膜分離操作與控制概要.ppt

項目五膜分離及設備操作 邢臺職業(yè)技術學院 職業(yè)教育環(huán)境監(jiān)測與治理技術專業(yè)教學資源庫 化工單元操作 課程 學習任務 任務一 典型的膜分離過程 任務二 膜分離設備 膜組件 任務三 膜分離操作與控制 學習目標 膜分離設備操作 任務描述 膜是具有選擇性分離功能的材料 利用膜的選擇性分離實現(xiàn)料液的不同組分的分離 純化 濃縮的過程稱作膜分離 膜分離是一門分離新技術 膜分離技術有高效 節(jié)能 環(huán)保 分子級過濾及過濾過程簡單 易于控制等特征 因此 已廣泛應用于食品 醫(yī)藥 生物 環(huán)保 化工 冶金 能源 石油 水處理 電子 仿生等領域 產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益 已成為當今分離科學中最重要的手段之一 本項目要求學生能運用所學知識 對膜分離操作的原理 設備結構有一個正確的認知 同時能夠熟練操作運行控制膜分離設備 并對設備進行簡單的維護 膜分離設備操作 任務三 膜分離設備的操作與控制 一 膜的使用 二 膜的劣化 三 膜污染 四 膜的清洗 五 影響膜過濾的各種因素 一 膜的使用 一 膜性能評價1 透過速率 通量 物化穩(wěn)定性 壽命 分離透過特性 2 分離效率 截留率膜對溶質的截留能力以截留率R rejection 來表示 其定義為R 1 Cp Cb式中Cp和Cb分別表示在某一瞬間 透過液 Permeate 和截留液的濃度 如R 1 則Cp 0 表示溶質全部被截留 如R 0 則Cp Cb 表示溶質能自由透過膜 3 截留分子量 截斷分子量 molecularweightcut off MWCO 相當于一定截留率 通常為90 或95 的分子量 由截斷分子量按可估計孔道大小 截斷曲線 截留率與分子量之間的關系稱為截斷曲線 質量好的膜應有陡直的截斷曲線 可使不同分子量的溶質分離完全 反之 斜坦的截斷曲線會導致分離不完全 分子形狀 線狀分子易透過 線 球 吸附作用 溶質吸附于膜孔壁上 降低膜孔有效直徑濃差極化作用 高分子溶質在膜面沉積 使膜阻力 較小分子溶質的截留率 分離性能 溫度 濃度 T C 使 因為膜吸附作用 錯流速度 因為濃差極化作用 pH 離子強度影響蛋白質分子構型 影響 影響截留率的因素 分離因子 分離因子越大 膜的選擇性越高 4 濃差極化 膜分離過程中的一種普遍現(xiàn)象 會降低透水率 是一個可逆過程 濃差極化是指在過濾過程中 由于水透過膜而使膜表面的溶質濃度增加 在濃度梯度作用下 溶質與水以相反方向向本體溶液擴散 在達到平衡狀態(tài)時 膜表面形成一溶質濃度分布邊界層 它對水的透過起著阻礙作用 二 膜的劣化 指膜自身發(fā)生了不可逆轉的變化等內部因素導致膜性能的變化 化學劣化生物劣化物理劣化 滲透通量增大 截留率降低 滲透通量降低 截留率增大 三 膜污染 膜使用中最大的問題是膜污染 膜污染是指處理物料中的微粒 膠體或溶質大分子與膜存在物理化學作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附 沉積造成膜孔徑變小或堵塞 使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象 膜污染的表現(xiàn)一是膜通量下降 二是通過膜的壓力和膜兩側的壓差逐漸增大 三是膜對生物分子的截留性能改變 膜污染與濃差極化在概念上不同 濃差極化加重了污染 但濃差極化是可逆的 即變更操作條件可使之消除 而污染是不可逆的 必須通過清洗的辦法 才能消除 膜的污染大體可分為沉淀污染 吸附污染 生物污染1沉淀污染沉淀污染對RO和NF的影響尤為顯著 當過濾液中鹽的濃度超過了其溶解度 就會在膜上形成沉淀或結垢 普遍受人們關注的污染物是鈣 鎂 鐵和其它金屬的沉淀物 如氫氧化物 碳酸鹽和硫酸鹽等 2吸附污染有機物在膜表面的吸附 通常是影響膜性能的主要因素 隨時間的延長 污染物在膜孔內的吸附或累積會導致孔徑減少和膜阻增大 這是難以恢復的 與膜污染相關的有機物特征包括它們對膜的親和性 分子量 功能團和構型 一般來講膜的親水性越強有機物越不宜吸附 而疏水作用可增加其在膜上的積累 導致嚴重的吸附污染 膜的污染 fouling 是指微生物在膜內積累 從而影響系統(tǒng)性能的現(xiàn)象 膜組件內部潮濕陰暗 是一個微生物生長的理想環(huán)境 微生物粘附和生長形成生物膜 老化生物膜主要分解成蛋白質 核酸 多糖酯等 強烈吸附在膜面上引起膜表面改性 微生物可直接 通過酶作用 或間接 通過局部pH或還原電勢作用 降解膜材料 造成膜壽命縮短 膜結構完整性被破壞 細菌對不同聚合物粘附速率大不相同 如聚酰胺膜比醋酸纖維素膜更易受細菌污染 所以 生物親和性降低和易清洗的聚合物為材質的分離膜 會阻礙生物膜的生長 3生物污染 防止膜污染的方法 可以通過控制膜污染影響因素 減少膜污染的危害 延長膜的有效操作時間 減少清洗頻率 提高生產(chǎn)能力和效率 因此在用微濾 超濾分離 濃縮細胞 菌體或大分子產(chǎn)物時 必須注意以下幾點 進料液的預處理 預過濾 pH及金屬離子控制 選擇合適的膜材料 減輕膜的吸附 改善操作條件 加大流速 四 膜的清洗 膜元件的清洗包括水力沖洗與化學清洗兩大分支 每一分支又可分為正洗與反洗兩種工藝 超濾膜清洗過程中還可采用加壓氣洗 全量運行方式下超濾系統(tǒng)的頻繁正反沖洗是不可或缺的 而復合反滲透膜系統(tǒng)則不允許反沖洗 水力沖洗 是停止系統(tǒng)的產(chǎn)水過程 以較低壓力與較大流量對膜表面 正洗 及膜孔 反洗 形成高速徑流 以消除濃差極化 破壞尚未牢固的各類垢層 膜的三大類污染及濃差極化現(xiàn)象均存在一個累積過程 膜系統(tǒng)在正常運行過程中 定時執(zhí)行水力沖洗工藝 對于減弱與緩解膜污染起著重要的作用 對預處理工藝相對薄弱的中小型系統(tǒng) 水力沖洗的效果尤為明顯 沖洗工藝中 正沖的工藝簡單 沖洗效果較差 反沖的工藝復雜 沖洗效果較好 正沖洗時流量是主要參數(shù) 而反沖洗時壓力是主要參數(shù) 水力正沖用水即是系統(tǒng)給水水源 而反沖用水只能是系統(tǒng)產(chǎn)水 錯流方式下的沖洗水可以回用 而全量方式下的沖洗水一般排放 沖洗的時間與沖洗效果直接影響著系統(tǒng)的工作效率 而決定沖洗頻率的主要是系統(tǒng)給水水質 系統(tǒng)運行方式及系統(tǒng)運行參數(shù)等因素 膜的化學清洗 當水力沖洗工藝不足以恢復膜系統(tǒng)性能時 采用化學藥劑的清洗工藝則成為必要手段 一般而言 清除有機物用堿 清除無機物用酸 而清除微生物用氧化劑 多采取各種藥液輪流清洗的方式 化學清洗的徑流形式與水力沖洗基本一致 但清洗液流量的作用趨弱 而藥劑成分 藥液濃度 洗液溫度 清洗時間 浸泡時間甚至表面活性劑濃度等因素上升為主導地位 當膜污染嚴重時 酸 堿及氧化劑的輪流反復清洗也成為有效手段 化學清洗與水力沖洗的根本區(qū)別 一是化學藥劑的使用 二是清洗對象的明確 在對陌生系統(tǒng)清洗前 一般需要進行給水水質檢驗 有時需要打開膜容器檢查元件表面殘留的污染物 必要時甚至解剖部分膜元件以化驗膜表層污染物成分 有效的化學清洗問題建立在了解污染物化學成分基礎之上 化學清洗也分為在線清洗與離線清洗兩種方式 在線清洗的周期短 工藝簡單 但往往因設備環(huán)境的限制 清洗效果欠佳 將膜元件從膜容器或系統(tǒng)結構中拆出 使用專用清洗設備離線清洗時 清洗周期長 工藝復雜 但?？扇〉幂^好的清洗效果 五 影響膜過濾的各種因素 壓力 濃度 溫度 流速 其它因素 壓力 在錯流操作中 兩種壓力差 一種為通道兩端壓力差P P1 P2另一種為膜兩側平均壓力差P0 在OR中 當壓力差增大時 通量和截留率都增加 在MF和NF中 通量和壓力的關系分為三個區(qū)域 沒有形成濃差極化層 Jv和 p成正比 形成濃差極化層 Jv和 p增加的速度減慢 c 形成凝膠層 Jv不隨 p變化 當以微濾過濾菌體時 通量與濃度的關系不同于超濾 在谷氨酸發(fā)酵液的微濾中 開始通量下降很快 可能是由于膜面的污染 然后通量變化較小 可能由于管狀收縮效應引起通量的增加和濃度增大引起的降低互相對消 最后通量急劇降低 在谷氨酸發(fā)酵液中的微濾中 黏度 濃度 菌體濃度 通量 雖然增大流速有明顯的優(yōu)點 但需考慮 只有當通量為濃差極化控制時 增大流速才會使通量增加 增大流速會使膜兩側壓力差減小 因為流經(jīng)通道的壓力降增大增大流速 使剪切力增加 對某些蛋白質不利 動力消耗增加 流速 溫度 在超濾或微濾中 一般說來 溫度升高都會導致通量增大 因為溫度升高使粘度降低和擴散系數(shù)增大 所以操作溫度的選擇原則是 在不影響料液和膜的穩(wěn)定性范圍內 盡量選擇較高的溫度 由于水的粘度每升高1 約降低2 5 所以 一般可認為 每升高1 通量約增加3 其它因素 在反滲透中特別要注意不要使溶解度小的溶質析出和不要含膠體粒子 以免膜堵塞 在超濾中 通常當pH在蛋白質的等電點時 通量最低 當有鹽類存在時 一般使通量降低 當料液中含 0 1 m的微細粒子時 會使通量降低 最好用預過濾除去 如果含 1 m的堅硬粒子 通常會使通量增大 pH有時也會對截留率有影響 例如在極端pH下超濾蛋白質時 常使截留率增大 這是由于吸附在膜上蛋白質和溶液中蛋白質帶相同電荷而互相排斥的緣故 中空纖維超濾膜安裝使用 中空纖維超濾膜分離技術是一種廣泛應用于溶液和氣體物質分離 濃縮和提純的分離技術 它利用具有選擇透過能力的薄膜做分離介質 膜壁密布微孔 原液在一定壓力下通過膜的一側 溶劑及小分子溶質透過膜壁為濾出液 而較大分子的溶質被膜截留 從而達到物質分離及濃縮的目的 中空纖維膜是分離膜的一種重要形式 在單位體積膜組件中 中空纖維膜的有效膜面積最大 過濾分離效率高 容易清洗 結構簡單 操作方便 膜不易被堵塞 可連續(xù)長期使用 過濾過程可在常溫 低壓下運行 無相態(tài)變化 高效節(jié)能 膜組件的安裝 1裝置運到現(xiàn)場后 應置于室內通風干燥處 不得陽光直射 冬季應有保溫裝置 保證室溫 5 夏季室溫不得高于40 裝置安裝地點也應符合上述要求 2到達后 應在一個月內安裝完畢 并應立即試運轉 3裝置在試運轉前處于封存狀態(tài) 不得任意拆卸管件和開啟閥門 以免流失保護液 致使膜組件損壞 4裝置安裝點附近應有排水溝 便于清洗液排放 5裝置就位后 應調整裝置支撐點 使組件基本處于平行位置 且與基礎接觸可靠 超濾裝置調試 1 對裝置的進水進行分析 測試 結果表明符合進水要求 方可進行裝置通水調試 2 檢查裝置所有管道之間連接是否完善 有否短缺 壓力表是否齊全 管道連接是否緊密 有否短缺 3 開機前低壓沖洗 檢查超濾進水電動閥 產(chǎn)水電動閥 濃水排放電動閥是否處于全開狀態(tài) 反洗電動閥有否處于全閉狀態(tài) 全開裝置產(chǎn)水放盡閥 濃水放盡閥 排盡裝置中的保護液 緩緩開啟進水閥 低壓沖洗一段時間 處于自動狀態(tài)時 低壓排放10秒后增壓泵啟動運行 啟動增壓泵供水 沖洗整個系統(tǒng)5 10分鐘 待出水無甲醛 或其他保護液 氣味 低壓沖洗結束 每次超濾系統(tǒng)開機前 必須進行低壓沖洗 4超濾裝置的調試均是手動單步操作 運行正常后 方可切換到自動狀態(tài) 由在線儀表及PLC自動控制運行 開機運行 1 關閉濃水放盡閥 調節(jié)兩個超濾濃水閥 控制濃水排放量和濃水循環(huán)量 2 當排放的產(chǎn)水水質合格后 關閉產(chǎn)水放盡閥 調節(jié)超濾產(chǎn)水閥 控制產(chǎn)水流量 整個系統(tǒng)回收率控制在80 90 左右 超濾系統(tǒng)進入正常運轉 3 系統(tǒng)設置超濾自動反