改進膜過濾過程的方法和裝置的製作方法

2023-09-22 03:24:25 1

專利名稱：改進膜過濾過程的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於化學工程領域，涉及改進過濾過程，特別是改進膜過濾過程的方法和
>J-U ρ α裝直。
背景技術：
膜過濾，例如微濾、超濾和納濾，是當前流體分離過程中最常用和最重要的方法之一。當含有溶劑和溶解或分散在溶劑中的顆粒或大分子物質等的溶液以切向流的方式在一定的壓力下從多孔膜的端流向另一端時，溶劑分子因足夠小而可通過膜的孔道，而大分子·和顆粒因太大而不能通過膜孔道，因而被截留。特別地，當待處理的液體較為汙濁且難以以切向流方式流動時，可採用「垂直流過濾」的方式進行處理。對於上述過程中使用的膜材料可由多種材料製備，包括多組分聚合物、陶瓷或金屬，同時所述膜材料可包含多個膜層。所述膜材料亦可有不同的幾何形狀，包括不同直徑和長度的膜管、方形或圓形膜板以及弧形膜板。根據分離要求和過程不同，膜的孔徑大小有所差別。微濾膜孔徑為3-0. 2毫米，超濾膜孔徑為O. 3毫米一2-5納米，而納濾膜孔徑為O. 8-5納米。但根據不同的分離過程，膜
孔徑大小範圍已有重疊。在壓力的作用下，溶劑分子可通過膜孔徑，而大粒徑的粒子以及溶解在溶劑中的大分子物質被截留。在大多是情況下，溶劑是水，但本領域熟知的大多數有機溶劑亦可採用類似的分離和處理過程。膜分離過程中根據分離要求和過程特點不同，所採用的壓力不同。微濾過程中壓力在O. 3bar_5bar,而超濾和納濾過程中壓力可高達30bar。隨著溶劑分子在壓差推動作用下通過膜孔，顆粒或溶解的大分子物質被截留。隨著分離過程的進行，這些顆粒和大分子物質會富集在膜表面，形成一層沉積層。最終膜通量以及膜分離的特性將不是由起初的膜材料及其膜孔決定，而是由這層富集在膜表面的沉積層決定。隨著分離時間增加，膜通量降低，最終變為O.這種由被截留物質富集在膜表面形成的沉積層可通過增加膜進料端的切向流率來降低其形成。但在實際應用中，這種操作具有局限性。增加進料流速將增大壓力損失和增加電泵功耗，使得膜分離操作成本增加而不具有經濟可行性。此外，提高進料流速起初會增加膜通量，但同時也加快了截留物質的沉積，加速沉積層的形成，膜通量下降的速率也隨之加快。這種由於沉積層的形成導致膜通量降低和分離特性變化的現象即稱為膜汙染。有很多種方法可以清除膜表面的沉積層以恢復膜通量和分離特性。這些方法包括採用不同化學試劑清洗膜表面，或者通過機械方法，例如攪拌，來避免汙染層的形成，或通過採用膜表面可在其中旋轉的設備在切向流中產生二次流，或者在進料室內採用超聲振蕩。US2008/0257822公開了一種膜材料的清洗方法，包括暫停過濾操作；往膜表面通氣清除汙染物；開啟過濾操作同時暫停進料泵入進料罐；再次暫停過濾操作並對汙染物進行清洗；從進料罐中除去含有清除的汙染物的液體；重新開始過濾操作等步驟。US2007/0034570公開了另一種從膜進料表面清除汙染層的方法，所述方法是通過連續或間歇地往膜進料口通入二氧化氯實現的。所述方法要求特別適用於除去生物膜和生物汙染層。二氧化氯可能會通過膜進入滲透液中，或者如果是間歇操作，二氧化氯會被帶入其它罐中。US2011/0067737公開了一種連續測量跨膜壓力損失的方法。當實際壓力損失與初始壓力損失之比為小於I. 2時，在膜進料端採用氣液混合物進行衝洗。當該比例大於I. 2時，改變物流流向，並從膜的另一側通入氣液混合物清洗膜。當該比例更大時則添加清潔劑以清洗膜表面。現有的方法不僅要求複雜的設備，而且在清洗過程中需要停止膜過濾操作。添加的清洗劑會汙染料液和設備。因此有必要對膜過濾過程進行改進，在不 影響膜過濾過程的正常運行前提下，來提高膜通量的穩定性和降低清洗頻率。

發明內容
本發明的目的在於提供一種改進膜過濾過程的方法和裝置，所述方法避免了使用複雜的設備，在不幹擾正常的過濾過程的前提下除去和控制汙染層。本發明公開了一種有效地除去和控制膜過濾過程中形成的二次汙染層的方法和裝置。根據本發明的實施例，所述方法只需在已有的膜過濾裝置上進行適當改進，即可顯著地改善膜通量。一方面，根據本發明的實施例，本發明提供了改進膜過濾過程的方法，其包括以下步驟1)在膜過濾操作壓力下使膜的進料液側保持進料液連續切向流過；2)迅速停止滲透液流出，同時在滲透液側施加壓力脈衝使滲透液瞬間反衝，並維持該壓力脈衝的最大壓力；
3)降低滲透液側的壓力，使滲透液恢復流動。根據本發明的實施例，在優選的實施方案中，所述壓力脈衝在100-1000毫秒內達到脈衝最大壓力；優選地，所述壓力脈衝在200-600毫秒內達到脈衝最大壓力。根據本發明的實施例，在另一優選的實施方案中，所述壓力脈衝的最大壓力為膜過濾操作壓力的至少2倍。根據本發明的實施例，優選地，所述維持壓力脈衝最大壓力的時間為1-120秒；更優選地，所述維持壓力脈衝最大壓力的時間為2-20秒。根據本發明的實施例，優選地，所述使用壓力脈衝使滲透液瞬間反衝的間隔時間為10秒-10小時，優選為I分鐘-3小時。根據本發明的實施例，優選地，所述膜過濾過程為微濾、超濾或納濾。另一方面，根據本發明的實施例，本發明提供了用於改進膜過濾過程的裝置，其包括三通20 ;膜過濾組件1，其包括進料室3、過濾膜2和滲透液室4 ;加壓設備11，其包括填充有高壓流體9的壓力罐14和可移動的活塞15 ;其中，三通20的一個接頭與滲透液室4相連接，另一個接頭與閥門8和加壓設備11的底部依次連接，第三接頭與閥門9相連接。根據本發明的實施例，在另一優選的實施方案中，所述活塞15具有上端面16和下端面17，且下端面17的面積小於上端面16的面積，通過使活塞15快速移動而形成壓力脈衝；優選地，所述活塞15的快速移動是由高壓流體19推動的；更優選地，所述高壓流體19是通過高壓物流13產生的；進一步優選地，所述高壓物流13為壓縮氣體或高壓液體。根據本發明的實施例，在優選的實施方案中，通過開啟閥門12，8，同時關閉閥門9來啟動壓力脈衝實現滲透液的瞬間反衝；優選地，所述閥門12、8和9的關閉或開啟是在1000毫秒內完成的；更優選地，所述閥門12、8和9的關閉或開啟是在600毫秒內完成的。根據本發明的實施例，優選地，閥門12、8和9的同時開啟和關閉，以及壓力脈衝的產生和反衝過程的進行是自動控制的。圖I顯示了根據本發明的實施例的原理和裝置示意圖。圖中給出了本發明所公開的裝置的核心部件。顯而易見，在實際的膜過濾生產中，本領域的技術人員可根據需要增加其他管道、閥門、泵和其他組件，但並未改變本發明所公開方法的基本原理。
根據本發明的實施例，如圖I所示，所述的裝置中膜過濾組件I包含過濾膜2，進料室3和滲透液室4。含有溶劑、顆粒和溶解大分子物質的進料物流5在壓力作用下進入進料室3，並切向流過過濾膜2的進料表面，所述進料表面位於進料室3 —側。在進料室3和滲透室4的壓差作用下，所述進料物流5中部分溶劑通過膜進入滲透液室4，而顆粒和大分子物質被過濾膜2截留。所截留顆粒或大分子物質的大小和性質取決於膜過濾過程的性質和過濾膜2的分離特性。滲透液物流7中已除去大部分或不含有所述被截留顆粒或大分子物質，其流出滲透液室4，經過三通20和閥門9，最終進入物流10。經過膜過濾後，滲餘液物流6中顆粒或大分子物質的濃度增加，並從進料室3中流出。滲透液物流7經過三通20後還與閥門8連接。閥門8另一端通過物流18與加壓設備11連接。加壓設備11包括壓力罐14，其中充滿高壓流體19 ;可移動的活塞15，所述活塞的上端面16位於壓力罐一側，下端面17位於物流18 —側，且其面積小於上端面16的面積。所述活塞的的上端面16可在高位與低位之間移動。加壓前活塞15位於高位位置，通過高壓物流13和閥門12，可使壓力罐14和高壓流體19的壓力增加至高於進料室3的壓力，活塞15迅速移至低位。同樣地，通過物流13和閥門12，高壓流體19可洩壓至低於進料室3的壓力，此時活塞15復位至高位位置。根據本發明的實施例，在正常的膜過濾過程中，滲透液物流7通過過濾膜2後經閥門9和物流10流出滲透液室4。此時閥門8關閉，活塞15位於高位位置。當顆粒和大分子物質被過濾膜2截留並最終在過濾膜2表面形成汙染層時，膜的分離性能發生改變，導致膜通量下降。隨後膜通量會迅速降低至過程非經濟可行的水平。為使膜通量恢復至接近初始水平，需要將該汙染層從過濾膜2表面除去並隨主體液體溜走。因此，瞬間增加滲透液室4中的壓力，且該壓力顯著高於進料室3中的壓力，可使部分滲透液逆向衝過過濾膜2，從而將汙染層反衝出膜孔，而膜進料一側的切向流動未受到幹擾。當該反衝過程進行時，閥門9關閉，閥門8開啟，二者同時進行。在壓力罐14和高壓流體19的作用下，活塞15從高位迅速移至低位，在物流18，閥門8和滲透液物流7組成的迴路中形成高壓脈衝。在此高壓脈衝的作用下，一部分滲透液從滲透液室4迅速反衝通過過濾膜2進入進料室3，從而將過濾膜2表面的汙染層衝走。當活塞15到達低位位置時，閥門8關閉，同時開啟閥門9，滲透液物流7恢復原先狀態。這種反衝的效果取決於壓力脈衝陡增的程度、反衝頻率(脈衝使用的間隔時間)、壓力增加的速率、壓力脈衝的最大值以及壓力脈衝的持續時間。反衝頻率可在幾秒到幾小時之間。一般情況下，反衝頻率在10秒到10小時之間，優選地，反衝頻率為I分鐘到3小時。
壓力脈衝的增加所需的時間越短越好，一般情況下，壓力脈衝在100毫秒到1000毫秒內達到最大值，優選為200-600毫秒。壓力脈衝的最大壓力取決於膜分離過程，但至少是膜分離過程操作壓力的2倍。在微濾過程中，操作壓力一般為Ibar到6bar,因此反衝的壓力脈衝最大值為2bar到12bar。在超濾過程中,操作壓力一般為Ibar到IObar,因此反衝的壓力脈衝最大值為2bar到20bar。在納濾過程中，操作壓力一般為5bar到30bar，因此反衝的壓力脈衝最大值為IObar 到 60bar。壓力脈衝的持續時間為I秒到2分鐘，優選地，壓力脈衝的持續時間為2秒到10秒。根據本發明的實施例，在一個優選的操作方案中，閥門8，9和12的開啟和關閉是自動控制的；優選地，閥門8，9和12的開啟和關閉是通過計時器自動控制的。根據本發明的實施例，在另一個優選的方案中，閥門8，9和12的開啟和關閉是當·膜通量小於10時自動控制的。根據本發明的實施例，在一個優選的方案中，加壓設備11中的高壓流體19是氣體；優選地，所述氣體為空氣。根據本發明的實施例，在另一個優選的方案中，加壓設備11中的高壓流體19是液體；優選地，所述液體為滲透液。很顯然，其它形成壓力脈衝的方法，例如通過機械泵驅動活塞15產生壓力脈衝，亦屬於本發明所公開的技術範疇。綜上所述，本發明提供的改進膜過濾過程的方法和裝置通過在膜滲透液一次的瞬時高壓脈衝的作用下，將堵塞在膜孔上的雜質除去，從而可使得膜通量在較長時間內保持較高水平。本發明公開的方法和裝置可應用於微濾、超濾、納濾等多種膜分離過程，避免了使用複雜的設備，在不幹擾正常的過濾過程的前提下除去和控制汙染層，亦可減少或避免化學清洗帶來的物料損失和廢液排放。雖然直接使用高壓氣體從滲透液一測對膜進行反衝也可一定程度上除去汙染層恢復膜通量，但由於氣體具有較強的可壓縮性，當其從高壓氣瓶或氣泵中打入滲透液室時，由於氣體體積的增加導致反衝壓力降低而達不到有效的反衝效果。此外，直接以高壓氣體進行反衝，會造成氣體與液體直接接觸，導致高壓氣體動量耗散，降低反衝效果。而本發明公開的方法和裝置中，加壓設備11中活塞15在高壓流體19和高壓物流13驅動下，迅速從高位移至低位，快速擠壓填充在連接管道中的液體，由於液體的可壓縮性很低，活塞產生的高壓脈衝可以迅速傳至滲透液室，使過濾膜2在滲透液室一側獲得瞬間反衝高壓，從而有效地提高了反衝效果。此外，本發明提供的改進膜過濾過程的方法和裝置中，活塞15具有面積較大的上端面16和面積較小的下端面17，當高壓流體19在高壓物流13的推動下作用於上端面16 —推力，該推力經面積較小的下端面17轉化為更大的壓強作用於物流8和進一步作用於滲透液室。活塞15的這種設計可有效提高反衝壓力，而直接採用高壓氣體和液體對膜進行反衝時則達不到這種效果。另外，本發明提供的改進膜過濾過程的方法和裝置中，閥門8，9和12的開啟和關閉是通過監控膜通量而自動控制的，且其開啟和關閉可在瞬間完成，因而可在反衝迴路上形成一壓力陡增的壓力脈衝。由於脈衝衝量的大小與壓力增加至最大值的時間成反比，因此，通過控制閥門的瞬間開啟和關閉時間，可獲得所需的脈衝衝量來作用於過濾膜2，達到所需的反衝效果。而現有反衝裝置中，閥門開啟和關閉的時間往往大於I秒以上，難以獲得足夠大的衝量來除去堵塞在膜孔中的物質，因而難以達到所需的反衝作用。


圖I顯示了根據本發明實施例的膜過濾過程的方法和裝置示意圖。
具體實施例方式下面參考實施例，對本發明進行說明，需要說明的是，這些實施例僅僅是為了說明的目的，而不以任何方式限制本發明的範圍，並且在實施例中所採用的試劑和材料也均為市售可得的，如非特別說明，在實施例中所採用的設備可以為本領域中任何已知的設備。實施例I圖I所示的裝置用於過濾澱粉液化糖化體系，其中添加了 α-澱粉酶用於澱粉 液化糖化生產葡萄糖。利用陶瓷超濾膜進行過濾，該膜的截留分子量為5kD，純水通量為120L/ (m2h)。在跨膜壓力為4bar,液體切向流速為I. 5m/s的條件下進行過濾,體系中只有葡萄糖可以透過膜，而α-澱粉酶和未糖化的澱粉則被膜截留。當未進行反衝操作或膜清洗時，滲透液通量在一小時內從90L/(m2h)下降到IOL/(m2h)。此時停止過濾操作，先後採用酸(1% 磷酸，O. lMpa，5(TC，30min)JJU2%Na0H，0· IMpa, 60°C, 30mi η)和去離子水清洗膜後，滲透液初始通量可恢復至90L/(m2h)，但在I小時內滲透液通量又迅速下降至IOL/(m2h)。實施例2所用裝置、過濾體系和初始操作條件同實施例I。當滲透液通量下降至IOL/(m2h)時，停止過濾，採用實施例I中的化學清洗方法對膜進行清洗後重新開啟過濾，同時開啟反衝操作。反衝過程為自動控制，每3分鐘開啟一次，並在15bar的最大反衝壓力下維持3秒鐘。所述反衝壓力是通過活塞15從高位迅速移至低位形成的，且反衝壓力提高至15bar的時間為500ms。在此開啟反衝操作的過濾過程中，滲透液通量在65L/(m2h)到55L/(m2h)之間變化，且可以平均值為60L/(m2h)的滲透通量穩定運行一星期，而不用停止過濾過程來進行膜清洗。只有當連續運行10天後，滲透液通量下降至30L/(m2h)時才需要進一步採用酸、鹼等化學物質清洗來恢復通量。實施例3所用裝置、過濾體系和過濾操作條件同實施例2。反衝過程為自動控制，每3分鐘開啟一次，並在15bar的最大反衝壓力下維持3秒鐘。反衝壓力提高至15bar的時間為200-1000ms，連續運行一星期後滲透液的平均通量如下表所示
權利要求
1.一種改進膜過濾過程的方法，其包括以下步驟 1)在膜過濾操作壓力下，保持膜的進料液側進料液連續切向流過； 2)迅速停止滲透液流出，同時在滲透液側施加壓力脈衝，使滲透液瞬間反衝，並維持該壓力脈衝的最大壓力； 3)降低滲透液側的壓力，使滲透液恢復流出。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述壓力脈衝在100-1000毫秒內達到最大壓力；優選地，所述壓力脈衝在200-600毫秒內達到最大壓力。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特徵在於，所述壓力脈衝的最大壓力為膜過濾操作壓力的至少2倍。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的方法，其特徵在於，所述維持最大壓力的時間為1-120秒；優選地,所述維持最大壓力的時間為2-20秒。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的方法，其特徵在於，所述使用壓力脈衝使滲透液瞬間反衝的間隔時間為10秒-10小時，優選為I分鐘-3小時。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述膜過濾過程為微濾、超濾或納濾。
7.一種用於改進膜過濾過程的裝置，其包括 三通(20)； 膜過濾組件(I)，其包括過濾膜(2)、進料室(3)和滲透液室(4)； 加壓設備(11)，其包括填充有高壓流體(19)的壓力罐(14)和可移動的活塞(15)； 其中，三通(20)的一個接頭與滲透液室(4)相連接，另一個接頭與閥門(8)和加壓設備(11)的底部依次連接，第三接頭與閥門(9)相連接。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述活塞(15)具有上端面(16)和下端面(17)，且下端面(17)的面積小於上端面(16)的面積，通過使活塞(15)快速移動而形成壓力脈衝；優選地，所述活塞(15)的快速移動是由高壓流體(19)推動的；更優選地，所述高壓流體(19)是通過高壓物流(13)產生的；進一步優選地，所述高壓物流(13)為壓縮氣體或高壓液體。
9.根據權利要求7或8所述的裝置，其特徵在於，通過開啟閥門(12，8)，同時關閉閥門(9)來啟動壓力脈衝實現滲透液的瞬間反衝；優選地，所述閥門(12、8和9)的關閉或開啟是在1000毫秒內完成的；更優選地，所述閥門(12、8和9)的關閉或開啟是在600毫秒內完成的。
10.根據權利要求7至9中任一項所述的裝置，其特徵在於，閥門(12、8和9)的同時開啟和關閉，以及壓力脈衝的產生和反衝過程的進行是自動控制的。
全文摘要
本發明公開了一種改進膜過濾過程的方法，包括以下步驟1)在膜過濾操作壓力下使膜的進料液側保持進料液連續切向流過；2)迅速停止滲透液流出，同時在滲透液側施加壓力脈衝使滲透液瞬間反衝，並維持該壓力脈衝的最大壓力；3)降低滲透液側的壓力，使滲透液恢復流動。本發明提供的改善膜過濾過程的方法是通過相應裝置產生瞬時高壓，將堵塞在膜孔上的雜質除去，從而可使得膜通量在較長時間內保持較高水平。本發明公開的方法和裝置可應用於微濾、超濾、納濾等多種膜分離過程，避免了使用複雜的設備，在不幹擾正常的過濾過程的前提下除去和控制汙染層，亦可減少或避免化學清洗帶來的物料損失和廢液排放。
文檔編號B01D61/10GK102895879SQ20121032266
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月3日 優先權日2012年9月3日
發明者埃裡克·F·圖梭, 哈特穆特·布魯斯克, 劉德華, 趙雪冰 申請人:Acs農化系統有限公司, 清華大學