外的方法用Teflon覆盖电极(如对于非圆筒形的电极是必须的)须强制性地形成接缝和连接，该接缝和连接将很难实现并在使用中易发生断裂。此外，由于所述材料的非粘合性，在所述金属与电介质表面之间空气隙的形成很难避免。因此，所述静电设备的优选结构是圆筒形，其每一端通过单独的电介质套管密封。在通常的操作压力下，在所述管道与这些端部套管之间的连接会产生泄漏，这使得所述水介质进入并与高压金属管道接触，从而使得所述系统完全中断。
另外一个问题涉及现有技术中使用的电介质材料的厚度。为了使电容量最佳化，用于涂抹正极的所述Teflon层被保持在最小量，因而使得介电层更易出现结构瑕疵，这会导致电弧或其他操作应力，从而导致绝缘的中断。由于这些限制因素，现有设备在高于约10,000伏的电压下不能有效和可靠地操作，在高于上述电压下所述设备会很快地出现故障。这种因素阻止它们用于大的水处理系统及用于处理含有高浓度溶解固体的水，因为这两种情况都须要通过水体施加很高的静电电压以处理大体积的流量。
因为这些实际问题的限制，向水悬浮物施加静电场以影响其物理性质的概念已经被人们应用，但是其应用仅仅限于具有低处理量和/或低固体含量的小型水处理系统，其目的只是试图降低结垢和除去细颗粒物。在美国专利US5591317中，发明人公开了一种新型静电设备，该设备在极高电压下操作并具有可靠性和安全性。具体地说，发明人证实了这种设备在所述材料的电介质完整性受到破坏或阻断时不易发生整体故障。即使给定相当高的电压所发明的电容静电设备也能安全可靠地操作，发明人已经利用了它的用途来改善其他处理工艺，如用于化学絮凝工艺(其公开在发明人的申请第09/167,115中)，及现在的膜分离工艺，尤其是反渗透(RO)工艺，该工艺是用来处理水进行民用或工业应用的重要工艺。
在膜分离设备(反渗透、纳米过滤、超滤)中遇到的主要问题是矿物质、有机物和生物沉淀引起膜的堵塞。因为随着膜堵塞区域的增加，干净水的回收率和水的必要质量下降。此外，细菌和其他微生物被捕集在膜表面上也使所述膜被堵塞，这又须要增加操作压力和能耗，所有这些因素导致了不可逆转的设备缺陷。
因而，这里公开内容的直接目的是通过使用高电压产生的电容静电场改善传统的膜分离工艺，所述高电压在设备的容许使用限度内，如公开在美国专利US5591317中。本发明基于如下发现：这种高电压产生的电场基本上能防止膜出现生物污垢，以及产生比现有技术更高的渗透回收率。许多现有发明已经使用了一种电源来改善水净化和脱水工艺，如美国专利US3933606、4238326、4755305、4802991和4915846中所述。其他一些专利已经使用静电和电磁场净化包含生物质和细菌污染物的水，通过降低它们的繁殖速度并使它们沉淀出来，如在美国专利4024047、4902390和5326446中所述。然而，公开的这些电场虽然能有效地提高从水悬浮物中分离杂质的效率，但是却没有提出使用高电压电容静电场来减少生物膜的形成，通过使用所述高电压电容静电场还能在膜分离工艺中产生更高的产物渗透效率。
所有现有技术试图控制生物膜的产生和生长的努力是基于化学杀菌剂和化学分散剂的使用，许多分散剂已经被使用了一段时间以促进矿物颗粒的悬浮。然而，化学物质限制生物膜形成的效力不论是在范围上还是持续时间上都极其有限，只是对生物膜结构的渗透性和持久性问题及相关的膜分离设备的结垢问题起到一点缓解作用。
发明概述
本发明的主要目的涉及一种用于在水处理设备中减少生物膜形成的方法和装置，尤其是所述水处理设备中的膜分离装置。
本发明的另一个目的是提高传统的膜分离工艺的回收率。
本发明的另一个目的是提供一种用在膜分离工艺中的静电设备，该设备容许使用很高的电压以达到前面所述的目的。
本发明的另一个目的是提供一种设备，该设备使用的电介质材料能抵抗高电压，而该高电压在膜分离工艺中正适宜进行水处理，从而使得有用的静电场强度可以有利地通过流动的水体转移。
因此，根据上述这些目的和其他目的，本发明包括使用在大于10,000伏下操作的高压电容静电设备以阻止生物膜的形成并相应地提高了膜分离工艺的性能。所述设备与传统的膜分离设备结合使用，尤其是反渗透设备，其中给定离子极性的物质从水中被分离出来。所述设备被浸没在流过膜的水中及持续地在高电压下操作，尤其是高于30,000V DC。通过静电场的作用悬浮颗粒湿表面带的电荷被改变，发现其能防止生物膜的形成，因而大大地提高了膜分离系统的性能。高电压电容静电场的应用还能降低系统中金属表面的腐蚀。优选的静电设备是单片式结构的玻璃化陶瓷管，所述陶瓷管一端开口以通过一个绝缘帽接受高电压电缆。所述陶瓷管的内表面衬有一层与所述电缆电连接的导电材料，因而提供与所述陶瓷管的电介质表面直接接触的相当大的导电面。
从说明书下面描述的内容中，尤其是从后面权利要求书提出的新颖性特征中，本发明的各种其他目的和优点将会变得更加清楚。因而，为了实现上面所描述的目标，本发明包括下面将要在附图中描述的特征，附图的内容将参照优选的实施方案作出详细地说明，尤其是权利要求书中引用的内容。然而，所述附图和说明书仅仅公开了实现本发明的多种方案中的一些。
附图的简要说明
图1是用在本发明膜分离装置中的静电设备部分剖视的正视图。
图2是图1所示设备详细的正视剖面图。
图3是图2中所示设备沿线3-3方向的截面的俯视图。
图4是图3所示设备的开口端部分的剖视图。
图5是图1-4的设备用在大规模水处理系统的肘管装置时的示意图，如在所述系统中使用的膜的肘管上游。
图6是本发明的设备用在大规模水处理系统的T形管装置时的示意图，如用在膜分离装置的上游。
图7为所述设备的另一个实施方案的示意图，其中所述金属导体层被一种导电溶液替代。
图8是现有技术中RO分离工艺的示意流程图。
图9是图8所述RO分离工艺图的变形，包括使用一个根据本发明的高电压静电电容器。
图10是一种RO设备根据实施例1描述的条件运行时进料速度、进料压力、渗透速度及横跨膜的压降随时间变化的曲线图。
图11是所述RO设备根据实施例1描述的条件运行时回收速度、脱盐速度随时间变化的曲线图。
图12是第一种RO设备根据实施例2描述的条件试验运行时渗透速度、进料压力及横跨膜的压降随时间变化的曲线图。
图13是第二种RO设备根据实施例2描述的条件试验运行时渗透速度、进料压力及横跨膜的压降随时间变化的曲线图。
图14是第一种RO设备根据实施例3描述的条件试验运行时渗透速度、进料速度及横跨膜的压降随时间变化的曲线图。
图15是第二种RO设备根据实施例3描述的条件运行测试时渗透速度、进料压力及横跨膜的压降随时间变化的曲线图。
图16是一种传统的实验室反渗透系统的示意图。
图17是图16所示的传统实验室RO设备装配了本发明的静电发生器以后的示意图。
优选的实施方案的描述
在这里和在美国专利第5591317号中公开的改进的高电压电容静电设备为解决液体分离设备中尚未解决的许多问题提供了基础。发明人同时提交的专利申请第09/167,115号公开了使用高电压设备以改善絮凝工艺。由于受到现有技术中电容器低电压的限制，在这之前仍然不可能研究高电压电容静电设备的应用对工业膜分离系统的影响，尤其是纳米过滤系统、超滤系统和反渗透系统。这里公开的内容是基于下述发现：在通过所述系统流动的水体中由高电压产生的电容静电场可显著地防止生物膜在所述系统的分离膜处积聚，及相应地在它们的渗透回收侧积聚。
关于絮凝工艺还比如在申请第09/167,115号中详细描述的那样，在本发明优选的实施方案中使用的电容静电场发生器包括一个由玻璃化陶瓷材料制成的外管，所述外管作为静电设备的支撑结构，而不是象现有技术披露的那样使用绝缘的内金属管，围绕该内金属管包裹一层由薄的和很不牢固的材料组成的介电层。所述陶瓷材料比Teflon强得多并可用作所述设备的绝缘件和支撑件，因而对于电极来说容许使用更高的电压。由于玻璃化陶瓷的制造方法，它可被制成具有一个密封端的单片式结构，因而避免了在另一端使用密封的、绝缘的帽。
参照附图，其中同样的部件被标示为同样的数字和符号，图1介绍了静电设备10的各个部件的正视图，所述设备10被有利地用在本发明的膜分离系统中。更详细的描述见图2和3，所述设备10由陶瓷管12组成，该陶瓷管优选单片式结构并具有远端整体密封端14和近侧开口端16。所述管12的内表面18衬有一层导电材料20，如铝箔或铜箔，导电材料层20与所述表面18紧密接触以使二者之间存在的缝隙或空气隙最小化。根据用于涂布所述陶瓷管内表面的方法和材料的不同，所述密封端14的内部既可以加衬也可以不加衬。在附图中，所述密封端14的内部没有加衬。本领域技术人员将会认识到所述管的电容效应与所述导电材料20的全部表面相联系。
保护管25包含的适当绝缘的高压电缆24的末端22与所述管道12内部的导电材料20电连接。导电衬轴26与所述电缆的末端22相连并与所述导电材料20压力配合或以其他方式连接，从而可以在二者之间提供电连接，但是任何相当的方法或设备(如焊接)同样适用于本发明。如图所示所述电连接接近所述陶瓷管的开口端16，但是只要所述导电材料20的全部表面都可以通过所述连接被明显地通电，那么沿着所述管道内部的长度方向在任何位置所述电连接都可以起作用并具有同样的结果。然而最重要的是，在所述电缆的绝缘保护层30与所述开口端16的内壁之间，所述开口端16必须通过绝缘的(优选弹性的)、粘合的材料28密封(如封装)，所述材料如硅树脂、乳胶或被紧紧地压缩或成形的橡胶。优选地，所述开口端16内壁的最外边环形部件32未被覆盖导电材料20，从而在所述绝缘材料28形成的那端提供了连续的绝缘屏障，所述绝缘材料28填充在所述电缆保护层30与陶瓷管12之间。
最后，具体如图4所示，所述陶瓷管12的开口端16被一个紧固夹套34密封地盖住，所述夹套34的一侧与开口端16紧密地不透水地配合，另一侧与电缆连接器36密封地不透水地配合。对于本发明来说所述夹套34和连接器36的具体形状是不重要的，只要它们能够保护所述陶瓷管的开口端16不渗入来自外部水体中的液体，这是由于所述设备在使用时会被浸入水中。因而位于所述夹套34的凹面38与所述管12的凸面40之间的空隙不论是通过螺旋方式还是通过其他方式配合，都必须被完全地密封以维持所述设备的长时间操作。对于所述夹套34的凹面42与所述连接器36的凸面44来说同样如此。当使用各种连接方式时，使用硅树脂或其他不溶的(优选弹性的)密封材料37以确保不透水的连接。
象已经描述的，与高电压电源正极相连的外部陶瓷管12和导电材料20的内衬为现有技术的静电场发生器提供了一种可靠的选择。如图5和6的示意图所示，操作浸没在水体中的设备10，所述水体直接接地46或通过一个浸没在水中并距所述设备一定距离处的电极接地46。这种接地电极可以由管道48(如图5和6所示)、泵或其他金属设备(图中未示出)组成。根据水的通过量和颗粒物和/或溶解量，调整本发明的设备10与接地电极的距离以提供所需要的电场，从而促使分散在水中的颗粒或溶解在水中的离子发生电容静电效应。经过测试发现本发明的装置距接地端约2-3英寸的距离处十分有效；但是根据现有技术进行理论计算得知在超过10英尺的距离处才能成功地操作，并且水中溶解的固体量最高达3,000ppm。当所述导电材料20从高正压电源52处被通电时，所述陶瓷管12的绝缘性质使其与地面绝缘，从而产生一个通过所述陶瓷管和水体的静电场。正象期望的那样，由于所述陶瓷的介电常数与水的介电常数的差异，所述静电场主要影响水体。所述设备10的构造允许在很高的电压下操作。所述设备10在最高达50,000V DC的电压下已经被成功地使用了很长时间而没有出现故障，如果需要的话还可以设计在更高的电压下操作，从而使得在大规模处理场合有效地运用该设备成为可能。
设备10的另一个重要发明要素是装配导体/介电层连接的方式能使较弱的连接不会与待处理的水相接触。在现有技术的设备中，一种结构强度较弱的Teflon层将水与强度较大的金属管分离。当介电层发生任何故障时，则高电压管会立即短路从而使所述系统瘫痪。具体地说，在所述管的表面和围绕该管的Teflon热缩层之间即使存在别针大小的缝隙也会使系统瘫痪。当该设备在静电场作用下时，通过这些缝隙发生的电弧会产生热点，该热点最后击穿薄介电层，从而使系统完全地瘫痪。由于电弧的强度是施加于所述系统中的电压的函数，这个问题严重地限制了现有的装置在操作时使用的DC电压。
另一方面，本发明的设备在强度较大的陶瓷管内部提供了一个较弱的金属内衬。如果该内衬被破坏，如由于空气隙产生的电弧，那么在所述导电材料中会出现中断，而不是在所述介电层，并且所述设备的高压部位仍然与周围的水相绝缘。因而，除了对所述系统的电容具有不可忽视的影响之外，这些类型的问题不会影响所述静电设备的使用寿命和操作。因此，不象现有技术的装置那样使很高的DC电压成为系统瘫痪的电势源。
使用玻璃化高氧化铝陶瓷，典型地氧化铝高于99.5％，或任何数量的其他组成如玻璃化多铝红柱石，及含有较少氧化铝和较多二氧化硅的陶瓷在本发明中是优选的。注意到氧化铝含量低至50％的陶瓷可被用来实施本发明，但是由于它们的机械性能和电学性能更加不期望将其用于高电压操作。这些陶瓷具有高物理强度、高耐磨性及耐蚀性，并且可以以相当低的成本装配，这些因素都使它们的应用具有多样性和灵活性。
因此，通过使用一个已经被铸造和烧制且一端封闭的陶瓷管，用于本发明的牢固而又有效的电极便制作完毕。使用的高氧化铝等级的陶瓷不会渗透流体，并具有足够的结构强度以用作支撑件。所述导体(与现有技术的系统相对)不作为一个支撑件而仅仅用于分配单极电荷。因此，所述导体可以简单地由连接在所述管道内表面的薄层材料组成。因为对导体的选择没有结构上的要求，所以适宜于操作环境、降低成本或易于建造的材料都是可以选择的。所述导体可以是一种薄层金属箔片，如铜箔或铝箔，用一种导电的粘合剂将其粘着在所述管的内壁上，或者所述导体仅仅是含有银或镍的导电粘合剂，如环氧或丙烯酸粘合剂。另一方面，所述导电层可以被压在所述陶瓷管的内表面上，或者通过等离子金属喷镀设备喷镀，或者所述导体被涂抹成导体陶瓷釉或者在这样一种釉涂层上面进行电镀。由于不需要传导高电流，所述导体可以是很薄的，甚至是一种相当低效的导体。一种导电液或一种固体金属芯也可作为适宜的导体，所述导电液如完全填满了陶瓷管内空穴的硫酸铜浓溶液L(如图7的实施例60所示)。主要要求是所述导电层与所述电介质材料之间的接触尽可能地紧密和没有空隙，从而避免低介电系数的孔隙，否则会降低所述电容器系统的整体效率。
除了控制结垢和泥渣沉积物工艺(公开在美国专利5591317)和改善絮凝工艺(被描述在美国专利5817224)之外，发明人还发现了一种在各种操作条件下都能提高膜分离工艺的效率的方法，如RO、超滤和纳米过滤膜。具体地，发明人发现了高电压的电容静电场能急剧地增加湿表面的表面电荷，及降低用膜系统处理的本体溶液的表面张力。除了发现已知的在带电颗粒上的分散效应之外，发明人还发现了这些现象能破坏生物膜的形成和促使已经存在的生物膜溶解，因而极大地改善了膜分离系统的性能和保养要求。
一种典型的RO系统70如图8所示，由系列并行的膜设备72组成，溶液流74通过该膜设备组之后产生相当纯的渗透流76和浓缩流出物78。所述浓缩流78的一部分再循环，使其流入高压泵80的吸入端以输入该系统；所述浓缩流的另一部分通过一个排放管82排放。然而由于所述浓缩流中的总溶解固体的浓度很高，通常所述浓缩流不再循环使用。典型的浓缩流由清晰的、高总溶解固体(TDS)的溶液组成，用传统的分离技术(如絮凝)很难将固体分离出来。因而丢弃全部的浓缩流是最经济的。传统的RO系统的回收率约为75％，因而约25％的进料作为浓缩液由排放管82丢弃。进料液74在所述RO设备72中被处理之前，在过滤器84或其他适宜的处理设备中对该进料液74进行预处理。
除了由部分进料作为浓缩流须被丢弃而引起相对低效的回收率之外，由于膜的结垢也会降低RO性能，所述结垢增加了能耗并常常达不到产品流的标准。因而，对于膜分离系统来说膜结垢是主要的操作受限因素和成本限制因素。象上面已经提到的，膜性能的下降会导致多种不利后果，如由于进料流的高浓度而使得矿物沉淀形成晶体污垢；由粘土、泥渣、颗粒状腐殖物、碎片和二氧化硅而引起的颗粒污垢；及由能形成生物膜的微生物积聚和粘附而形成的胶状和微生物污垢、或生物污垢。
过去人们使用了几种工艺以减少或阻止膜的结垢，主要通过复杂的设备对进料流进行预处理，如预过滤设备或水软化设备。一些工艺包括向所述进料流中加入分散剂和/或杀菌剂以减少生物膜的形成。这些技术须要定期地对所述膜过滤设备进行化学和/或机械清扫，从而须要关闭每种设备。因而，这些防垢工艺本身须要使设备停工，劳动强度大，以及由于膜与用于清洗的化学物质不相容还会导致膜的效率和使用寿命下降。然而最重要地是，这些化学物质不能有效地作为长期使用的溶液。
所有未处理的水源中包含的矿物质和生物胶状颗粒都会在所述膜上产生大量的污垢。一般地任何粒径小于1.0微米的颗粒被认为是胶状颗粒。生物胶状物包括微生物、病毒、小纤维、腐殖质、及渗出物和大分子有机物的聚集物。上述这些不同的物质与生物生长一起使通过化学添加剂控制生物污垢是困难的，这既是由于不同的微生物要忍耐由生物膜的保护效应产生的具体化学物质，也是由于化学杀菌剂、腐蚀剂、酸和溶剂清洗剂对所述膜会产生潜在的损害。
现在应该理解到，要想发生生物结垢，必须具有将微生物和腐殖物颗粒粘着在膜表面上的初始粘着。主要的粘着步骤由来自三种不同相(液相、固相和半固相)的异相反应及与它们相联系的多种变量。所述半固相由微生物组成，并受到变量如物质组成、周围的微生物群落、营养状况、疏水性、表面电荷和细胞外聚合物之存在的影响。所述液相由经过过滤的流体组成，并受到变量如温度、pH、溶解的有机物和无机物、粘度、表面张力和水动力学参数的影响。所述固相由RO膜表面组成，固相通过化学组成、表面电荷、生物亲合力以及在所述膜上调节膜的性质(如果它们之中存在任何一种的话)影响粘着性。
已知细菌能分泌一种可形成膜的多糖物，所述膜能促进菌落的形成并促使它们粘着在支撑面上。所述生物膜材料一般由细胞外聚合物组成，主要是多糖，当允许细菌营养物和废物与周围介质相交换时，该生物膜保护细菌免受水流中化学介质和物理介质的影响。该生物膜具有很高的水合性，含有至少95wt％的水，其余的是细菌和残物。所述细菌生物膜由粘性的、粘液状的物质组成，该物质粘着在静止表面上并将与之相接触的外界物质捕获。因此，已知生物膜沉积物能捕集阳离子如铜、镁、锰和铁，这些物质能产生原电池效应并促进对金属表面的腐蚀。还知道适当厚度的生物膜沉积物在与器壁接触的位置是厌氧的。在厌氧条件下，一些细菌分散了含氧的化合物，从而得到了新陈代谢的氧并产生了硫化氢作为副产品。硫化氢又与水中的其他产物相结合形成局部浓度的酸，该酸进一步增加了生物膜的腐蚀作用。其他细菌能直接从钢铁中分离它们新陈代谢所需要的碳，因而也会产生严重的腐蚀。因而，去除生物膜对于防止腐蚀过滤膜、管道和设备也是重要的。
进料流中的微生物和胶状颗粒的表面电荷很可能影响微生物粘着过程的主要步骤。由于大多数细菌在水合系统里带微量负电荷，已经发现它们最初粘着到膜上要受到电解质浓度的影响，也就是说，要受到所述细菌周围的电荷分布的影响。因而，相信这一性质提供了一个控制膜的生物结垢的可能。通过防止细菌和矿物质沉积物的形成或粘着在膜的表面上，生物结垢所需的起始步骤将不会发生。因而，生物结垢现象将大大地减少。
许多有机和矿物质胶状颗粒在含水环境里带负电荷，这促使它们相互排斥并维持稳定的分散状态，这种分散状态表现了它们的特征。胶状颗粒的电化学分散状态已经被研究了多年。人们创建了几种模型(如双电层理论和DLVO理论)来解释胶体的稳定性。所述双电层模型预言，当悬浮的颗粒存在于液相时，在每个颗粒的表面有一个内部的厚层，该内层由颗粒所带电荷吸引溶液中的离子组成，在该悬浮物所处的物理和化学条件下该内层显示了一种与颗粒自身的自由电荷相对的电荷。相反极性的外层也由溶液中的离子组成，在距离所述颗粒表面的一定距离之内发生扩散。在本领域中两层之间的净电势通常指ζ电势，该电势抵消了颗粒之间相互吸引的范德华力。如果外层扩散至足够大的半径，那么将增加ζ电势的影响，颗粒彼此被分开并保持稳定的悬浮状态。另一方面，如果外层的扩散半径被降至范德华力占优势的位置，那么颗粒将被吸引到一起而形成聚集物，该聚集物易于从液相中分离出来。
本发明基于如下想法：影响RO设备进料流中存在的颗粒(尤其是胶状生物颗粒)的表面电荷，为了将它们分散开来而施加一个很强的电容静电场。胶体的分散已经被认为是一种维持RO膜免受胶状结垢的手段。然而，目前增加胶体和膜的表面电荷的每种尝试都是通过使用化学分散剂，并且效果有限。象图9中介绍的RO系统90的示意图，本发明通过将静电发生器10(其详细描述参见上面的图5和6)与传统处理装置中反渗透设备72的进料流相连。相信该电容静电发生器作为一种替代方式，替代一个与组成无关的悬浮颗粒的天然外层电荷密度。具体地说，通过应用高电压电容静电场所述ζ电势会增加。所述静电发生器10的导电材料20与接地管壁形成一个电容器，该电容器产生一个通过水流的电场，该电场是施加的电动势、系统容积、及陶瓷管12和水溶液介电性质的函数。在足够高DC电压的情况下，该电容电荷产生一个通过水体的电场，该电场影响了所有湿表面的表面电荷，不论是固定的还是悬浮的。在实际应用中，发现在工业应用中为了影响RO性能，DC电压至少约为10,000V，优选大于30,000V。如果需要的话还可以使用多个静电电容器，从而维持一个通过流动水体的高静电场。在大型设备中包括最高达12个电极的电池组经过测试都取得了很大的成功。
实施图9所示的总方案来验证本发明的思路。此外，在浓缩液循环回路上加入澄清器/絮凝系统92以进一步提高回收率，基本上所有来自RO设备的浓缩废液都可以循环。发现在所述RO系统中应用高电压产生的静电场能产生富含胶体物的浓缩物，所述胶体物容易从水中分离出来而澄清了水，这已经在美国专利5817224中得到证实。因而，在所述设备92中成功地分离出固体之后，有利地是所有的液体废料都可再循环至泵80的入口侧，剩下的泥渣只须从排放管82排出。
本发明的方法和设备在各种膜分离设备在工业条件下进行了测试，如下面实施例所描述的。
实施例1
在软饮料瓶车间根据设备10配置的18-英寸陶瓷电极和一个30kVDC电源被装配在反渗透设备的泵吸入侧。该种安装的目的是研究设备10产生的高电压电容静电场对RO膜的影响，作为一种维护所述膜不受生物沉积物影响的方式。被测试的反渗透设备是Osmonics ModelOSMO 43CHF-PR216KY/DLX，渗透速度在25C时每分钟约450升，浓缩速度每分钟约135升，从起始到最后最大和最小的压力分别是400psi和250psi。所述渗透设备由3-2个系列排列的结构(如图9所示)组成，每个容器装有5个型号为BW30-330的Filmtec膜。进料水来自总溶解固体量约为300ppm的城市用水。对水的预处理涉及砂滤、碳滤和钠软化处理。所述RO设备经过清洗后操作约两个月，每周从周一到周四，在安装所述设备10之前每天操作约20小时。每天采集数据，约持续一年，作为所述设备一般质量控制过程的一部分。总共采集了198个数据；其中93个数据在处理程序开始之前被采集，而104个数据在其后被采集。为了评价性能，使用一种传统设计的标准程序将原始数据标准化为25C。
通过在约30,000V DC下对静电电容器充电进行所述测试，并维持所产生的静电持续到所述测试的整个操作期间(超过三个月)。所得到的结果显示渗透回收速度具有显著的增加，如图10和11中的曲线所示。所述回收速度在测试期之前平均为77.26％(参见图11的曲线100)，所述回收速度为渗透产生的水量相对于系统进料水量的百分数；盐滤去量平均为97.50％(参见图11中的曲线102)；及所述膜的压降平均为490kPa(参见图10中的曲线104)。安装了所述设备10之后，这些同样的参数值分别为79.50％、97.00％和474kPa，显示了回收速度增加约3％，这是膜性能增加的结果(没有浓缩回收步骤)。
在进行所述测试之前，每三到四个月须要对设备中的膜进行例行清洗，常常发现在膜和容器的内壁都覆盖了大量的残渣膜。在每次测试期的末尾，容器中的一个被打开进行目视检查，在容器的壁上没有发现生物沉积物；同样地，在所述膜体也和容器表面一样没有发现生物膜、腐蚀和结垢。最初的测试期终止之后两个月，即使膜的性能没有下降也要对所述膜进行预防性维护的清洗。象期望的那样，所述膜的性能不因清洗周期而提高，这证实了所述膜在整个处理期间及之后仍然保持了洁净。这不同于以往的清洗经验，清洗后膜的性能显著地增加并在清洗周期之前平稳地下降。然后所述处理重新开始并长期地持续下去，没有生物结垢的迹象。
实施例2
使用本发明的静电设备决定能否提高系统的性能，从而在微电子车间生产高纯度水，所述系统包括两个独立并互相串联的RO设备。所述系统使用一种原始的2-1-1组合形式，其中第一设备的渗透物是具有2-1组合的第二设备的进料，两个设备都装配了HydranauticsModel 8040-LHY-CPA2膜。在使用所述静电设备之前，约每两到三个星期对膜进行人工清洗维护。在装配静电设备的时候再次对膜进行清洗。作为一般进料预处理的一个步骤，向第一RO设备的进料流中加入化学分散剂。在试验开始之后该分散剂进料减少了50％。
试验在约35,000V DC下开始后三周，将每个设备的容器打开进行检查。当所述膜被除去时，相对于过去的检查，在任何一个湿表面上没有发现沉积物。以前，通常发现有一个厚厚的残渣层遍及所述系统。所述系统的性能没有变坏，系统产量得到提高(伴随着化学分散剂使用量的减少)，并且不会影响生产的速度。
检查该车间的历史记录发现膜的频繁清洗不能有效地阻止所述系统性能的下降。一般地，膜的清洗导致所述系统在较低的进料压力和较低的横跨膜压降下操作，同时增加了渗透流。如图12和13所示的那样，本发明的试验开始之后，来自两个设备(曲线106和108)的渗透流开始呈上升趋势，即使两个系统(曲线110和112)的进料压力被稳定在一个比以前更低的水平。装配了静电设备之后所述第一RO设备即刻发生变化，包括增加了7.6％的渗透流，从平均92gpm到平均99gpm(图12的曲线106)；平均进料压力下降了13.6％，从308psi降至266psi(曲线110)以及平均压差降低了16.4％，从216psi降至183psi(曲线114)。同样地，在开始所述试验之前第二RO设备在相当稳定的进料压力下，其渗透流显示了持续地下降趋势，但是其后产量开始增加(见图13的曲线108)。所述设备出现了与膜上结垢层的存在相联系地压力波动(见曲线116)，但是在装配了静电电容器之后结垢立即消失，在所述试验的前三周内检查发现所存在的沉积物减少了。
因此，由这些RO设备的试验结果清楚地显示成功地防止了膜的结垢，甚至消除了已存在的污垢。所述系统中的两个RO设备在装配了本发明的设备之后都立即停止了结垢，该设备作为对水进行预处理的设备。
实施例3
该试验在谷物精制厂进行，由两个独立和相同的反渗透系统产生了渗透产物，该渗透产物用于工业用水的补给，所述系统具有5-3-1结构且并联操作。所述两个RO系统拥有相同水源和预处理系统。所述预处理由过氧化物/空气处理组成以氧化水中高含量的硫化氢，接下来通过一个催化的碳床层以除去残余的硫化物，及用袋式过滤器进行最后精加工。在试验之前第一RO设备安装了新膜，而第二RO设备则继续用结垢的膜操作。
在两个设备上结垢的膜通常每三个月用干净的模件替换，及将结垢的模件从设备中取出进行清洗。安装高电压电源和本发明的电极并在30,000V DC条件下操作27天。在操作的第六天，所述电子处理系统被关闭4小时，然后开始“撞摇”该系统，这种方法在本领域是已知的，该方法能加快膜的净化。结果即使进料压力已经显著地降低，该渗透也会在两个容器中加快进行。如在图14中介绍的，装配了新膜之设备的进料压力从平均260psi下降到平均248psi(曲线118)，下降了4.6％，及渗透速度从平均153gpm增加到平均163gpm，增加了6.1％(见曲线120)。如图15所示，第二设备使用结垢的膜进行操作，其进料压力(见曲线122)减少10％，这使所述系统更接近于设计的操作条件。在装配静电设备之前，所述设备的进料压力已经超过300psi，而不是设计的操作条件250psi装配该静电设备之后七天，所述进料压力减至270psi。即使进料压力降低，渗透流也从平均125gpm增加到平均135gpm(见曲线124)。
为了证实这个结果，在27天的试验之后电力供应被切断。在本发明的电容器被关闭之后，两个系统(尤其是第二RO设备)在五天内都显示了膜结垢的迹象。所述电容静电设备失去作用之后30天，第一设备的渗透流继续下降，从160gpm降至150gpm(见图14)，即使所述设备的进料压力被增加至255psi。在没有设备10的情况下操作30天之后，即使进料压力被增加至350psi，第二反渗透设备的渗透流也降至低于90gpm的水平(见图15)。象在其他系统的测试过程中经历的那样，所述回收率和盐滤去速度显示了同样的趋势。在停止静电处理之后对于两个反渗透设备来说回收速度明显地下降，这显示了渐进式膜结垢的明显开始。
在调节装置中进一步研究本发明的思想，以证实静电场对膜处理步骤中污垢积聚的影响。用地下水和地表水测试一次通过的设计和再循环流动的设计。使用上面所描述的电极设备10以增强在电接地工艺管道中的静电场。结果证实通过安装本发明提供的装置可有效地防止在膜和管面上发生生物生长；减少了用于污垢控制的化学物质；防止在膜面上形成坚固的污垢；及通过使用废水循环工艺增加反渗透回收率。
实施例4
该装置由地表水设备组成，所述设备处理的水质如下：硬度以碳酸钙计为200-300ppm，TDS从500-600ppm，11-25NTU的混浊度。所述设备包括超滤(UF)膜和RO膜。本发明的设备10被安装在所述UF膜的前面，所处的位置被认为会发生结垢，在35,000V DC条件下操作。在操作开始的12小时内，所述系统的净驱动压力从15psi下降到约12psi，及其后所述工艺能稳定地运行一段时间，压力没有增加。应用该电容静电场还能成功地控制在所述RO膜上形成坚固的污垢。通过加入一个使用低pH水(对于该循环来说RO水被发现是最好的冲洗水)的冲洗循环，TDS和操作压力的增加可以得到快速地调整。典型地，经过冲洗循环之后压力从约220psi下降到110psi，及TDS从180ppm下降至7ppm。
实施例5
在另一个位置，在一个使用地下水的系统中使用本发明的设备进行两部分试验，其中水的硬度以碳酸钙计从700ppm到900ppm，及超过1200ppmTDS。所述试验的一部分涉及通过控制膜的结垢实现一种稳定状态的RO操作，从而通过定期地冲洗将RO性能回复到其原本的设计参数。通过操作本发明的静电设备在1天之内便能实现这一目标(在35,000V DC下操作)，尽管所述系统在这之前连续运转12周的时间并伴随有结垢效应。
该试验的另一个目的是增加所述RO设备的回收率。因此，浓缩废水通过一个澄清器和絮凝装置以降低其中所含沉淀的硬组分，然后再循环至进料端以增加渗透回收率。对所述沉淀物经过絮凝和澄清处理之后，该浓缩物流剩余硬度以碳酸钙计降到约30-50ppm，而TDS仍维持在约150ppm。注意到这种水的水质好于起初送至所述RO设备的水质。因而，有利地是可以将来自固体分离设备的溢流和上清液废液再循环并与所述设备的进料流混合，这样可以将所述RO设备进料的硬度降至约650ppm。此外，在澄清器和絮凝设备中产生的并需要进行处理的固体和污泥量也减少了。由于再循环回路的使用，在稳定操作的几天期间，所述RO设备的回收率一致地增加到约95％，处理后的废盐水到达排放管的量约下降到常规操作的20％。
实施例6
另一个地下水源，硬度以碳酸钙计为800ppm，TDS至少为1300ppm，在一种RO膜分离系统中使用这种水源来测试本发明电容静电设备的功效。在30,000V DC的条件下操作设备10进行为期三天的测试。结果再次显示通过澄清器和/或絮凝器基本上减小了TDS和浓缩液物流的硬度，及不需要使用化学添加剂就能控制在所述反渗透膜上结垢。
该实施例还证实了在膜分离系统中使用高电压电容静电场能改变所述膜设备的结垢特性，进行预定的冲洗便能将它们的性能恢复到设计水平。由于所述用于试验的RO系统已经运转了很长一段时间，所以全部回收是很困难的。本发明能始终获得大于95％的回收率，并证实了使用所述静电设备10能阻止生物活性，避免了在处理设备上形成生物膜，及除去预先存在的积聚在膜面上的污垢。
应该注意到一般的RO设备浓缩物不宜于进行澄清处理，因为该溶液虽然TDS含量很高但是十分清澈(它不含任何悬浮的沉积物)。同样地，不适宜对它们进行絮凝处理，因为其包含的固体主要被溶解掉而不是处于悬浮状态。根据本发明由于使用了很高的电容静电场，通常沉积在RO膜上的矿物颗粒和有机颗粒仍然是悬浮的，并且在所述浓缩的废液中这些颗粒最终是可见的颗粒。这种浑浊的浓缩液很容易被澄清和絮凝，尤其是因为它在前与静电场的接触，这具体地公开在美国专利5817224中。因此，可以除去该浓缩物流所含的大部分固体并重新使用，从而可以得到更多的渗透物。同时，这样除去的固体还包括通常粘着在系统膜之上的生物膜料和细菌，因而能改善这些设备的性能、维护要求及提高其使用寿命。
因此，发现在包含生物源(origin)沉积物的水系统中在高DC电压下使用所述设备10，能够促使沉积物溶解并容易地除去。相信这种效果源于两个不同的现象。一个现象是湿表面上表面电荷的增加，包括围绕每个颗粒的双电层ζ电势的增加，这会增加颗粒的斥力并相应地减小了颗粒的积聚、结垢和膜的堵塞。另一个现象与本发明的发现密不可分，即高电压静电场降低了本体溶液的表面张力，这促使已经存在的生物膜进一步水合。结果生物膜变得脆弱、被溶胀并容易地通过湍流和其他作用于其上的机械作用被分裂掉。还令人相信地是通常生物膜中包含的颗粒在双电层结构中得到的细菌营养不会到达悬浮的细菌，从而使得细菌失去了繁殖和再生的能力。因而由于饥饿，该细菌或者死掉，或者由水流从所述系统带走。
前面对本发明作用机理的解释被进一步地在实验室中进行试验，在试验中使用一个控制膜设备130、一个试验膜设备140，分别如图16、17中所示。两个图表示一个由Robbins设备组成的实验室反渗透装置的示意图，所述Robbins设备装配了醋酸纤维素膜试管。图16中用于控制目的的设备130包括带有膜分离元件的Robbins设备132。通过循环管136和具有膜处理的Robbins设备132将富营养液从含有金属的水槽134中吸出。参照图17，所述系统140基本上与图16的系统相同，但是一个电极(如上面所描述的设备10)被插入所述金属水槽134中。一个电源142被用来驱动静电设备10。所述水槽134以传统的方式在144接地。用所述系统140测试本发明的方法降低细菌在膜上积累(及相应地生物膜形成)这一功效。
为了确定电容设备10产生的静电分散效应是否能阻止生物生长并降低膜在富营养环境下的生物结垢，在系统130和140中处理富营养液。为此目的，所制备的溶液混合了自来水和0.1wt％的葡萄糖、1mg/L的硝酸盐和0.1mg/L的正磷酸盐以提高原有细菌的生长速度，从而使得所述试验可以在一个现实可行的时段内完成。通过该方案，这种溶液被制备，从而产生一个超乎现实的高细菌量，在实际的水处理设备中这是从来不会出现的(48小时后，细菌量已经提前达到污水处理量的水平)。通过一个30kV DC电源向所述静电设备10供电，及通过每个Robbins设备回路的流体以3-4ml/min的速度再循环，每隔约48小时加入自来水以防止所试验细菌群落的死亡。每48个小时在新自来水样和将被转移的旧水样中完成活细菌殖数。在24小时、48小时和7天的试验后带有膜试管的塞子被移走。在每个试验段内，试管在控制和试验设备内被测试三次。此外，在零时刻，测试一个试管以用于本底计数。这些试验由活细菌殖数组成，用灭菌盐溶液轻轻地洗涤膜表面，在灭菌盐溶液中用灭菌玻璃球有力地搅动所述膜试管，及完成活细菌殖数。在R2A Agar上用分散培养皿法完成所有细菌殖数，并在27℃下培育5到7天。具体的细菌是不同的。
这些试验结果显示，在24小时之后试验回路140的膜试管表面相对于对比试管的表面具有显著降低的生物膜。在48小时和7天后，在所述对比和试验试管之间没有显著的不同。在这些最后的样品中，两个水槽中细菌的数量没有显著的不同，基于在进料溶液中人工制造的很高数量这是期望的。因此，由图16和17的试验结果证实高电压静电场在工业水处理系统中的作用，即使它具有很高的细菌群密度。这证实了本发明的电子处理设备能作为控制生物膜的有效手段。
参照总流程图9，注意到几个试验在浓缩流的循环量高于80％的情况下进行。结果，所述RO设备能达到高于95％的回收率并维持设备长时间地使用。此前在本领域中该结果是不可能的。
对于本领域技术人员来说，可以对已经描述的详细情况、步骤和材料作出不同的变换，但是它们同样落在本发明的精神和保护范围之内，保护的内容被描述在下面的权利要求书中。例如，发现在进行处理的水体中本发明电容静电设备的精确设置不是关键，只要所得到的电场伸过所述分离膜。因此，如果所述设备被安放在靠近所述膜下游的位置，基本上能达到同样的结果。
另外重要的是发现本发明依赖以下事实：高电压电容静电场破坏生物生长并消灭来自载体液的生物膜，及最重要的是生物膜还来自它们易于粘着其上的底材。因此，本发明不应被认为仅仅适用于膜分离系统，虽然这些系统已经在这里被使用和描述以证实其有效性。
因此，虽然这里就最实际和优选的实施方案对本发明作出了描述，但是应该认识到本发明可以在其保护范围内作出不同的变形，所作变形并不局限于这里公开的细节，而是根据权利要求的总体保护范围，只要保护内容包含相当的设备和方法。

Claims (24)

1.一种提高膜分离工艺的效率的方法，包括以下步骤：
提供一个适宜产生静电场的电容静电发生器；
将所述静电发生器浸入到流向膜分离设备的液流中，与地线相连的液体与用来给静电发生器通电的电动势相对；及
用所述电压高于约10,000伏的电动势给所述静电发生器通电，从而在浸入液体中的所述发生器与所述地线之间产生一个静电场。
2.如权利要求1的方法，其中所述液体是水。
3.如权利要求1的方法，其中所述膜分离设备包括一种反渗透膜。
4.如权利要求1的方法，其中所述膜分离设备包括一种超滤膜。
5.如权利要求1的方法，其中所述膜分离设备包括一种纳米过滤膜。
6.如权利要求1的方法，其中所述膜分离工艺效率的提高是通过在所述膜分离设备中减少生物膜沉积物的形成。
7.如权利要求1的方法，其中所述膜分离工艺效率的提高是通过降低对所述膜分离设备内金属表面的腐蚀。
8.如权利要求1的方法，其中所述静电发生器包括一个单片式结构的玻璃化陶瓷管，所述陶瓷管一端完全封闭以与内壁围成一个内室；包含在所述内室的导电材料与所述内室紧密接触；不导电的密封设备用于密封所述内室；及用静电动势对所述导电材料通电的电气设备。
9.一种在水处理系统中减少生物膜沉积物形成的方法，包括以下步骤：
提供一个适宜产生静电场的电容静电发生器；
将所述静电发生器浸入到流向膜分离设备的水流本体中，与地线相连的水与用来给静电发生器通电的电动势相对；及
用所述电压高于约10,000伏的电动势对所述静电发生器通电，从而在浸入水体中的所述发生器与所述地线之间产生一个静电场。
10.如权利要求9的方法，其中所述水处理系统包括一种反渗透膜。
11.如权利要求9的方法，其中所述水处理系统包括一种超滤膜。
12.如权利要求9的方法，其中所述水处理系统包括一种纳米过滤膜。
13.如权利要求9的方法，其中所述静电发生器包括一个单片式结构的玻璃化陶瓷管，所述陶瓷管一端完全封闭以与内壁围成一个内室；包含在所述内室的导电材料与所述内室紧密接触；不导电的密封设备用于密封所述内室；及用静电动势对所述导电材料通电的电气设备。
14.一种在水处理系统中减少对金属表面的腐蚀的方法，包括以下步骤：
提供一个适宜产生静电场的电容静电发生器；
将所述静电发生器浸入到流向膜分离设备的水流本体中，与地线相连的处理系统与用来给静电发生器通电的电动势相对；及
用所述电压高于约10,000伏的电动势对所述静电发生器通电，从而在浸入水体中的所述发生器与所述地线之间产生一个静电场。
15.如权利要求14的方法，其中所述水处理系统包括一种反渗透膜。
16.如权利要求14的方法，其中所述水处理系统包括一种超滤膜。
17.如权利要求14的方法，其中所述水处理系统包括一种纳米过滤膜。
18.如权利要求14的方法，其中所述静电发生器包括一个单片式结构的玻璃化陶瓷管，所述陶瓷管一端完全封闭以与内壁围成一个内室；包含在所述内室的导电材料与所述内室紧密接触；不导电的密封设备用于密封所述内室；及用静电动势对所述导电材料通电的电气设备。
19.一种膜分离装置，包括：
膜分离单元；
用于输入通过所述膜分离设备的液流的单元；
浸入液体中的电容静电发生器；
与所述液体相连的地线；及
应用高于约10,000V的电动势对所述静电发生器通电从而在液体中产生静电场的电源。
20.如权利要求19的装置，其中所述液体是水。
21.如权利要求19的装置，其中所述膜分离设备包括一种反渗透膜。
22.如权利要求19的装置，其中所述膜分离设备包括一种超滤膜。
23.如权利要求19的装置，其中所述膜分离设备包括一种纳米过滤膜。
24.一种在水系统的壁上减少生物膜沉积物形成的方法，包括以下步骤：
提供一个适宜于产生静电场的电容静电发生器；
将所述静电发生器浸入所述水系统的水体中，与地线相连的水系统与用来给静电发生器通电的电动势相对；及
用所述电压高于约10,000伏的电动势对所述静电发生器通电，从而在浸入该水系统的所述发生器与所述地线之间产生一个静电场。
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