（市政工程专业论文）新型PE烧结膜管式过滤器研究设计.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 p e 烧结膜管式过滤器采用压缩空气( 4 , - - - 6 k g c m 2 ) 反吹落渣。为充分发挥p e 烧结膜管 式过滤器在污水处理中的作用，实践表明，设计中必须注意以下关键问题： ( 1 ) 必须选择比较合适的设计参数：多孔聚乙烯管的规格的选择与过滤面积的设计要 通过一定试验，选择科学合理的设计参数，然后才能进行设计计算。 ( 2 ) 过滤器的结构设计要合理，安装方法要正确。 ( 3 ) 过滤器的操作要有严格规程，尤其要控制好过滤设备的过滤速度与时间。 目前p e 膜过滤器普遍存在过滤器结构设计欠合理，反吹洗时布气不均匀、存在部分死 角，导致反吹不彻底，过滤周期变短，过滤能力下降；膜组结构的设计中，管槽的参数设 计目前还缺乏合理的理论依据，开发不同规格的产品周期长等问题制约其进一步广泛应用。 针对以上问题本文以自行开发的处理能力为8 m 弧的p e 烧结管式膜过滤器为基础，提 出了新的膜组件结构，即环形膜组结构，解决了p e 烧结管式膜过滤分离设备反洗不彻底问 题；建立了反洗气流的压降模型，并为新的膜组结构的尺寸设计提供理论依据及计算方法： 讨论了p e 烧结管式膜滤设备的各操作参数的设计思想和方法，借此确定控制系统的控制参 数。论文的主要工作内容如下： ( 1 ) 研制设计了一台过滤能力为8 m 3 h 的p e 烧结管式过滤器。在设计过程中，提出 了过滤器的过滤元件、水力、简体等关键部件的设计方法。 ( 2 ) 采用流体力学理论对p e 过滤设备的布气系统进行均匀设计，提出了新的膜组件 结构；通过分析反洗气体压降规律，建立了反洗气体在组件内的压力模型，通过压力模型 计算出最优的管槽尺寸，也为其它型号的设计提供了计算方法。解决过去p e 膜过滤设备气 体反吹洗中有死角、反洗不彻底导致过滤设备过滤周期短，能力下降的问题。 本论文主要创新点有：在设计过滤设备的过程中，利用流体力学理论提出并设计出新 的环形槽膜组结构，克服了以往p e 膜过滤装置反洗存在死角及不均匀的问题；通过分析膜 组件管槽中反洗气流压降规律，建立了反洗气流压降模型，为管槽的尺寸设计提供理论依 据及计算方法；所设计的过滤设备更节能，整机体积更小等特点。 关键词：过滤器p e 管式膜压降模型膜组结构 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t p es i n t e r i n gt u b em e m b r a n e sf i l t e ru s i n gc o m p r e s s e da i r c l e a n i n g # v e f u l l p l a y t o t h e i rc h a r a c t e r i s t i c s ，w em u s tn o t et h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) b em o r ca p p r o p r i a t et o t h ed e s i g np a r a m e t e r s ：p o r o u sp o l y e t h y l e n ep i p es p e c i f i 弘 a t i o n sa i l dt h es e l e c t i o no ft h ed e s i g nt o f i l t e rt h r o u g hs o m et e s t s ，am o r er e a s o n a b l ec h o i c eo fd e s i g np a r a m e t e r sa n dt h e np r o c e e dt od e s i g na n dc a l c u l a t i o n ” ( 2 ) f i l t e rt ot h es t r u c t u r ed e s i g n e dt ob er e a s o n a b l e ，c o r r e c ti n s t a l l a t i o nm e t h o dt o m a s t e r ( 3 ) t h eo p e r a t i o no ff i l t e rs h o u l db es t r i c t l yap o i n to fo r d e r ，e s p e c i a l l yg o o df i l t r a t i o n e q u i p m e n tt oc o n t r o lt h es p e e da n d t i m ef i l t e r s a c c o r d i n gt of i l t e rm a n u f a c t u r e r st or e f l e c tt h ec u r r e n tp em e m b r a n e f i l t e r se x i s tf i l t e rd e s i g n u i l r e a s o n a b l es t r u c t u r e ，c l e a n i n gc l o t h - w a s h i n gu n e v e n ，t h ee x i s t e n c eo fd e a de n d s ，c l e a n i n gi s n o tc o m p l e t e ，r e s u l t i n gi ns h o r t e rc y c l eo ff i l t r a t i o n ，f i l t r a t i o nc a p a c i t yd e c l i n ei nt h es t r u c t u r a l d e s i g n ，t h ed e s i g np a r a m e t e r s o ft h et r o u g hi ss t i l lr e m a i ni n t h ee x p e r i e n c e ，t h el a c ko f r e a s o n a b l eb a s i sf o rt h et h e o r y ，t h ed e v e l o p m e n to fd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n so ft h ep r o d u c tl i f e c y c l ei s s u e ss u c h a sf u r t h e rr e s t r i c t i n gi t sw i d e ra p p l i c a t i o n b a s e do nt h ea b o v ei s s u e sf o rt h ed e v e l o p m e n to fs e l f - h a n d l i n gc a p a c i t yt o8m j h s i i i t e r i n g0 ft h ep e b a s e dm e m b m n ef i l t e r s ，an e wm o d u l es t r u c t u r e ，t or e s o l v e p es i n t e - r i i l gt u b u l a rm e m b r a r 屺f i l t e r sa n t i s e p a r a t i o ne q u i p m e n td o e sn o tw a s ht h o r o u g h l y ；e s t a b l i 。 s h m e n tt h ea n t i - w a s h i n gt h ea i rp r e s s u r ed r o pm o d e l ，a n dt h ef i l mg r o u pf o rt h en e w s t 。 r u c t u r ed e s i g n e dt op r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es i z ea n dm e t h o do fc a l c u l a t i o n ； d i s c u s s i o np es i n t e r i n go fm e m b r a n ef i l t r a t i o n h ed e s i g ni d e a sa n dm e t h o d st od e t e r m i n et h e w o r ka sf o l l o w s ： e q u i p m e n ti n a l l o p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft _ c o n t r o ls y s t e mc o n t r o lp a r a m e t e r s 。m a j o r ( 1 ) a n dd e s i g n e db yaf i l t e r i n gc a p a c i t yo f8m 3 ho fs i n t e r i n gp ep i p e f i l t e r s i nt h ed e s i g np r o c e s s ，t h ef i l t e rt ot h ef i l t e rc o m p o n e n t s ，h y d r a u l i c s ，s h e l la n do t h e rk e yc - o m p o n e n t so fd e s i g nm e t h o d s ( 2 ) t h ef l u i dd y n a m i c so ft h ep ee q u i p m e n tf i l t e rc l o t hg a ss y s t e mo fu n i f o r md e s i g - n ，an e wc o m p o n e n ts t r u c t u r eb ya n a l y z i n gt h eg a sp r e s s u r ed r o po fa n t i - w a s h i n g , w a s h i 。 n gt h ee s t a b l i s h m e n to fa na n t i g a sc o m p o n e n t si n t h ep r e s s u r em o d e l ，p r e s s u r eo nt h e 桂林工学院硕士学位论文 m o d e lc a l c u l a t e dt h eo p t i m a ls i z eo ft h et r o u g h ，b u ta l s of o ro t h e rm o d e l sd e s i g n e dt op - r o v i d et h ec a l c u l a t i o n p er e s o l v e db e f o r em e m b r a n ef i l t r a t i o ne q u i p m e n ti nt h eg a s - w a s h i n gc o m e r ，d on o tw a s ht h o r o u g h l yl e a dt oa n t i f i l t e r i n ge q u i p m e n tf i l t e rc y c l es h o r t ，t h e p r o b l e mo fd e c l i n i n gc a p a c i t y t h i sp a p e ri n n o v a t i o n ：t h i sp a p e ri nt h ed e s i g no ff i l t r a t i o ne q u i p m e n ti nt h ep r o c e s so f u s i n gf l u i dd y n a m i c st h e o r ya n dd e s i g no fan e wf i l mg r o u ps t r u c t u r e ，t oo v e r c o m et h ep a s tp em e m b r a n ef i l t r a t i o nd e v i c e sa n t i w a s h i n gt h ee x i s t e n c eo fd e a de n d sa n du n e v e n ； t h r o u g ha n a l y s i sm e m b r a n eo ft h ea n t i t a n kw a s h i n go fa i rp r e s s u r ed r o p ，t h ee s t a b l i s h - m e n to fa na n t i w a s h e da i rp r e s s u r ed r o pm o d e lf o rt h ed e s i g no ft h es i z eo ft h et r o u g h a n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d sd e s i g n e dt of i l t e rm o r ee n e r g y - s a - v i n ge q u i p m e n tw i t ht w os m a l l e r , s u i t a b l ef o ri nav a r i e t yo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：f i l t e r ，p et u b u l a rm e m b r 舳e ，g a sp r e s s u r ed r o pm o d e l ，f i l t e rs t r u c t u r e ； m 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在 事宰教授指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：型趣兰= 签字日期：五缘络f 呈a 版权1 吏用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目 录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以 赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期： 桂林工学院硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是经济社会可持续发展和维系 生态平衡、环境优美的重要基础。水资源安全是国家安全、经济安全与生态安全的基 础，是指一个国家或地区无论是当代还是后几代人都可以稳定、及时和经济地获取水 资源，同时又使人类发展赖以依存的水资源基础和生态环境处于良好或不遭受毁灭性 破坏的状态。世界上任何国家的经济及其发展都在消耗着大量的水资源，而且每年的 消耗量随着经济的增长而增长，同时要求水资源系统提供越来越多的水资源和接受越 来越多的废物与污染，使其水资源生产力的衰退成为可能。 我国属于少水国家，多年平均降水量仅相当于全球平均值的8 0 ，比亚洲多年平 均值7 4 0 r a m 还少近l o o m m 。全国多年平均水资源总量大约占全球的6 ，低于人口 占2 2 、灌溉面积占1 7 的水平，人、水、地三者分布不协调。到2 0 0 0 年我国水资 源开发利用程度已很高，全国平均虽然只有2 0 左右，但北方海河、黄河、淮河以及 内陆河流域开发利用率均超过5 0 ，其中海河流域是我国政治、经济、文化发展的中 心地带，来水量全部用完，开发利用率大于1 0 0 。这些地区今后不仅无源可开，而 且还要逐步退还一部分水量，以维持当地的环境用水，保证社会经济可持续发展。水 资源的问题已成为我国经济社会发展和生态环境建设的严重制约因素。因此，作为国 家生存与发展的基本保障条件，水资源安全的问题成为人们关注的核心1 2 7 j 。 随着人口增长和工业化步伐的加快，城市污水量急剧增多。人们在寻找新水源的 同时开始尝试进行污水回用，可见，进行污水深度处理及其回用是一个必然的方向。 膜技术被称为是2 1 世纪的水处理技术，是近4 0 年来发展最迅速、应用最广泛的 技术。膜技术在水处理中应用的基本原理是：利用水溶液( 原水) 中的水分子具有透 过分离膜的能力，而溶质或其他杂质不能透过分离膜，在外力作用下对水溶液( 原水) 进行分离，获得纯净的水，从而达到提高水质的目的。膜分离技术由于在分离物质的 过程中不涉及相变、分离系数大、节能、高效、无二次污染等优点己成为世界各国研 究的热点【。】。随着新型膜材料的不断开发和制膜技术的提高，反渗透、超滤、微滤、 电渗析和气体膜分离等技术开始在石油化工、生物技术、食品、医药和环境保护等领 域得到应用，并取得了很好的经济效益与和会效益【9 1 。 桂林工学院硕士学位论文 多孔聚乙烯过滤管( p e 膜) 是上海医药工业研究院近年研究成功的一种新型过 滤介质n 0 1 。该膜具有如下特性： ( 1 ) 本体属蜂窝型结构，纵横都具有连续孔隙，毛细孔孔径可控制得细而均匀。 这种结构的比表面积大，拦截固体颗粒能力强，因此过滤精度较高。对于同样固体拦 截量，由于流体可三维流动，压力损失的上升速度比较小，因此多孔体比阻也比较稳 定。 ( 2 ) 耐化学药品腐蚀的性能较好，对于各种酸、碱、盐溶液非常稳定，在7 0 0 下基本上不与任何溶剂起作用。 ( 3 ) 管形多孔管可承受较高的内压力，因此可利用“压缩空气反吹法”出渣及 再生，不仅可湿出渣，也可干出渣。 ( 4 ) 传统的过滤方式在其过滤滤芯堵塞后必须拆掉滤芯进行清洗或者更换新滤 芯，造成整个系统停机、停产。这样既浪费人力又影响后续工作的正常进行，p e 膜 可将再生与脱渣两步合并操作。出渣简便，过滤机的结构可以简化，劳动强度明显减 轻。 ( 5 ) 比重轻( 0 4 o 6 9 c m 3 ) ，故安装检修方便。 其主要缺点是耐温不高，温度增加，刚性下降，易变形，最高操作温度为8 0 【l 坨1 。 多孔聚乙烯管是一种性能较好的新型过滤介质，一般可以部分代替目前生产上的 棉、毛、麻、丝、合成纤维、金属纤维、滤纸、烧结陶瓷与烧结金属等过滤介质，过 滤精度提高，使用寿命长、操作方便，处理简单，经费节省。 但是要充分发挥其特色，必须注意以下几点： ( 1 ) 要有比较合适的设计参数：多孔聚乙烯管的规格的选择与过滤面积的设计 要通过一定试验，选择较合理的设计参数，然后进行设计计算。 ( 2 ) 过滤器的结构要设计得合理，安装方法要正确掌握。 ( 3 ) 过滤器的操作要有严格的操作规程；尤其要控制好过滤设备的过滤速度与 时间。 ( 4 ) 要配备好必须的再生附属设备：定期进行再生处理【1 1 。 p e 烧结管式过滤膜器在迅速推广使用的过程中也遇到一些实际问题，据过滤器 生产厂家反映，目前p e 膜过滤器存在以下问题： ( 1 ) 反吹洗布气不均匀、存在死角，反吹不彻底，导致过滤周期变短过滤能力 下降； ( 2 ) 结构设计中，管槽的有些参数的设计目前还停留在经验上，缺乏合理的理 论依据。 2 桂林工学院硕士学位论文 针对以上问题，本论文研究设计的p e 烧结膜过滤器具反洗布气均匀、清洗彻底、 更节能结构紧凑的优点，还给出了管槽参数设计的一般公式。 1 2 膜技术简述 1 2 1 膜的分类 膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力时，原料组分 选择性地透过膜( 见图1 - 1 ) ，从而达到分离或提纯的目的。现代膜技术开发是近三十 年的事情，虽然最近取得了较大的发展，但目前仍处于发展和完善过程中。国内外膜 分离技术已经在能源、电子、化工、医药、食品、汽车、家电、环保等方面发挥了其 重要的作用【1 3 1 4 1 。 图1 - 1 膜的特性示意图 膜的推动力可以是压力梯度、浓度梯度、电位梯度和温度梯度，属于压力驱动分 离技术的有微滤( m f ) 超滤( u f ) 纳滤( n f ) 反渗透( r o ) 等。 1 ) 微滤膜 微滤的基本原理属于筛网状过滤，在静压差作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜， 大于膜孔的粒子则被截留到膜面上，使大小不同的组分得以分离，操作压力为o 7 7 k p a 。除此以外，还有膜表面层的吸附截留和架桥截留，以及膜内部的网络中截留， 如图1 2 所示【i 射。 微孔滤膜属于筛网状过滤介质，具有形状整齐的孔结构，使所有比网孔大的粒子 全部被拦截在膜面上。微孔滤膜具有如下特点： ( 1 ) 孔径均匀、空隙率高微滤膜常用纤维素酯或工程塑料制成，因此膜内孔 径非常均匀。例如平均孔径为0 铆m 的滤膜，其孔径变化范围仅在o 4 5 o 0 2 ( m ) 。 3 桂林工学院硕士学位论文 微滤膜的表面有无数微孔，约为1 0 7 - - 1 0 1 1 个c m 2 ，孔径率占总体积的7 0 - - 8 0 ， 能够快速高效的将大于该孔径的微粒全部截留。 图卜2 膜的表面层截留 图卜3 膜的内部网络截留 ( 2 ) 膜质地薄大部分微滤膜的厚度都是1 5 0 9 m 左右，薄于一般的过滤介质。 当过滤一些高价液体或少量贵重液体时，吸附滤液或滤液中有效成分少，故可减少滤 液中贵物质的损失。另外压力的波动对过滤速率的影响也很小。 ( 3 ) 驱动压力低 由于空隙率高、滤膜薄，因而流动阻力小，在较低压力下流 体也可顺利通过，因此耗费能源少【i 引。 2 ) 超滤膜 超滤( u f ) 是比微滤更加高精度的一种过滤工艺，它能够去除废水中纳米级的 ( 1 0 母m ) 的颗粒物质，可以直接制取优质饮用水，也可以用作于更高级过滤工艺的 预处理。超滤工艺能去除水中所有的微生物和细菌，但是对有机物的去除效果较差， 图1 - 4 超滤原理示意图 浓 缩 液 不能去除源水中的总有机碳和消毒副产物。超滤膜多为不对称结构，由一层极薄 ( 通常小于1l am ) 具有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚( 通常为1 2 5i lr n 左右) 4 桂林工学院硕士学位论文 具有海绵状的指状结构的多孔层组成。 前者起分离作用，后者起支撑作用。超滤膜对溶质的分离过程主要有：在膜表 面及微孔内吸附( 一次吸附) ；在空中停留而被去除( 阻塞) ；在膜面的机械截留 ( 筛分) 。超滤膜的过滤原理如图1 4 。 3 ) 纳滤膜 纳滤( n f ) 膜的孔径只有几个纳米，介于反渗透和超滤膜之间。由于纳滤膜上 或膜中有负的带电基团，它们通过静电相互作用，阻碍多价阴离子的渗透，因此纳滤 膜具有离子选择性。荷电荷性的不同如有的荷正电有的荷负电，以及荷电密度的不同 等，都会产生明显的影响。由于无机盐能透过纳滤膜，使其渗透压远比反渗透膜低。 因此，在通量一定时，纳滤过程所需的外加压力比反渗透膜低得多；而在同等压力下， 纳滤膜的通量比反渗透膜大得多。因此有时候将纳滤称为“低压反渗透或“疏松反 渗透 。以外，纳滤能使浓缩与脱盐同步进行。所以用纳滤代替反渗透时，浓缩过程 可有效、快速地进行，并达到最大的浓缩倍数【l l 埔驯。 4 ) 反渗透膜 反渗透膜的孔径只有1 0 1 1 - 1 0 o m ，通常为非对称的微孑l 结构膜，压差作为操作 推动力，工作压力可达7 o 7 5 m p a ，膜通量一般为o 5 m 3 ( m 2 d ) 左右。反渗透膜 几乎可以完全去除水中的一切其他物质，包括颗粒物、胶体、无机盐、有机物、细菌 病毒等，出水水质十分纯洁清亮肌枷。 图1 5 表明了上述几种压力驱动膜的压力驱动及过滤粒子直径范围。 微粒或分子大d , d p g m 图1 - 5 压力驱动的膜工艺分类 ( 纵坐标为压差，p a 胛a ) 5 桂林工学院硕士学位论文 1 2 2 膜技术发展概况 随着全球能源环保行业的迅猛发展，过滤与分离机械工业越来越受到各国的重 视，发达国家已形成了过滤与分离行业的企业联合化，资本公众化，市场贸易、技术 和信息一体化的格局。过滤与分离机械进入了高速发展的轨道，高新技术产品不断问 世，广泛通用于各行业对固体、液体、气体单相或多相混合物的纯净化分离与分级。 1 9 6 4 年由1 8 个国家在英国创立国际过滤学会后，国际性行业交流日益增多， 1 9 9 0 年在法国成立了世界过滤组织( i d e r i ) ，随后，很多国家自行成立了过滤与分离协 会与学会，如美国过滤协会、美国过滤与分离学会、英国过滤学会等，各国学会均创 了专业性期刊，如英国、德国的过滤与分离，美国的分离与净化技术等，从 而有力地促进了世界过滤与分离技术的进步吨3 剜。 膜技术是2 0 世纪6 0 年代后迅速崛起的一门分离技术，它是利用特殊制造的具有 选择透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离方法。 它已经广泛地应用到当前的大多数工业中，而且被认为将在2 1 世纪的工业技术改造 中起战略作用，是2 1 世纪最有发展前途的高新技术之一陋1 。 膜分离技术的发展大体经历了三个阶段。 1 ) 早期一科学家的工具 1 8 4 5 年，发现半透膜。1 8 5 5 年制出第一张合成膜。1 8 7 7 年提出膜迁移理论中 的溶解一扩散理论。 2 ) 成长期一科学研究的课题 2 0 世纪上半世纪，膜成为科学研究课题。1 9 0 6 年，b e c h o l d 首次提出“超滤”术 语。他提出“超滤 分离效应除了粒径因数外，吸附过程也起作用；1 9 1 1 年，d o n n a 发表了关于半透膜断面中电荷分布的论文。1 9 1 7 年，k o b e r 首次观测到渗透汽化现象； 1 9 3 5 年，t e o r e l l 和1 9 3 6 年m e y e r s 和s i e v e r s 在d o n n a 理论的基础上提出离子选择 模型，为电渗析和膜电极的发明奠定理论基础。1 9 5 0 年j u d a 试制出第一张具有使用 价值的离子交换膜；1 9 2 7 年，德国建立了第一个生产和销售微滤膜的公司。 3 ) 发展期一产业化 近半个世纪以来，膜分离产业得到飞速发展( 表1 ) 。2 0 世纪5 0 年代，电渗析在 苦咸水淡化的领域获得广泛应用，从而实现离子交换膜和电渗析的产业化。7 0 年代， 复合膜的出现推进了反渗透膜的发展及气体分离和纳滤的产业化：p r i s m 膜的标志着 气体分离的产业化。1 9 9 0 年前后，纳滤膜大规模应用于硬水的软化1 2 4 2 7 。 6 桂林工学院硕士、学位论文 表1 膜分离产业的大体年份、主要应用 我国在这方面也有长足的进步。滤膜、滤器以及相应得配套设备，在质量，品种， 规格等方面与技术先进的国家相比虽说还有一定差距，但是在相当多的领域，国产产 品己达到替代进口同类产品的水平。我国微孔膜和膜过滤器的品种，性能上都有了质 的飞跃。现在，我国微滤膜及相应得过滤原件不仅能在常规下使用，而且在酸，碱环 境，热环境及溶剂和氧化环境等方面都有相应得专用和器件，从而使我国的微滤膜应 用领域大大拓宽，应用项目更为具体 2 q 。 1 2 3 国内过滤膜研发与生产状况 我国自行建设了多个膜法水处理工程，尤其今年来在锅炉水处理、反渗透海水淡 化，污水回用等领域建设了多个大工程，涌现了多个优秀的工程公司。膜法的建设水 平居世界先进水平。 电渗析。我国的电渗析2 0 世纪5 0 年代末，在6 0 年代初，电渗析装置投入海上 试验，1 9 6 7 年异相离子交换膜投入生产，为电渗析的推广应用创造了条件，7 0 年代 电渗析技术发展较快。目前，我国的电渗析技术已经成功应用于海水淡化、苦咸水淡 化和纯水制备。 我国在2 0 世纪9 0 年代中后期以后，电渗析技术受到反渗透技术的严重挑战，发 展非常困难。与反渗透相比，电渗析脱盐的水利用率不高、电耗较大，运行不够稳定。 离子交换膜是电渗析的核心，但是我国离子交换膜的制备与日本、美国等先进国家相 比有较大差距。我国生产的离子交换膜还是3 0 多年前的研制成功的聚乙烯异相膜， 均相膜虽有几家研制成功，但是成本高，未能投入生产和应用，双极膜还处于研究阶 段。这使电渗析的应用受到很大限制。 7 桂林工学院硕士学位论文一 由于电渗析固有的抗污染能力，以及新型具有高化学和热稳定性、高选择渗透性、 高抗污染等优点。在电渗析膜的开发，双极膜技术的发展，电渗析与离子交换技术的 结合方面，电渗析必将焕发新的活力。 微滤和超滤。根据膜材料，微滤和超滤可分为无机膜和有机膜2 类。 国内超滤膜研究始于2 0 世纪7 0 年代，7 0 年代中期研制成功醋酸纤维管式超滤 膜，8 0 年代成功研制聚砜中空纤维膜。在此基础上，又研制出了一批耐高温、耐腐 蚀、抗污染能力强、截留能力优的膜和组件。目前已有p s 、p a n 、p s a 、p p 、p e 和 p v d p 等1 0 余个品种膜，但在膜种类与质量上与国外尚有一定差距。 国内无机膜研究始于2 0 世纪8 0 年代末，但是已经能够在实验室规模下制备出无 机超滤膜及高通量金属钯膜。在2 0 世纪9 0 年代，又进一步陶瓷膜的工业化进程。我 国目前已有少数几家公司具有生产无机超滤膜能力，并以陶瓷膜生产居多，但是支撑 生产和优良性能膜的研制方面与世界先进水平具有较大差距【2 副。 纳滤和反渗透。美国、日本以及一些欧洲国家自2 0 世纪5 0 年代初开始研究反渗 透膜水处理技术，至7 0 年代逐步形成产业化。国内以海洋局杭州水处理技术研发中 心为代表的研发机构自2 0 世纪6 0 年代起对分离膜与膜工业过程进行研究开发。1 9 9 5 年，辽宁8 2 7 1 厂首次在国内引进复合反渗透膜及元件的生产线，揭开了国产反渗透 膜工业化的生产进程。此后，无锡海洋膜工程公司、汇通源泉环境科技有限公司、杭 州北斗星制膜有限公司、河北阿欧环境技术有限公司等企业相继投入反渗透膜的生产 线。然而，早期国产反渗透膜的生产举步维艰，以上一些企业甚至已经关门停业。与 此同时，具有大规模生产能力的国际反渗透膜厂商无一例外地登陆了国内市场，并占 有一席之地。但国产膜的技术性能也已经得到越来越多的应用验证，逐步被用户认可。 廉价、高效是水处理膜的发展趋势。新型膜材料的开发和膜过程的改进将为膜技 术开辟更为广阔的应用空间，许多新型膜材料分离效果显著，能在强酸、强碱、高温 等苛刻环境下使用，这极大地推动着膜技术的改造和膜工业的发展。 对于电渗析用离子交换膜，主要发展方向在于开发具有高化学和热稳定性、高选 择渗透性、高抗污染性膜及双极膜，并发展电渗析与离子交换技术。 对于超滤和微滤膜主要发展方向在于提高膜通量、强度、提高耐污染能力，提高 使用寿命方面。发展配套冲洗、清洗技术，提高膜运行效率。发展组件和系统配之技 术，提高整机性能。 对于纳滤膜和反渗透膜，主要发展方向在于提高膜的通量，提高脱盐率( 或分离 效率) ，降低操作压力，提高耐氧化、耐污染及污染能力m 】。 8 桂林工学院硕士学位论文 1 3p e 烧结管式过滤器 1 3 1 概述 随着石油化工的发展，“粉末烧结 方法由冶金推广到高分子聚合物，由此形成 一类新的过滤介质一“烧结高聚物 。这种介质兼有烧结多孔体的优点一过滤精度高， 脱渣方便，又有高聚物的优点一耐腐蚀性能良好。因此这类介质很有发展前途。“多 孔聚乙烯( 多孔p e ) 过滤介质”就是“烧结高聚物”中性能较好，应用较普遍的一种新 型过滤介质【l 瑚】。 p e 烧结管膜即刚性烧结高分子微孔过滤管。此管由高分子聚合物粉体微粒通过 加热烧结成型。高分子微孔烧结管的断面结构见图1 6 。其粉粒一般无定型，粉体呈 杂乱堆积型，在固体颗粒之间形成纵横交叉，既收缩又扩大的毛细孔，属三维连通蜂 窝型结构。 液固过滤的微观机理很复杂，包括物理吸附、孔口架桥与机械筛滤等。对过滤膜 过滤，毛细孔径一般均小于固体微粒，基本上属于机械筛滤。其它各种过滤介质，毛 细孔径往往大于固体微粒，其过滤原理就不是单一的某一种机理，而是儿种机理的综 毛缃孔道 图1 - 6 微孔聚乙烯烧结管的断面图 图1 - 7 孔口架桥 滤出液 合作用。微孔过滤管，其目前的孔径是5 1 4 0 9 m ，但能一次过滤耻m 或至0 靴m 的 微粒。这些很细微粒不象大于l 蛳m 的粗粒，表面荷电性显著，布朗扩散力对其影响 远远大于重力等外来力，其过滤机理既不象膜过滤，也不象大于l 鲰m 易过滤的粗颗 粒过滤那样直观。高分了微孔管基本是大毛细孔孔径过滤小颗粒，这些颗粒的粒度大 部分小于毛细孔径。其过滤机理如下：在微孔管的毛细孔中，液体的流动不可能是 层流，尽管线速度很小，但流速与流向不断改变，因此毛细管内的流动属湍流。在入 口的孔口段，从管外向管内的流体基本是旋涡流。固体微粒随液体流入孔口段，在 9 桂林工学院硕士学位论文 旋涡流的离心力、布朗扩散力与其它机械碰撞力作用下，颗粒随液流向前移动的同时 也向毛细孔壁靠近。在双电层吸附、万有引力吸附及化学吸附作用下，移到毛细管 壁的微粒被管壁吸附住。在湍流力作用下，被吸附的微粒有部分被返向到液流中，但 很快建立动平衡，此时被吸附微粒会远大于返流的微粒。由于吸附与机械阻挡，在 毛细孔孔口的固体颗粒很快形成孔口架桥图1 7 迄随着孔口架桥的建立，过滤基本上 变为在微孔管外面的滤渣过滤。随着过滤不断进行，滤渣层不断增加【2 9 l 。 p e 管式过滤机是选用目前我国较理想的过滤材料，该材料是由上海市医药工业 研究院研制成功的新型产品一“多孔p e 过滤管 。p e 管式过滤机，可分湿出渣， 干出渣两大类型。设备呈园筒式，顶部为蝶形或平盖，顶盖上装有压力表，观察孔， 放气伐，正吹伐等，而新颖的过滤介质一多孔p e 管，组成管束形或波纹形过滤板直 立在园筒内，由引出管至壳体外部，按排水进气总管。排渣是采用反吹【l 】( 4 , - - , 6 k g c m 2 ) 压缩空气落渣，排渣门的开启由手动或气动控制。它可广泛应用于国防、冶金、机械、 电镀、化工、轻工、纺织、化纤、制药、矿山、食品等工业生产以及三废处理等领域 中的液体澄清过滤，液固悬浮液的滤渣过滤，以及气体净化等过滤方面。尤其在废水 治理中，液固分离是一个重要环节，废水经化学处理后其中有毒物质一般以固相悬浮 微粒或沉淀出现，这就必须用过滤或离心等分离方法，进行液固分离，回收废渣，将 过滤后的水排到江中去或返回生产系统反复使用。使用这种过滤机，不但结构紧凑、 造型美观，还具有过滤介质的再生能力强，出渣排渣方便的特点。它的诞生，立刻在 国内的电镀、制药、化工及污水处理的实践中进行了检验，证明了它是一种发展前景 的先进的过滤设备【3 引。 1 3 2p f 烧结管式过滤器性能与特点 p e 烧结膜过滤设备选用性价比较高的聚乙烯( p e ) 烧结膜微滤芯为主要过滤元 件，采用低能耗的终端过滤+ 反吹反洗防污堵措施具有如下特点m ，： ( 1 ) “多孔p e 管过滤机以烧结成型的聚乙烯料过滤管作为过滤介质，其毛 细孔孔径可控i i l i ! i1 0 微米左右，毛细孔孔道细而弯曲，可过滤1 微米以上的固体微 粒，滤液一般澄清，对l 微米以下o 5 微米的微粒，只是起动时有一点穿滤，一当形 成薄薄的滤层后，很快变清。 ( 2 ) 多孔p e 管是一种刚性较好的多孔体( 不像泡沫塑料那样刚性差) 当温度 不太高时，在拉、压力作用下变形很少，在过滤管外表而形成的滤饼，只要用压缩空 气反吹，就很容易脱渣，即使粘性大的渣只要压缩空气压力高、进气速度快，也能使 其脱离。对于粘性滤饼，如果过滤介质是滤布，用目前通用的自重脱渣，振动脱渣或 1 0 桂林工学院硕士学位论文 反吹脱渣都较困难、效果不太好( 除非是浆状湿出渣) ，因此，刚性的多孔p e 管能解 决粘性滤饼的脱渣问题，而操作又简便，机械设备结构紧凑不复杂，此外，滤饼被压 缩空气反吹离后，空气从毛细孔中高速射出，气流的动能可将过滤时堵塞毛细孔内固 体微粒强制排出，至少也能将堵塞在表面孔口处的堵塞微粒排出，因此，这种过滤设 备介质脱渣与过滤管的再生很方便，操作工人的劳动强度较轻。 ( 3 ) p e 过滤管膜能耐酸、耐碱、耐醛、耐盐、耐脂肪烃、耐放射性辐照及耐 水等化学性能很好，而有机溶剂的性能也很好，在7 0 以下可耐酯酮、醚等有机溶 剂。 ( 4 ) p e 过滤管膜可用车、锯、创、烫、焊接或粘结方法再加工，体重也很轻， p e 多孔管为0 5 o 7 ，因此安装很方便 3 5 3 6 。 1 4 本项目研究工作的目标和内容 传统的过滤方式在其过滤滤芯堵塞后必须拆掉滤芯进行清洗或者更换新滤芯，造 成整个系统停机、停产，这样既浪费人力又影响后续工作的正常进行。p e 膜可将再 生与脱渣两步合并操作，出渣简便，过滤机的结构可以简化，劳动强度明显减轻。但 是要充分发挥其特色，必须注意以下几点： ( 1 ) 要有比较合适的设计参数：多孔聚乙烯管的规格的选择与过滤面积的设计 要通过一定试验，选择较合理的设计参数，然后进行设计计算。 ( 2 ) 过滤器的结构要设计得合理，安装方法要正确掌握。 ( 3 ) 过滤器的操作要有严格的操作规程；尤其要控制好过滤设备的过滤速度与 时间1 3 7 1 。 同时，p e 烧结管式过滤膜器在迅速推广使用的过程中也遇到一些实际问题，据 过滤器生产厂家反映，目前p e 膜过滤器存在以下问题： ( 1 ) 过滤器结构设计不合理，反吹洗布气不均匀、存在死角，反吹不彻底，导 致过滤周期变短过滤能力下降； ( 2 ) 结构设计中，管槽的参数设计目前还停留在经验上，缺乏合理的理论依据； 开发不同规格的产品周期长。 针对以上问题，本论文研究设计出新的p e 烧结膜过滤器结构，解决反洗布气不 均匀、清洗不彻底问题；探讨建立管槽参数设计的一般公式，同时，与厂家联合设计 一台过滤能力为8 m 弧的过滤器。 桂林工学院硕士学位论文 第二章p e 烧结管式过滤器工作原理及其污染再生 2 1 p e 烧结管式过滤器工作原理 2 1 1p e 烧结管膜特点 p e 烧结管是通过聚乙烯塑料高温烧结，然后冷却成型而制得的，它是一种具有无 数孔道弯弯曲曲的毛细孔组成，毛细孔之间互相连通，形成蜂窝型刚性结的新型精密 过滤介质。同时由于毛细孔壁对微粒的双电层吸附，逐渐形成毛细孔孔口的“架桥 作用，最后导致孔外的机械过滤。通过毛细孔及毛细孔孔口的联合作用，可以把各种 大颗粒和悬浮物滤住，在微孔管管壁之外形成一定厚度的压缩滤渣层。过滤结束，可 利用压缩空气进行反吹卸渣，由于微孔管是刚性的，反吹法就可把滤渣从微孔管管壁 上吹落下来，同时还可将毛细孔孔口之内的微粒大部分反吹出来，使细毛孔达到再生。 它的基本分离原理是，被分离的溶液在外界压力的作用下，以一定的流速流过具有一 定孔径的烧结管的外表层，溶液中的无机离子、小分子物质及溶剂透过烧结管壁，而 溶液中的悬浮物、大颗粒物质等杂质则吸附于烧结管外壁而被截留下来，从而达到净 化的目的。其过滤原理如图2 1 【| 1 1 所示，料液从p e 膜的一侧通过膜后到达膜的另一 侧而完成过滤m 4 0 1 。 图2 - 1p e 烧结管式过滤原理 p e 烧结膜微滤芯的主要特点是：超大流量：高孔隙率( 6 0 9 6 ) ，保证了单位面 积流体流量更大；外表面光滑：光滑的外表面，杂质不易粘着，反吹洗容易彻底。 抗污能力强：外小内大的孔径结构使杂质难以进入滤芯体内；耐强酸、强碱的腐 蚀，耐有机溶剂的溶解；良好的韧性，滤芯不易断裂；反吹容易重复使用，无脱 粒现象；耐压能力强；优异的性价比：该滤芯采用超高分子量p e 工程塑料，综 合性能优异，价格适中，。 桂林工学院硕士学位论文 2 1 1 1 微孔管的孔隙结构 p e 烧结管式过滤机作为一种新型的表层过滤技术克服了深层过滤技术过滤精度 难以提高的缺点。图2 2 为其二维平面切片显微结构示意图，从图中可以看出，泡室 的分布实际上是既有串联又有并联的混联分布。 掣 女 皇吨 墨 遗 图2 - 2 二维微孔管孔道结构示意图 在实际过滤过程中，起主要作用的孔道是从外壁垂直指向微孔轴线的那一维( 设 为法向孔道) 。过滤的初始阶段，由于毛细管的吸附作用，夹杂着微粒的液流会很快 弥散，填满介质的各个孔道。随着渗流的继续，液流主要是沿着法向孔道运动，其余 两维孔道内的液体则滞流在孔道内，起调节渗流压力梯度、使之均匀分布的作用。但 也有如下的负作用：过滤时它为介质中被截留微粒从另一侧孔流出孔道提供了方 便；在二维孔道中，被吸附的微粒在反吹洗时构成了死角，难以被吹出：多孔介 质在反吹洗时，其再生率永远不能达到1 0 0 ，并且经过较长时间的过滤和数次反吹 洗之后，这二维的孔道几乎全部被微粒堵塞，反吹洗对之无能为力。此后，同样强度 的反吹洗的再生能力将逐渐趋于一平稳的数值。 2 1 1 2 泡室的水力学特性 微粒在泡室内主要是作定向移集运动和布朗运动，其动态微平衡过程见图2 3 。 在壁厚为6 r a m ，平均孔径为2 7 9 m 的烧结管中，一个从外壁通向内壁的孔道将串联 数个到数十个大小不等的泡室。 当新的微孔管过滤运行到一定时间之后，在泡室里就会截留下越来越多的杂质微 粒，这些微粒在压力梯度和速度梯度的作用下，将向图4 所示的右孔喉作定向移动， 这其中有介质对颗粒的吸附作用，还有微粒之间的范德华尔吸引力，最终使微粒聚集 1 3 桂林工学院硕士学位论文 图2 - 3 颗粒在泡室内运动的微平衡 在右处形成微滤饼。另一方面，在泡室里，微观粒子作着布朗运动，即微滤饼外侧的 微粒向外作扩散