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文檔簡介

1.簡介膜過濾有兩種可行的操作模式:內(nèi)壓式過濾和外壓式過濾,都可用于死端過濾和錯流過濾。膜可以在壓力系統(tǒng)內(nèi)或部分真空系統(tǒng)內(nèi)工作,可置于外殼中(封閉式)或反應(yīng)槽中(浸沒式)。?以上總結(jié)僅限于中空纖維超濾/微濾系統(tǒng),其它系統(tǒng)(螺旋卷式或板框式)不適用。?以上總結(jié)僅為可能之結(jié)合方式的簡要概括?有兩種結(jié)合方式目前尚未上市(無供應(yīng)商)?從理論上講,所有系統(tǒng)均可在正壓力或部分真空下運行。凈驅(qū)動壓力通常是透膜壓力(TMP),即料液側(cè)與滲透液側(cè)的壓力差。只要避免氣蝕,絕對系統(tǒng)壓力與系統(tǒng)操作無關(guān)。2.理論優(yōu)勢預(yù)過濾膜過濾系統(tǒng)通常的工藝手段是將那些可能堵塞處理系統(tǒng)的固體顆粒濾掉,這一作法也基本適用于所有處理系統(tǒng)。預(yù)過濾器的篩孔尺寸決定著處理系統(tǒng)的水力直徑。按經(jīng)驗估計,預(yù)過濾器的篩孔尺寸應(yīng)小于最小水力直徑的20-25%。內(nèi)壓式過濾系統(tǒng)的最小水力直徑被定義為膜纖維的內(nèi)部直徑。該直徑是恒定不變的,例如:多種內(nèi)壓式超濾膜系統(tǒng)為0.7-0.9毫米。這就要求預(yù)過濾器的篩孔尺寸為100-300微米。外壓式過濾系統(tǒng)的水力直徑未被定義,該值(近似)從零(兩根纖維接觸)到幾厘米(纖維束間的距離)不固定。大多數(shù)外壓式過濾系統(tǒng)的供應(yīng)商都推薦以最大水力直徑(通常為500至1000微米),而不是最小水力直徑作為預(yù)過濾篩孔尺寸的基礎(chǔ)。水力直徑太小會發(fā)生局部堵塞,特別是那些接近膜封裝的部位,顆粒狀物質(zhì)將堵塞膜孔,會導(dǎo)致膜的有效面積減少。傳質(zhì)中空纖維過濾處理系統(tǒng)與管殼(列管)式換熱器在原理上非常相似。兩者都可以用一組方程式,來描述傳質(zhì)(過濾處理系統(tǒng))或者熱傳遞(換熱器)。這組方程式描述傳送率通??梢哉J為:?傳送率隨流動速率的增加而增加。?傳送率隨水力直徑的增加而增加。?膜系統(tǒng)中,最大的流速發(fā)生在纖維內(nèi)部。纖維外殼側(cè)的流速較低,甚至局部會發(fā)生(接近)零流動。?管側(cè)的水力直徑與膜纖維的內(nèi)徑相等。但膜殼側(cè)的水力直徑變化范圍很大,(近似)從零(兩根纖維接觸)到幾厘米(纖維束間的距離)不等。水力直徑的大范圍變化體現(xiàn)在傳質(zhì)上亦為大范圍變化。傳質(zhì)的不同轉(zhuǎn)化為污染現(xiàn)象:高傳質(zhì)的區(qū)域比低傳質(zhì)的區(qū)域更迅速地被傳染,也就需要更頻繁地進行反沖洗。從以上的分析我們可以得出如下結(jié)論:在膜過濾過程和反沖洗過程中,內(nèi)壓式過濾都可以達到最優(yōu)傳質(zhì)。管殼(列管)式換熱器一直以來沿用如下設(shè)計:污濁液從管的內(nèi)側(cè)流過,過濾液流過交換器的外殼側(cè)。這一設(shè)計是基于經(jīng)驗共識并有理論支持的。2.3滯留體積纖維內(nèi)的含液量通常低于纖維外的含液量。如果含液量較少,固體水平就會在過濾循環(huán)中迅速提升。這意味著實際操作中過濾周期變短。含液量少的優(yōu)點是在反沖洗過程里污染物去除得迅速。對于內(nèi)壓式過濾系統(tǒng),如果處理條件恒定,過濾周期和反沖洗周期都較短。反沖洗周期較短的優(yōu)點在于打斷過濾流更少。如果需要產(chǎn)量保持恒定,所有過濾流的中斷都要在滲透液緩沖槽內(nèi)進行緩沖。(例如:每小時反沖洗三次每次30秒的做法優(yōu)于每小時反沖洗一次90秒,這樣做下游的緩沖區(qū)槽的容積只需要設(shè)計可容30秒流量中斷的尺寸即可,而不是90秒,即緩沖區(qū)槽的容積僅為90秒的三分之一。)2.4濃度系數(shù)當膜過濾系統(tǒng)用于截留病原體時,必須要考慮系統(tǒng)內(nèi)濃度系數(shù)的問題。當過濾系統(tǒng)運行時,諸如病原體類的污染物將在膜的進料液側(cè)累計。當膜的完整性遭到破壞后,膜的性能就會受到嚴重影響。發(fā)生這種情況的程度取決于系統(tǒng)的構(gòu)成,即內(nèi)壓式或外壓式。2.4.1外壓式浸沒式膜系統(tǒng)的標準模型為一繼續(xù)不斷攪動的反應(yīng)槽,或稱CSTR。在該系統(tǒng)中,料槽中不斷地抽出清潔的濾出液,再補充以料液,料槽內(nèi)污染物的濃度將不斷增加,直至達到即將進行反沖洗的程度,這樣一來,在進料槽內(nèi)污染物的濃度遠高于料液本身污染物的濃度。其結(jié)果是濃度系數(shù)(CF)必然高于1。一旦膜的完整性遭到的破壞,受損處就暴露于槽內(nèi)高污染物濃度的體系中。這樣污染物(即:病原體)就可以從有缺陷處穿過,帶來高風(fēng)險,進行對系統(tǒng)的對數(shù)去污率(LRV)產(chǎn)生重大影響??偟膩碚f,CF越高(過濾器運行時間越長,進料槽越小,濾過速度越高),污染泄露的風(fēng)險就越大。2.4.2內(nèi)壓式對于“內(nèi)壓式”系統(tǒng),污染物堆積和容納于纖維腔內(nèi)部。與纖維內(nèi)部的情況不同,膜組件本身的進液端濃度不會增加。對于內(nèi)壓式系統(tǒng),如果出現(xiàn)個別纖維的完整性受損,這根纖維內(nèi)的濃縮液會從缺口處進入滲透液一側(cè)。然而,需要指出的是,這種情況僅僅可能發(fā)生于單個受損纖維,但其它完好的纖維不會受到任何影響。實際上,完整纖維內(nèi)的被截留的污染物是不可能流到受損纖維內(nèi)的。所以,污染物有可能進入滲透液側(cè)的量可以疏忽不計(僅為單根受損纖維容量:0.75毫升)。即使發(fā)生纖維缺陷,從缺陷處通過的是料液,污染物的濃度是料液中的濃度,而不是更高。與外壓式相比,內(nèi)壓式發(fā)生纖維受損對去污率的影響要小得多,這是內(nèi)壓式的優(yōu)點。3.實踐優(yōu)勢3.1滲透性更高由于傳質(zhì)率較低,外壓式過濾系統(tǒng)膜的滲透性下降比內(nèi)壓式過濾系統(tǒng)更快。滲透性低帶來的缺點如下:?滲透性下降意味著如果要保持產(chǎn)量不變,就必須增加膜面積,或者使用更大功率的進料泵。不論增加膜面積還是使用更大功率的進料泵都需要更多的投資和更高的運行費用。?清潔的膜與被污染的膜在滲透性上有非常明顯的差別,這就解釋了為什么在膜污染后產(chǎn)量會大幅度下跌,運行費用會陡然上漲。浸沒式系統(tǒng)在局部真空的條件下運行,其透膜壓力與內(nèi)壓式系統(tǒng)的透膜壓力相似。但浸沒式的膜的通量與內(nèi)壓式系統(tǒng)相比卻低得多,并且所需安裝的膜面積要比內(nèi)壓式系統(tǒng)多50%。浸沒式的最大透膜壓力受泵出液氣蝕壓力的限制,這導(dǎo)致浸沒式的壓力范圍受限。壓力驅(qū)動外壓式過濾系統(tǒng)必須在較高的透膜壓力下操作,這樣才能在低傳質(zhì)率的基礎(chǔ)上維持合理的膜通量(透膜壓力高達3bar,而內(nèi)壓式的透膜壓力還不到lbar)。所以,它所需安裝的進料泵的功率要3倍于內(nèi)壓式膜。內(nèi)壓式超濾系統(tǒng)滲透性高的優(yōu)點是:在產(chǎn)量一定的情況下,膜面積較小并且/或者進料泵功率較低。這不僅降低投資,也降低運行費用(能耗和換膜費用)。無需進行氣沖洗內(nèi)壓式過濾系統(tǒng)依靠單級離心泵進行膜系統(tǒng)的反洗,通常去污率超過85%。一般反洗泵操作時間還不到總操作時間的l0%。所有外壓式過濾系統(tǒng)都需采用某種形式的氣沖洗,這樣才能保持膜的滲透性。進行氣沖洗是為了破壞濾餅層,增加膜的傳質(zhì)率。氣沖所用鼓風(fēng)機的效率通常在70%左右。氣沖過程要么連續(xù)不斷地進行,要么采取開-斷循環(huán)模式進行,操作時間占總操作時間的10%到50%。氣沖不能代替反沖洗泵。外壓式過濾系統(tǒng)中既要用氣沖鼓風(fēng)機,也要用反沖洗泵。內(nèi)壓式過濾系統(tǒng)不需要安裝氣沖鼓風(fēng)機,可減少資金投入,降低運作成本(低能耗,低折舊)無需局部反沖洗由于傳質(zhì)率低、預(yù)過濾不充分,外壓式過濾系統(tǒng)存在反洗不充分的風(fēng)險。反應(yīng)槽中取出的進行過反沖洗后的過濾系統(tǒng)內(nèi)部。我們把這種微粒阻塞于浸沒式膜集束頂端的現(xiàn)象稱之為“roping粘黏”roping粘黏造成膜通量在膜表面的分布不均勻,膜相對清潔的部分必須將通量增大至一定程度才能維持原有的產(chǎn)量,這會加速膜被污染的速度。盡管roping粘黏在短期內(nèi)對膜性能的影響有限,但在系統(tǒng)運行的過程中,這種碎屑的積累經(jīng)常會破壞膜纖維。外壓式過濾系統(tǒng)的供應(yīng)商嘗試過多種操作方式,以期對付上述現(xiàn)象:?將料液槽排空?反沖洗進程中增加氣沖洗?反沖洗中加入化學(xué)藥品(如氯)去除污垢很顯然以上方法并不是總能奏效,這時就需要中斷系統(tǒng)運轉(zhuǎn),進行額外的(人工)清潔。內(nèi)壓式超濾膜的優(yōu)點是:由于采用內(nèi)壓式操作,保證反沖洗能有效清潔膜的全部表面。4.市場誤導(dǎo)內(nèi)壓式與外壓式過濾系統(tǒng)應(yīng)嚴格加以區(qū)別。外壓式過濾系統(tǒng)可以采用浸沒式或密封式,在局部真空或高壓環(huán)境下操作。本文件僅描述內(nèi)壓式與外壓式過濾系統(tǒng)的不同。有些膜供應(yīng)商企圖混淆它們真正的區(qū)別,將浸沒式膜與壓力驅(qū)動膜、或是浸沒式膜與內(nèi)壓式膜進行對比。這些過程不能進行比較,因為它們不是對立的過程,不具可比性。通常存在以下市場誤導(dǎo)4.1預(yù)過濾器誤導(dǎo)1:內(nèi)壓式需要更好的預(yù)過濾器預(yù)過濾器的篩孔尺寸水力直徑的函數(shù)。外壓式過濾系統(tǒng)的供應(yīng)商考慮到局部堵塞造成水力直徑較?。ㄔ诠薅说哪だw維間),通常選擇相對較大的篩孔尺寸。內(nèi)壓式膜推薦使用最小水力直徑的20-20%為篩孔尺寸,可以保證不發(fā)生膜堵塞。適當?shù)念A(yù)過濾處理有如下優(yōu)點:?出水最高,全部膜面積均參與過濾。?沒有可供微生物滋生的死角,能更有效去除微生物。?化學(xué)清洗中,化學(xué)藥品用量更少。標準的XIGA化學(xué)加強反洗過程要求普通的反洗優(yōu)先于化學(xué)清洗。普通的反洗就可以去除所有的顆粒物質(zhì)?;瘜W(xué)加強反洗中的化學(xué)藥品僅用于溶解被吸收的污垢。如果預(yù)過濾不合理,顆粒物質(zhì)也和被吸收的污垢一樣,會消耗化學(xué)清洗藥品。轉(zhuǎn)化/回收誤導(dǎo)2:外壓式過濾系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率高于內(nèi)壓式。標準的內(nèi)壓式超濾膜設(shè)計在計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率時考慮到以下因素:?反沖洗損失?清潔損失?由于泵rampup/rampdown啟動和停轉(zhuǎn)帶來的損失?完整性測試中的耗水量通常來說,外壓式過濾系統(tǒng)在計算轉(zhuǎn)化率時只考慮到反沖洗損失,其它的損失都假定可以忽略不計,但實際上有時候其它的損失量也相當可觀。浸沒式外壓式過濾系統(tǒng)是通過如下方法達到高轉(zhuǎn)化率的:在過濾槽內(nèi)放置多個膜盒,并安裝一個活塞流/推流系統(tǒng),進料液從槽的一端流向另一端,在流動過程中不斷濃縮。槽末端的膜盒所處理的料液濃度就遠遠高于料液原來的濃度。從圖中也可以看到,系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率是線上超濾單元數(shù)量的函數(shù)。如果減少線上超濾單元的數(shù)量,減少推流的長度,那么轉(zhuǎn)化率就會隨之降低。內(nèi)壓式過濾系統(tǒng)(獨階段)采用間歇式操作,全部進料都流入系統(tǒng)進行處理,然后進行反沖洗。內(nèi)壓式超濾膜系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率與線上超濾單元的數(shù)量無關(guān)。如果要求較高的轉(zhuǎn)化率,內(nèi)壓式系統(tǒng)可以增加二段過濾。二段過濾將一段過濾的濃縮液再度進行濃縮。通過此方法達到的高轉(zhuǎn)化率,與外壓式過濾系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率基本持平甚至可以超過外壓式。第一階段超濾系統(tǒng)在濃度系數(shù)較低的條件下完成最佳處理(高膜通量),第二階段超濾系統(tǒng)在濃度系數(shù)較高的條件下最大限度地達到高轉(zhuǎn)化率(長過濾周期)。與槽推流系統(tǒng)相比,它的優(yōu)點是:兩個階段互不影響,可以分別做到最優(yōu)處理。槽推流系統(tǒng)只能要么追求高效,要么追求高轉(zhuǎn)化率,但兩者不能兼顧。所以,內(nèi)壓式過濾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更緊湊,所需安裝膜面積更小,總投資更低。固體懸浮物誤導(dǎo)3:內(nèi)壓式系統(tǒng)不能承受高固體懸浮量的超濾進料。進料中的固體懸浮物在過濾周期內(nèi)被濃縮,在反沖洗周期內(nèi)被去除。通過反沖洗去除固體懸浮物,固體懸浮物在反洗過程中被流化。反沖洗后,高固體懸浮率立即下降。盡管在過濾周期膜的表面形成濾餅層,在反沖洗周期里固體被流化,可以進行有效的反洗。與外壓式系統(tǒng)相比,由于滯留體積小、膜過濾通量高,內(nèi)壓式系統(tǒng)更迅速地達到固體懸浮率的最大值,需要更早地進行反沖洗。然而,也正是因為滯留體積小,反沖洗過程需要去除的濃縮液也較少。如果需要延長過濾周期,可以采用大纖維直徑的膜系統(tǒng)。與小纖維直徑的系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)滯留體積較大,可以進行長過濾周期的操作,由于水力直徑較大可使反沖洗效果得到提高。二、封閉式與浸沒式簡介膜過濾有兩種可行的操作模式:內(nèi)壓式過濾和外壓式過濾,都可用于死端過濾和錯流過濾。膜可以在壓力系統(tǒng)內(nèi)或部分真空系統(tǒng)內(nèi)工作,可置于外殼中(封閉式)或反應(yīng)槽中(浸沒式)。下表簡要給出了可能的結(jié)合方式,并附供應(yīng)商舉例:4.市場誤導(dǎo)封閉式與浸沒式過濾系統(tǒng)應(yīng)明嚴格加以區(qū)別。封閉式系統(tǒng)可以在局部真空或高壓力環(huán)境下操作。本文件僅描述封閉式與浸沒式過濾系統(tǒng)的不同。有些膜供應(yīng)商試圖搞混真正的區(qū)別,便將浸沒式膜與壓力驅(qū)動膜、或是浸沒式膜與內(nèi)壓式膜進行對比。這些過程不能進行比較,因為它們不是對立的過程,不具可比性。通常存在以下誤導(dǎo)。4.1投資誤導(dǎo)1:浸沒式比較便宜。不錯,當對比浸沒式系統(tǒng)的膜架和封閉式超濾系統(tǒng)時,浸沒式超濾系統(tǒng)通常

價格較低。然而,真正的對比應(yīng)該是將全部費用計算在內(nèi)??偝杀景ㄒ韵聝?nèi)容:?膜架?機械設(shè)備,例如:壓力泵,鼓風(fēng)機,壓縮機,真空泵等等。?箱/槽,例如:膜槽,反洗槽,化學(xué)藥品槽,CIP(原位清洗)槽等等。?輔助設(shè)備,例如高架起重機。?土建將以上因素通盤加以考慮就會發(fā)現(xiàn):封閉系統(tǒng)在膜架部分的初期投入較高,但其它項目上均可節(jié)省大筆資金。而這些項目在計算成本時往往會被忽略,特別是輔助設(shè)備,如膜槽的涂層、高架起重機、鼓風(fēng)機、真空泵等。在對比超濾膜系統(tǒng)的成本時應(yīng)該對比的是總成本。膜架的成本只是總成本的一個組成部分。浸沒式系統(tǒng)的土建和附加設(shè)備的成本顯著高于與封閉式超濾膜系統(tǒng)。4.2能耗誤導(dǎo)2:封閉式系統(tǒng)能耗較高封閉式系統(tǒng)和浸沒式系統(tǒng)的透膜壓力或多或少基本處在同一水平(封閉式系統(tǒng)的滲透性高,在相同透膜壓力下,只需較少的膜面積就能達到相同的產(chǎn)量)。我們應(yīng)該注意到以下內(nèi)容:?浸沒式系統(tǒng)需要鼓風(fēng)機對膜進行氣沖洗。這些鼓風(fēng)機的能耗成為總能耗的一個重要組成部分。?浸沒式系統(tǒng)的輔助設(shè)備更多,例如起重機,排空膜槽的泵等,它們的能耗都要歸入總能耗。與市場誤導(dǎo)正相反,浸沒式膜系統(tǒng)的總能耗要高于封閉式超濾膜系統(tǒng)。4.3改型誤導(dǎo)3:浸沒式系統(tǒng)可以對原有容器進行改型。有市場誤導(dǎo)說如果客戶已經(jīng)有一個容器(比如一個砂濾器),那么簡單地將容器清空、裝入膜組件就可以安裝成一個浸沒式膜系統(tǒng)。可是這種說法沒有考慮到以下問題:?所有浸沒式超濾膜都依賴于特定尺寸的專利膜架。膜槽必須精確符合膜架的要求。一個現(xiàn)存的容器不太可能完全滿足

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