CN213668728U - 一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，包括微气泡发生系统、气液混合系统、膜组件系统、气液分离系统以及清洗液循环系统，微气泡发生系统的出气端与清洗液循环系统的出水端通过导管联通，导管与气液混合系统的进水端连接，气液混合系统的出水端与膜组件系统的进水端连接，膜组件系统的出水端与气液分离系统的进水端连接，气液分离系统的出水端与清洗液循环系统的进水端连接。该基于气液两相流的膜污染强化清洗系统具有结构简单、清洗效率高以及容易操作等特点。

Description

一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统

技术领域

本实用新型属于垃圾渗滤液处理领域，具体涉及一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统。

背景技术

膜分离技术是一种高效、节能的新型分离技术，具有设备简单、操作条件温和、分离效率高以及可集成放大等一系列优点，被广泛应用于海水与苦咸水淡化、废水处理与资源化、食品和医药等各个领域。膜分离技术的核心是具有选择透过性的分离膜，在膜使用的过程中，由于溶液中的杂质被膜截留，会不可避免的在膜表面形成污染层。目前，膜污染依然是阻碍膜分离技术应用的主要屏障，会造成跨膜压差升高、过滤阻力增加、通量下降、膜结构和性能破坏等，最终缩短膜使用寿命，增加系统运行成本。

膜清洗则是解决膜污染最为有效的手段之一，分为物理清洗和化学清洗，其中化学清洗应用最为广泛。在化学清洗过程中，主要依靠化学清洗药剂扩散进入污染物在膜表面的沉积层，与污染物发生复杂的物理化学反应，在水解、分散、溶胶、螯合、皂化以及增溶等一系列作用下，将污染物从膜表面去除。清洗效果则取决于清洗剂与污染物之间的相互作用与污染物和膜表面相互作用之间的关系。

在实际工程应用过程中，污染物种类与结构繁多情况复杂，通常是由有机、无机以及微生物相互作用而形成的复合污染，因此污染物和膜表面之间具有极强的相互作用力，单纯依靠化学清洗，其清洗效率往往得不到有效保障，且高强度的化学清洗很有可能会破坏膜结构，导致膜分离性能下降。因此，如何强化膜污染清洗过程，提高清洗剂的清洗效率，对于膜分离技术的推广和应用具有十分重要的实际意义。

中国专利CN111330449A公开了一种反渗透膜清洗再生的方法，该方法通过将反渗透膜元件置于超声液体中进行清洗，在超声辅助和空化作用下达到对反渗透膜进行有效清洗的目的。尽管超声辅助清洗方式能够在一定程度上削弱污染物和膜表面之间的相互作用力，强化清洗效果，但高频及长时间的超声同样会对膜材料的结构和特性造成影响，降低膜的使用寿命。

中国专利CN108854559A公开了一种适用于中空纤维膜的超声清洗装置、系统及工艺，该工艺同样充分利用超声波的高频振动，促进清洗药剂和污染物之间的相互作用，提高清洗效率。但超声的存在对膜本身的结构和性能造成不可逆影响的这一缺点依然存在。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的问题，本申请提出了一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，在传统化学清洗工艺中引入微气泡，利用气液两相流的协同作用下对膜组件系统进行清洗，以达到更高的清洗效率。

本申请提出的一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，包括微气泡发生系统、气液混合系统、膜组件系统、气液分离系统以及清洗液循环系统，微气泡发生系统的出气端与清洗液循环系统的出水端通过导管联通，导管与气液混合系统的进水端连接，气液混合系统的出水端与膜组件系统的进水端连接，膜组件系统的出水端与气液分离系统的进水端连接，气液分离系统的出水端与清洗液循环系统的进水端连接。

在一个优选的实施例中，该基于气液两相流的膜污染强化清洗系统还包括预清洗系统，预清洗系统的出水端与膜组件系统的进水端连接，膜组件系统的出水端与预清洗系统的进水端连接。首先运行预清洗系统对膜组件系统进行预清洗处理。

在一个优选的实施例中，预清洗系统内的清洗液为反渗透产水或去离子水，清洗液的电导率小于10us/cm。采用反渗透产水或去离子水对污染膜组件系统中的膜片进行循环清洗，以不产生明显的渗透产水时的压力为清洗压力。

在一个优选的实施例中，气液分离系统设置有排气端，排气端与外部环境连接。通过气液分离系统的排气端将清洗膜组件系统后产生的气体排出。

在一个优选的实施例中，清洗液循环系统设置有酸性加药装置和碱性加药装置。清洗液循环系统中通过酸性加药装置和碱性加药装置分别投加酸性清洗液、碱性清洗液。

在一个优选的实施例中，膜组件系统的膜组件包括管式、卷式、碟管式以及中空纤维式中的一种或多种。膜组件可以是任何一种，在此不做限定。

在一个优选的实施例中，膜组件系统的膜组件中的膜片包括微滤膜、超滤膜、纳滤膜以及反渗透膜中的一种或多种。膜组件中的膜片可以是任何一种，在此不做限定。

在一个优选的实施例中，微气泡发生系统采用微气泡发生装置，微气泡发生装置根据加压溶气释放原理产生微气泡。采用微气泡发生系统产生微气泡，利用气液两相流的协同作用降低膜表面污染物和膜之间的相互作用力，达到清洗效果。

在一个优选的实施例中，通过微气泡发生系统产生的微气泡的粒径范围为10nm-10um。根据实际膜表面污染程度，通过微气泡发生系统控制微气泡粒径的大小(从微米到纳米级)。

在一个优选的实施例中，通过气液混合系统产生的气泡和水的比例为500:1-5000:1。根据实际膜表面污染程度，通过调节控制气液混合系统中气相与液相的比例(气液比)，来控制气液两相流对膜污染化学清洗的强化效果。

本实用新型的一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，包括微气泡发生系统、气液混合系统、膜组件系统、气液分离系统、清洗液循环系统以及预清洗系统。首先运行预清洗系统，用反渗透产水或去离子水对污染膜组件系统的膜片进行循环清洗，以不产生明显的渗透产水时的压力为清洗压力。预清洗完成后关闭预清洗系统，同时运行清洗液循环系统和微气泡发生系统，使清洗液和微气泡在气液混合系统中形成气液两相混合流体。气液两相流进入膜组件系统的进水端，对污染膜片进行化学清洗。混合流体通过膜组件系统后进入气液分离系统，气液分离系统将清洗液与气体进行分离，分离后的清洗液回流至清洗液循环系统。化学清洗过程包括：低流速输入化学清洗液，高流速循环清洗，静态浸泡以及高流速循环冲洗等四个步骤。完成清洗后，关闭清洗液循环系统，再次开启预清洗系统对膜组件系统进行清水冲洗，直至出水的pH为中性时停止冲洗。清洗完成后，对膜组件进行通量和截留性能测试。该基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，在传统化学清洗的基础上引入微气泡，利用气液两相流的协同作用降低膜表面污染物和膜之间的相互作用力，达到更理想的清洗效果，并且具有结构简单、清洗效率高以及容易操作等特点。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本实用新型的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是本实用新型的实施例的一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面将结合附图1对本实用新型作详细的介绍，本实用新型的一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，包括微气泡发生系统1、气液混合系统2、膜组件系统3、气液分离系统4以及清洗液循环系统5，微气泡发生系统1的出气端与清洗液循环系统5的出水端通过导管联通，导管与气液混合系统2的进水端连接，气液混合系统2的出水端与膜组件系统3的进水端连接，膜组件系统3的出水端与气液分离系统4的进水端连接，气液分离系统4的出水端与清洗液循环系统5的进水端连接。

在具体的实施例中，该基于气液两相流的膜污染强化清洗系统还包括预清洗系统6，预清洗系统6的出水端与膜组件系统3的进水端连接，膜组件系统3的出水端与预清洗系统6的进水端连接。预清洗系统6内的清洗液为反渗透产水或去离子水，清洗液的电导率小于10us/cm。首先运行预清洗系统6对膜组件系统3进行预清洗处理，采用反渗透产水或去离子水对污染膜组件系统3中的膜片进行循环清洗，以不产生明显的渗透产水时的压力为清洗压力。

在具体的实施例中，清洗液循环系统5设置有酸性加药装置和碱性加药装置。清洗液循环系统5中通过酸性加药装置和碱性加药装置分别投加酸性清洗液、碱性清洗液。其中酸性清洗液包括以下组成：草酸、柠檬酸、氨基磺酸以及去离子水。碱性清洗液包括以下组成：主剂、表面活性剂、螯合剂、增溶剂、杀菌剂以及去离子水。其中主剂包括NaOH、KOH以及氨水中的一种或几种；表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、C12-C18脂肪醇聚氧乙烯醚以及辛基酚聚氧乙烯醚中的一种或几种；螯合剂包括EDTA-4Na、NTA-3Na、HEDP-4Na以及三聚磷酸钠中的一种或几种；增溶剂包括PEG400、乙醇以及聚丙烯酸中的一种或几种；杀菌剂包括异噻唑啉酮、溴代次氮基丙酰胺以及甲醛中的一种或几种。

在具体的实施例中，膜组件系统3的膜组件包括管式、卷式、碟管式以及中空纤维式中的一种或多种。膜组件可以是任何一种，在此不做限定。膜组件系统3的膜组件中的膜片包括微滤膜、超滤膜、纳滤膜以及反渗透膜中的一种或多种。膜组件中的膜片可以是任何一种，在此不做限定。

在具体的实施例中，微气泡发生系统1采用微气泡发生装置，微气泡发生装置根据加压溶气释放原理产生微气泡。通过微气泡发生系统1产生的微气泡的粒径范围为10nm-10um。可根据实际膜表面污染程度，通过微气泡发生系统1控制微气泡粒径的大小(从微米到纳米级)。

在具体的实施例中，同时运行清洗液循环系统5和微气泡发生系统1使清洗液和微气泡在气液混合系统2中形成气液两相混合流体，气液混合系统2产生的气泡和水的比例为500:1-5000:1。可根据实际膜表面污染程度，通过调节控制气液混合系统2中气相与液相的比例(气液比)，来控制气液两相流对膜污染化学清洗的强化效果。

在具体的实施例中，气液分离系统4将清洗液与气体进行分离，分离后的清洗液回流至清洗液循环系统5。气液分离系统设置有排气端，排气端与外部环境连接。通过气液分离系统4的排气端将清洗膜组件系统3后产生的气体排出。

实施例1

针对被垃圾渗滤液污染的RO膜片，其污染物组成为有机物、无机物及微生物复合污染，采用如下清洗方案：

1、碱性清洗液组成含量及配制方法：按质量百分比0.1wt％NaOH、0.02wt％十二烷基苯磺酸钠、0.02wt％脂肪醇聚氧乙烯醚、0.2wt％EDTA-4Na、0.1wt％HEDP-4Na、0.2wt％三聚磷酸钠、0.1wt％聚乙二醇(PEG400)、0.05wt％碱性蛋白酶、0.001wt％异噻唑啉酮以及其余为去离子水。将上述物质按照含量和配比依次溶于水中，在35-40℃温度下搅拌得到澄清透明、均一稳定的碱性清洗液置于清洗液循环系统中，碱性清洗液的pH值为11.5-12.0。

2、污染膜组件系统进行化学清洗，具体操作步骤包括：

(1)首先运行预清洗系统6，在运行压力为20bar，温度35℃下，用自来水对污染膜组件系统3的膜片进行循环清洗30min；(2)关闭预清洗系统6，同时运行清洗液循环系统5和微气泡发生系统1，微气泡发生系统1中产生的微气泡的平均粒径为0.1um，清洗液和微气泡在气液混合系统2中形成气液两相混合流体，气液混合系统控制气水比为1000：1；(3)化学清洗过程，只开输料泵，低流速下向膜组件系统3泵入清洗剂，循环10min，开启高压泵，高流速下循环清洗30min，操作压力为20bar，操作温度为35±1℃，关闭高压泵和输料泵，静态浸泡2h，开启高压泵及输料泵，高流速下循环冲洗10min；(4)化学清洗后，混合流体通过膜组件系统3后进入气液分离系统4，气液分离系统4将清洗液与气体进行分离，分离后的清洗液回流至清洗液循环系统5；(5)关闭清洗液循环系统5，再次开启预清洗系统6对膜组件系统3进行清水冲洗，直至浓水pH为中性停止冲洗。

表1各阶段膜组件系统的膜通量

本实用新型的一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，包括微气泡发生系统1、气液混合系统2、膜组件系统3、气液分离系统4、清洗液循环系统5以及预清洗系统6。首先运行预清洗系统6，用反渗透产水或去离子水对污染膜组件系统3的膜片进行循环清洗，以不产生明显的渗透产水时的压力为清洗压力。预清洗完成后关闭预清洗系统6，同时运行清洗液循环系统5和微气泡发生系统1，使清洗液和微气泡在气液混合系统2中形成气液两相混合流体。气液两相流进入膜组件系统3的进水端，对污染膜片进行化学清洗。混合流体通过膜组件系统3后进入气液分离系统4，气液分离系统4将清洗液与气体进行分离，分离后的清洗液回流至清洗液循环系统5。化学清洗过程包括：低流速输入化学清洗液，高流速循环清洗，静态浸泡以及高流速循环冲洗等四个步骤。根据膜组件系统3的污染程度，清洗时间控制在1-10小时，清洗过程温度控制在35-40℃左右。完成清洗后，关闭清洗液循环系统5，再次开启预清洗系统6对膜组件系统3进行清水冲洗，直至出水pH为中性时停止冲洗。清洗完成后，对膜组件系统3进行通量和截留性能测试。该基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，在传统化学清洗的基础上引入微气泡，利用气液两相流的协同作用降低膜表面污染物和膜之间的相互作用力，达到更理想的清洗效果，并且具有结构简单、清洗效率高以及容易操作等特点。

虽然上面结合本实用新型的优选实施例对本实用新型的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本实用新型的示意性实现方式的解释，并非对本实用新型包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本实用新型范围的限制，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，其特征在于，包括微气泡发生系统、气液混合系统、膜组件系统、气液分离系统以及清洗液循环系统，所述微气泡发生系统的出气端与所述清洗液循环系统的出水端通过导管联通，所述导管与所述气液混合系统的进水端连接，所述气液混合系统的出水端与所述膜组件系统的进水端连接，所述膜组件系统的出水端与所述气液分离系统的进水端连接，所述气液分离系统的出水端与所述清洗液循环系统的进水端连接。

2.根据权利要求1所述的基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，其特征在于，还包括预清洗系统，所述预清洗系统的出水端与所述膜组件系统的进水端连接，所述膜组件系统的出水端与所述预清洗系统的进水端连接。

3.根据权利要求2所述的基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，其特征在于，所述预清洗系统内的清洗液为反渗透产水或去离子水，所述清洗液的电导率小于10us/cm。

4.根据权利要求1所述的基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，其特征在于，所述气液分离系统设置有排气端，所述排气端与外部环境连接。

5.根据权利要求1所述的基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，其特征在于，所述清洗液循环系统设置有酸性加药装置和碱性加药装置。

6.根据权利要求1所述的基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，其特征在于，所述膜组件系统的膜组件包括管式、卷式、碟管式以及中空纤维式中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，其特征在于，所述膜组件系统的所述膜组件中的膜片包括微滤膜、超滤膜、纳滤膜以及反渗透膜中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，其特征在于，所述微气泡发生系统采用微气泡发生装置，所述微气泡发生装置根据加压溶气释放原理产生微气泡。

9.根据权利要求8所述的基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，其特征在于，通过所述微气泡发生系统产生的微气泡的粒径范围为10nm-10um。

10.根据权利要求1所述的基于气液两相流的膜污染强化清洗系统，其特征在于，通过所述气液混合系统产生的气泡和水的比例为500:1-5000:1。

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