超滤工艺培训讲解教材

1、超滤培训教材超滤培训教材第 页共24页超滤培训教材1简介膜分离过程分类介绍滤膜法液体分离技术从分离精度上划分，一般可分为四类：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）,它们的过滤精度按照以上顺序越来越高。10 cm10 cmlOVm10 cm10 kmLllm孔秸I I I I I I1A2510A2050 100A200 500 WA 2000BOGO 1um25 1。Jm分离对象CIOHH卵漕相白S糖大肽X 赤腔曲SL牝液；(MFJ超注1UF）分离法 !| 一期的可气体分海-猫悻分苒反潜谡出必海透汽化像波折豉ED超泥 口 UF| 曾茂媵nF一淮通婚HO分离膜的种类微滤 能截

2、留0.1-1微米之间的颗粒。微滤膜允许大分子和溶解性固体（无机 盐）等通过，但会截留住悬浮物、细菌及大分子量胶体等物质。微滤膜的运行压力 一般为 0.7-7bar。超滤能截留0.002-0.1微米之间的大分子物质和蛋白质。超滤膜允许小分子物 质和溶解性固体（无机盐）等通过，同时将截留下胶体、蛋白质、微生物和大分子 有机物，用于表示超滤膜孔径大小的切割分子量范围一般在1000-500000之间。超滤膜的运行压力一般1-7bar。纳滤 能截留纳米级（0.001微米）的物质。纳滤膜的操作区间介于超滤和反 渗透之间，其截留有机物的分子量约为 200-800MW左右，截留溶解盐类的能力为 20%-98%

3、之间，对可溶性单价离子的去除率低于高价离子，纳滤一般用于去除地表水中的有机物和色素、地下水中的硬度及镭，且部分去除溶解盐，在食品和医药生产中有用物质的提取、浓缩。纳滤膜的运行压力一般3.5-30bar。反渗透是最精细的一种膜分离产品，具能有效截留所有溶解盐份及分子量大 于100的有机物，同时允许水分子通过。反渗透膜广泛应用于海水及苦咸水淡化、 锅炉补给水、工业纯水及电子级高纯水制备、饮用纯净水生产、废水处理和特种分 离等过程。反渗透膜的运行压力一般介于苦咸水的12bar到海水的70bar。超滤膜的种类及应用特点超滤膜按结构来分主要有四种：板式膜，卷式膜，管式膜，中空纤维膜。板式膜：它是最早出现

4、的膜，但因为难以保证膜表面适当的流速及复杂的密封问题， 这类膜的应用非常有限。前处理要求不严格；卷式膜：以板式膜为起点发展起来的，因为卷式膜的格网带来死点及无法反洗，通 常不适用于工业原水处理。它们适用于高温、高压物料分离等，前处理要求也不严 格；管式膜：因为它的能耗较大，从经济上来说不适用于普通水处理，一般适用于高固 体含量或高含油浓度的流体，在四种膜中，它的前处理要求最不严格。中空纤维膜：因为它压力低，通道无死点，通量高，能进行反洗，所以除特殊水体 （如高含油、高固体含量等）外，都是很好的选择，对四种膜而言，在水处理中应用最为广泛。注：因为中空纤维膜应用最广泛，后面资料中除共同点外，其他均

5、以中空纤维膜为 例进行说明。应用范围超滤在水处理领域应用十分广泛，按应用场合划分，主要可以用于：原水前处理（地表水、地下水、自来水）澄清池、砂滤替代、RO前处理及离子交换前处理应用在前置予处理中，超滤替代澄清池或砂滤器，用于去除原水中的固体和胶 体以改善后续工段设备的运行，如改善离子交换器的反洗频率和反渗透膜元件的更 换频率，但其需要较频繁的清洗/冲洗。膜型一般为10万分子切割量。纯化处理去颗粒（如18WQ水）、去微生物及热原体、RO或离子交换后处理应用在反渗透/离子交换设备后，超滤用于去除水体中的胶体和固形物， 水透过 率较高，清洗频率较低，其不需要较频繁的清洗/冲洗，只有当系统压力降低到操

6、作 不便或有细菌产生时才清洗。在医药及电子行业，超滤放在使用点用以去除微生物 及热原体。膜型一般为1-10万分子切割量。水循环和回用生化处理后、澄清后（二级和三级）2超滤术语/、对称膜Anisotropic Membrane一种人工合成聚合中空纤维，由一层很紧，很薄内膜 及自我支撑的海绵状外层结构构成。这层内膜起着半 透水超滤膜的作用。平均透膜压差Average Trans-membrane Pressure产水侧和原水进出口压力平均值的差异，平均透膜1玉差=（P进+P出）/2 P产水反洗Back-flush从中空纤维外侧把透过液质量的水输向内侧。因为水 被从反方向透过纤维，从而松解并冲走了膜

7、表面的污物。 注意：在此过程中纤维膜内侧无压力。胶质污染Colloidal Fouling在中空纤维内侧膜表面形成微粒沉淀层。浓缩或排放液Concentrate or Reject原水中不能透过膜的那部分，它包含了比原水浓度高 的颗粒，胶体，细菌和热原体等杂质。浓差极化Concentration Polarization引起被排斥的悬浮物在膜表面聚集的现象。纤维内的 高剪力（高流速）能降低极化。错流过滤Cross Flow浓水沿平行于有效膜面方向流动，有助于冲刷掉膜表 面的污染物碎片。压力差Differential Pressure纤维膜管进出口压力差。压力差 PD = P进-P出下向流Dow

8、nward Flow超滤膜组件的循环流向按照自组件顶部向底部的方向 流动。原水Feed进入超滤系统的水，然后 分为产水及浓缩液。通量（透水率）Flux产水透过膜的流率，通常表达为每天每平方英尺膜面 积产多少加仑的水（gfd ） , gfd = lmh x 0.59正流Forward Flow排放液的循环流动方向，对垂直安装的膜管常指向上 运动。凝胶层Gel Layer在运行的超滤膜后效内侧表面形成的一层局浓度或固 体沉淀物层，通常为高分子物质。往往是凝胶层的渗 透性而不是过滤膜的渗透性决定了超滤水通量（这会 导致与实际滤膜的截留分子量相比更紧密的过滤效 果）。截流分子量Molecular We

9、ight Cutoff膜的一种特性，描述对一种已知进料体系中溶质的公 称截留率，即被截留污染物的最小尺寸。公称截留Nominal Cut Off在一已知浴质的单一溶液体系中，对溶质截留率达到 最大（通常为90%）时对应的膜孔径大小。透过液，产水Permeate透过滤膜的那部分水，基本上无胶体，颗粒和微生 物。回收率Recovery产水占总原水的百分比。%回收率=产水/原水x 100滞留物Retentate也称为浓缩物。进水中无法通过滤膜的部分，包括有 浓度局十具进水中含量的被截留固体物。滞留物排放Retentate Bleed滞留物中自超滤单元排放掉的或再循环的部分。此排 放过程防止被截留固体

10、物在膜过滤侧发生积累。交错流Reversal Flow液体交错进入膜管内。水从上进液管进入膜管内，过一段时间后改成从下进入，这样交错变化以改进膜内 流动条件上向流Upward Flow超滤膜组件的循环流向按照自组件底部向顶部的方向 流动。3超滤基本原理概述超滤是一种流体切向流动和压力驱动的过滤过程，并按分子量大小来分离水中 颗粒。超滤膜的孔径大约在 0.0020.1微米范围内（MWCO约为1, 000-500, 000）。 溶解物质和比膜孔径小的物质能作为透过液透过滤膜，不能透过滤膜的物质将被截 留下来浓缩于排放液中。因此产水（透过液）将含有水、离子和小分子物质，而胶 体物质、颗粒、细菌、病毒

11、和原生动物将被膜去除。中空纤维超滤膜是一种很薄的聚合材料，由聚碉 PS,聚醴碉PES, PVDF或聚 丙烯月青（PAN）制成并带有非对称的微孔结构。不对称超滤膜拥有一层极光滑极薄（0.1微米）的孔径在0.002至IJ 0.1微米间的内表面，此内表面由孔径大到 15微米 的非对称结构海面体支撑结构支撑。这种小孔径光滑膜表面合较大孔径支撑材料的 结合使得过滤微小颗粒的流动阻力很小并不易堵塞。不对称UF腺结构传统过滤膜多为对称多孔结构透过裱基本原理超滤是一个错流合切向流的过程，要过滤的液体沿膜表面流动。这样在中空纤 维的内壁上形成流体剪切的条件，而使得污染物较难在膜表面形成。进水X浮体剂淀分悬胶乳沉

12、高3OO1=R要过滤的水经由超滤给水泵加压后输入膜组件中。由于膜内外的压力差，一部 分水渗过滤膜，而水中的杂质则截留在剩余部分水中被过滤除去。如果欲分离的杂质在膜上过多沉积，根据膜的类型不同，会导致难溶性盐沉积 或形成部分覆盖层。所以要避免这一点，一部分水会成为浓缩液流出去掉，根据膜 的类型和应用不同，这样的过程要持续进行或者在回流时进行。下图是超滤膜过滤的基本原理图。超滤的特点与传统的净化方式相比，超滤具有许多优点: 能完全去除微生物和微粒对水中污染物去除率组份PM10PM100胶体硅99.8%99.0%胶体铁99.8%99.0%胶体铝99.8%99.0%悬浮物5 LRV4 LRV浊度 0.

13、3 NTU (通常小于0.1 NTU)SDI 1.0 SDIGiardia6 LRV5 LRV原生动物6 LRV5 LRV菌类6 LRV5 LRV病毒5 LRV4 LRV内病毒4 LRV2 LRVTOCavg. 70%avg. 30%过滤效果不受原水水质的影响能够去除耐氯的病菌超滤的浓缩液中只含有原来水中含有的那些物质比起其它的传统方式，超滤中沉淀物的量明显较少支架的紧凑结构提高了空间利用率，节省费用，也可在现有的厂房中，可以高 度灵活的增加装置配备。超滤可以实现全自动化工业连续生产。由于超滤几乎能完全滤去形成覆盖层的物质，所以可以在后续的膜净化步骤中 增加面积负荷，因而减小后续净化装置的规模

14、。4流程模式原水进入中空纤维内腔，由内向外通过纤维过滤。通常原水由膜件的一端进入, 在30-40psi的压力驱动下流经整个长度的纤维。较高固含量的浓缩液自膜件的另 一端排出。透过液经纤维膜壁的过滤流入膜件中心的透过液集水管中。透过液经集 水 管 自 每 支 膜 件 的 中 心 流 出下向流上向流f透过液出浓水出f透过液出、三一 一原水进,透过液出超滤根据原水水质的不同一般有两种运行流程模式：死端过滤模式和循环过 滤模式。死端过滤模式一般当原水中悬浮物和胶体含量较低时（如 SS5浊度5NTU）时采用。如下 图2：死端过滤示意图 面图2所示，原水以较低的错流流速进入膜管，浓缩水以一定 比例从膜管另

15、一头排出。产水在膜管过滤液侧产出，水回收率通常是90%-99%,由原水水质决定。和循环模式相比，死端过滤的操作成本低，但回收率和系统的出水 能力可能会受限制。这种模式通常需要定期快冲和反冲来维持系统出力，当污物积 累到一定程度，就需要化学清洗来进行处理。滤液循环过滤模式当原水中悬浮物含量较高及在大多数非水应用领域，就需要通过减少回收率来 保持加膜管内部的高流速。这样就会造成大量的废水。如图3所示，为了避免浪费, 排出的浓水就会被重新加压回流到膜管内。这样，虽然降低膜管的回收率，但对于 整个系统，回收率仍然可以很高。在这种模式，进水连续的在膜表面循环。循环水 的高速阻止了微粒在膜面积的堆积，并增

16、加了通量。因为较少的进水成为产水，为 了获得相同的产率，能耗就比死端过滤模式大。回流滤液5超滤膜的性能膜元件的操作范围最高压力(水)：45Psi (3.1bar)最高压力(气):15Psi (1.0bar)最高进水温度：104 F (40C)最低进水温度：32 F (0C)最大透膜压差：35Psi (2.4bar)最大反洗透膜压差：20Psi (1.4bar)最大平均压力变化：6psi/sec(0.4ba渺)，10秒钟阀门开启时间最大总氯耐受能力 77 F (25C)或更低：200Ppm 8.5pH或更高pH。最大总耐氯接触量：200, 000Ppm小时(累计) 8.5pH或更高pH。最大有机

17、溶剂接触：避免接触最大紫外线接触：避免暴露于日光直射下。组件的截留性能对MS2噬菌体的截留对病毒MS2噬菌体的截留比较难以确定。如果要在浓度很小的时候检测这种 生物体，就需要特殊的微生物检测技术。另一方面，要在足够长的时间中使较高浓 度的噬菌体混合流入原水中，也很难。由于膜的净化效率很高，所以要能测量出噬菌体的截留来，原水中它的浓度至 少要达到每毫升10万个。在此浓度下，滤液中找不到噬菌体。因此，对噬菌体的截留在99.999%或者说又t数级5以上。对隐抱子体(Kryptosporidien)的截留精确的检测表明超滤膜对隐抱子体(大小为 4-6叩)的截留超过对数级6。 5.2.3对微粒的截留利用

18、超滤，能把最小的微粒引起的浑浊降低到规定的界限以下。无论原水的质量怎样，滤液的浑浊度通常都能降到0.1NTU以下。因此，在原水的浑浊度会突然增大的情况下，使用超滤特别合适。与传统的净化过程相比，超滤可以非常容易地实现自动化。降低污染指数污染指数(SDI)是在纳米过滤和反渗透时用到的卷式过滤装置对水的过滤能力 的一个衡量尺度。测量这个指数时，要将定量的水在稳定的进水压强下压过要测试的过滤器。污染指数是由于在过滤过程中逐渐形成覆盖层、滤液通量降低而产生的。除了水中的微粒外，还有胶体物质以及真正溶解于水中的有机物质共同形成水 的污染指数。微粒和大部分胶体能够通过超滤去除。而对真正能溶解的有机质的截留

19、则与分 子量有关。对大多数的水（包括海水），超滤之后污染指数都能降到 1以下。如果污染指数是由可溶性物质导致的，那么在极少数情况下污染指数也可能在1以上。测量方法见反渗透培训教材。对有机质的截留有机质包括微粒状、胶体和能溶于水的有机物质。由于超滤对不同类型的有机质的截留能力不同，因此净化效率就取决于水中有 机质的成份组成。在超滤前加入凝固剂可以部分地清除能溶于水的有机质。与传统的方式相比，用超滤的方法既不必考虑沉淀作用，也不必注意凝固物的 可过滤性，因为超滤的净化效率与凝固物的形状和密度无关。根据是否絮凝与原水的水质不同，对有机质的截留在40-60%之间。6膜的相关性能指数和计算公式截留比例截

20、留比例R是留在膜的进水口一边的水中杂质所占的浓度百分比。R =（1 -cFiltraL） 100%cZulaufR:截留比例（）CFiltrat：滤液浓度（如 mg/l , mol/l ）Czuiauf:原水浓度（如 mg/l, mol/l）由于超滤膜的截留比例非常高，所以病毒和细菌的截留常以“对数级”来表示。比如,99.999%的截留比例就相当于7化能力为对数级 5。滤液体积流量滤液体积流量是单位时间内过滤出的水的体积。VFiltratV Filtrat = V 滤液体积流量 （如l/s, m3/h）V：滤液体积（如l, m3）t： 时间（如s, h）面积负荷又称为：滤液通量、渗透通量滤液体

21、积流量与过滤所用的膜面积的比，就是滤液通量，也常常称为面积负荷超滤时常用前期试验确定出滤液通量，一定的水量和一定的膜面积会产生稳定 的滤液通量，这是一个非常重要的参数。用它可以计算出要净化预定的水量所需要 的膜面积。V FiltratJ Filtrat 二 FJ:滤液通量（如l/m2/h）V:滤液体积流量（如l/s, m3/h, l/h）2、F:膜面积（如m ）膜内外压差膜内外压差（AP）是膜的进水口也即浓缩液一侧与滤液一侧的压强差。在横流过滤时要特别注意膜上的压降。为简化计算过程，可假设进水与浓缩液之间存在着 线性的压降。（pZulauf p Konzentrat ）.甲二；PFiltrat

22、2? P：膜内外压差（bar, Pa ）PZulauf ：进水压强（bar, Pa ）pKonzentrat :浓缩液压强（bar, Pa ）PFiltrat ：滤液压强（bar, Pa ）渗透性渗透性又称为：比滤液通量、比渗透通量要判断膜或膜技术的性能、确定过滤定量的水所需要的膜内外压差，就要用到 渗透性这个值。用滤液通量除以所需的压差，得到的值就是渗透性。A:J:Ap：渗透性（如 l/m2/h/bar, l/m2/h/Mbar）滤液通量（如l/m2/h）膜内外压差（bar, Pa常温下的渗透性成常温（20C）下的渗透性。A20 CATK,20 C (T)由于渗透性和温度相关，所以要用于比较

23、，需要借助温度校正因数，将它转化A20C：Tk,20 C :常温（20 C）下的渗透性（如 l/m2/h/bar, l/m2/h/Mbar） 温度校正因数（-）微滤和超滤时渗透性的变化通常是由于水的粘度的变化。因为粘度变化与温度 的关系是已知的，所以可以确定出温度校正因数。_ (20 C)限，20C 二一(TpTk,20C：转化为常温（20C）下渗透性的温度校正因数（-）A :动态粘度（Pa s）t= （17.91-0.60 T+0.013 T2-0.00013 T3） 10-4（Weast, R.C.al.化学和物理手册，CRC Press,Boca Raton （USA）,1990）实际测

24、量粘度相对于温度的变化时得到的数值与用粘度变化计算出来的数值 大多会有一点差异。这个差异是由于膜结构也同时随温度发生变化。对于滴泽膜组件来说，可以使用下面的近似公式。Tk,20C = e0.019（ T 20 ） （T 为摄氏温度）温度因数在下图中用图示表示了出来。温度校正函数出水率出水率是过滤出的滤液与原水的体积比。在计算滤液和原水的体积时必须考虑 反向冲洗和快速冲洗时所消耗的水。VFiltratVzulauf100%VF tF - VR tR=F F R R 100%VF tF VFF tFF如果膜净化装置不用正向冲洗，则公式可简化为：VR tR=1-R 100 %VF tF弧 出水率（%

25、VF :滤液体积流量（如m3/h）VR :反向冲洗用水体积流量（如 m3/h）3VFF :正向冲洗用水体积流量（如 m /h）tF：过滤时间（如h）tR:反向冲洗时间（如h）tFF：正向冲洗时间（如h）被截留的固体 经反洗冲出排掉被截留的固体 经反洗冲出持掉7超滤系统的清洗超滤系统反洗在淡化过程中使 用的膜，由于其结构 （平板膜等）的限制， 通常不能反向冲洗。因 为反洗会造成膜脱层 或膜分解。因此，在这 样的系统中，要不断地 将浓缩液抽走。而中空纤维膜则 能反洗，在此程序中加 压的透过液从产水出 口进入膜元件，从原水 进口出水，水流方向与 生产时正好相反。中空 纤维膜上下两端各有一个原水出口，

26、反洗时可上下原水出口交错排液。超滤反洗用水为超滤产水，因为反洗水带进的悬浮物将会集聚在支撑结构内而 随后不断释放出颗粒、细菌和TOC等，所以原水不适宜做反洗用水。超滤系统化学循环清洗/快冲当关闭透过液阀门时，循环操作是一个机械的清洗过程，其类似于部分反冲洗 过程在膜件进水端透过液依旧经纤维排出，这是由于纤维内侧较高压力所至。当进水流经整个纤维长度会损失部分压力。现在平均透过液的压力较高，此透 过液会从纤维外侧反向压入纤维内侧，以帮助去除累积的固形物。循环过程是整个 清洗过程的一部分。8超滤系统故障排除故障现象故障原因解决办法高透膜压力超滤单元受污染，准备清洗。进行适当清洗，其后单元转回至 产水

27、模式。反向逆流情况为应对反向逆流时的问题，修改 反洗加药方案，降低系统回收 率，减小反洗间隔。如问题继续， 请联系Koch公司。低气压空压机故障检查空压机，修正问题。阀门关闭沿空气管路检查，开启关闭阀 门。进口压力高超滤进水泵控制故障检查PID控制，如需要进行调整压力指示仪表故障对不止常寸斤 仪表监控数据并 做检查进口压力低超滤进水泵故障检查超滤进水泵阀门故障检查进口阀门操作高透过液压力反冲洗控制故障检查PID控制，按需要进行调整超滤单元受污染，准备清洗进行适当清洗，其后单元转回至 产水模式。反向逆流情况为应对反向逆流时的问题，修改 反冲洗加药方案，降低回收率， 减少反洗间隔。如问题继续，请

28、联系Koch公司。局或低pH报警pH仪表故障校准仪表，在已知标准条件下测 试化学清洗后超滤单元未充分漂洗进行更多漂洗高水温软化的CIP清洗水在升温检查CIP供水温度温度传感器故障最可能故障：如果仪表指示满量 程，更换传感器。CIP加热器未关闭检验运行情况，控制好CIP加热 器电机故障电机未给电检查MCC状态，如果关闭，开启 电机。VFD变频故障检查VFD显示，修正问题，清除 故障。电机过我检查安培过载设定。测量泵的安 培数。如果超过限定，请联系制 造商。完整性测试失败膜泄漏进行完整性测试；监测膜件上端 水帽中的气泡。修补泄漏膜丝， 重新进行完整性测试。阀门未开启/关 闭阀门未开启/关闭检查压缩空气压力是否为 85PSI(5.9KGF/CM2)。强制 阀门自线圈控制到检验运行状 态。拆掉阀门上激励执行器进行 测试。用扳手扳住阀杆检查阀门 操作。开关转换限定故障检查红色开关限定指示灯，如都 尢动作，更换电控箱内保险。检 查电控箱内24V电源。清洗箱液包图进口阀门故障修理好故障阀门液位指示器故障监测液位指示器操作产品水浊度局有空气进入浊度仪自管路内排出空气。分析空气是 如何进入仪表中，消除气源。膜泄漏进行完整性测试。如发现泄漏进 行修补。超滤培训教材KOCHT业水应用膜管（3”，5”）标准压力膜管（70psig）膜型号尺寸纤维内径膜面积