Kolik toho víte o ultrafiltraci v systémech čisté vody? (I)

1.1. Úvod do klasifikace procesů separace membrány

Na základě přesnosti separace lze technologii separace membrány obecně rozdělit do čtyř kategorií: mikrofiltrace (MF), ultrafiltrace (UF), nanofiltrace (NF) a reverzní osmóza (RO). Jejich přesnost filtrace se zvyšuje ve výše uvedeném pořadí.

Mikrofiltrace může zachytit částice mezi {{{0}}. 1 a 1 mikron. Mikrofiltrační membrány umožňují procházet makromolekuly a rozpustné pevné látky (anorganické soli), ale zachytí suspendované hmoty, bakterie a koloidy s velkou molekulovou hmotností. Provozní tlak mikrofiltračních membrán je obecně 0. 7-7 bar.

Ultrafiltrace může zachytit makromolekuly a proteiny mezi {{0}}. 002 a 0,1 mikronů. Ultrafiltrační membrány umožňují procházet malé molekuly a rozpustné pevné látky (anorganické soli), zatímco zachycují koloidy, proteiny, mikroorganismy a makromolekulární organickou hmotu. Rozsah mezní molekulové hmotnosti používaný k označení velikosti pórů ultrafiltračních membrán je obecně mezi 1000 a 500000. Provozní tlak ultrafiltrační membrány je obecně 1-7.

Nanofiltrace může zachytit nanočástice (0. 001 mikron) látky. Provozní rozsah nanofiltrační membrány je mezi ultrafiltrací a reverzní osmózou. Molekulová hmotnost zachycené organické hmoty je asi 200-800 mw a schopnost zachytit rozpuštěné soli je mezi 20%-98%. Rychlost odstraňování rozpustných monovalentních iontů je nižší než rychlost vysoce valentních iontů. Nanofiltrace se obecně používá k odstranění organické hmoty a pigmentů v povrchové vodě, tvrdosti a radiu v podzemních vodách a částečně odstranění rozpuštěných solí a extrahujte a koncentrují užitečné látky v produkci potravin a farmaceutiky. Provozní tlak nanofiltrační membrány je obecně 3. 5-30 bar.

Reverzní osmóza je nejnáročnějším produktem separace membrány, který může účinně zachytit všechny rozpuštěné soli a organickou hmotu s molekulovou hmotností větší než 100, přičemž umožňuje procházet molekuly vody. Membrány reverzní osmózy se široce používají při mořské vodě a brakické odsolování vody, přívodní vodě kotle, průmyslové čisté vodě a vysoce čisté přípravy vody, pití čisté vody, čištění odpadních vod a speciálním separačním procesům. Provozní tlak membrán reverzní osmózy je obecně mezi 12 baru pro brakickou vodu a 70 bar pro mořskou vodu.

1.2. Typy a aplikační charakteristiky ultrafiltračních membrán

Ultrafiltrační membrány jsou podle jejich struktury rozděleny hlavně na čtyři typy: deskové membrány, membrány, tubulární membrány a membrány dutých vláken.

Desková membrána: Je to nejstarší membrána, ale protože je obtížné zajistit vhodný průtok na povrchu membrány a složité problémy s utěsněním, je aplikace tohoto typu membrány velmi omezená. Požadavky na předúpravu nejsou přísné;

Roll membrána: Vyvinuta z membrán desek, protože mřížka membrány role přináší mrtvé body a nelze ji proplatit, obvykle není vhodná pro průmyslovou úpravu surové vody. Jsou vhodné pro vysokoteplotní a vysokotlaké oddělení materiálu atd. A požadavky na předúpravu nejsou přísné;

Tubulární membrána: Vzhledem k vysoké spotřebě energie není vhodná pro běžné úpravy vody z ekonomického hlediska. Obecně je vhodný pro tekutiny s vysokým obsahem pevné látky nebo vysokou koncentrací oleje. Mezi čtyřmi membránami jsou jeho požadavky na předúpravu nejméně přísné.

Membrána dutých vláken: Protože má nízký tlak, žádný mrtvý bod v kanálu, vysoký tok, a může být zpětně vyplacen, je to dobrá volba, s výjimkou speciálních vodních útvarů (jako je vysoký obsah oleje, vysoký pevný obsah atd.). Mezi čtyřmi membránami je to nejrozšířenější při úpravě vody.

Poznámka: Protože je nejpoužívanější membrána dutých vláken, s výjimkou společných bodů v následujících materiálech, všechny ostatní materiály jsou vysvětleny s membránou dutých vláken jako příkladu.

1.3. Rozsah aplikace

Ultrafiltrace se široce používá v oblasti úpravy vody. Podle příležitostí aplikace lze jej použít hlavně pro:

1.3.1. Předpokládání surové vody (povrchová voda, podzemní voda, voda z vodovodu)

Clarifier, náhrada pískového filtru, předběžné ošetření RO a předběžné ošetření iontu

Ultrafiltrace, která se používá při předběžném ošetření, nahrazuje čisticí nebo pískový filtr k odstranění pevných látek a koloidů v surové vodě ke zlepšení provozu následných zařízení, jako je zlepšení frekvence zpětného proplachování iontového výměníku a náhradní frekvence membránových prvků reverzní osmbózy, ale to vyžaduje častější čištění/spláchnutí. Typ membrány je obecně 100, 000 molekulární mez.

1.3.2. Ošetření čištění

Odstranění částic (jako je 18wΩ voda), odstranění mikroorganismů a pyrogenů, RO nebo iontová výměna po léčbě

Ultrafiltrace se používá k odstranění koloidů a pevných látek ve vodě po zpětném výměně osmózy/iontu. Má vysokou propustnost vody a nízkou frekvenci čištění. Nevyžaduje časté čištění/proplachování. Vyčistí se pouze tehdy, když tlak systému klesne na úroveň, která způsobuje, že provoz je nepříjemný nebo se vytvářejí bakterie. Ve farmaceutickém a elektronickém průmyslu je ultrafiltrace umístěna v bodě použití k odstranění mikroorganismů a pyrogenů. Typ membrány je obecně 10, 000-100, 000 molekulární mezní hodnoty.

1.3.3. Cirkulace a opětovné použití vody

Po biochemickém ošetření a objasnění (sekundární a terciární)

Anisotropní membrána

Syntetické polymerní duté vlákno sestávající z velmi těsné, tenké vnitřní membrány a samonosné houby podobné vnější struktury. Tato vnitřní membrána působí jako polopropustná ultrafiltrační membrána.

Průměrný tlak trans-membrány

Rozdíl mezi průměrným tlakem na straně výroby vody a vstupem a výstupem surové vody,

Průměrný trans-membránový tlak=(p in + p out) / 2 - P Vodová výroba

Back-Flush

Přenášejte vodu kvality permeátu z vnějšku dutého vlákna dovnitř. Protože voda prochází vláknem z opačného směru, uvolňuje a odplaví nečistoty na povrchu membrány.

Poznámka: Během tohoto procesu není na vnitřní straně membrány vlákna žádný tlak.

Koloidní znečištění

Na povrchu membrány uvnitř dutého vlákna se vytvoří vrstva srážení částic.

Soustředit nebo odmítnout

Část surové vody, která nemůže procházet membránou, obsahuje nečistoty, jako jsou částice, koloidy, bakterie a pyrogeny s vyšší koncentrací než surová voda.

Koncentrace polarizace

Fenomén, který způsobuje, že se na membránovém povrchu shromažďuje odmítnutá záležitost. Vysoká smyková síla (vysoký průtok) ve vlákně může snížit polarizaci.

Křížový tok

Koncentrovaná voda teče ve směru rovnoběžně s účinným povrchem membrány, což pomáhá vyplavit zbytky znečišťujících látek na povrchu membrány.

Diferenciální tlak

Tlakový rozdíl mezi vstupem a výstupem vláknité membránové trubice. Rozdíl tlaku pd=p in - p out

Tok dolů

Směr cirkulace toku ultrafiltračního membránového modulu proudí shora dolů k spodní části modulu.

Krmivo

Voda vstupující do ultrafiltračního systému je poté rozdělena do produkované vody a koncentrované kapaliny.

Flux

Průtok vyrobené vody procházející membránou, obvykle vyjádřený jako galony vody na čtvereční stopu membránové oblasti za den (GFD), GFD {0}} LMH X 0,59

Dopředný tok

Směr cirkulace toku odpadního vodu je obvykle nahoru pro svisle nainstalované membránové zkumavky.

Gelová vrstva

Vrstva vysoké koncentrace nebo pevného sedimentu, obvykle látky s vysokou molekulovou hmotností, se vytvořila na účinném vnitřním povrchu ultrafiltrační membrány v provozu. Často je to spíše propustnost gelové vrstvy než propustnost filtrační membrány, která určuje tok ultrafiltrační vody (což povede k přísnějšímu filtračnímu účinku než skutečný met membrány molekulové hmotnosti).

Mezní hodnota molekulové hmotnosti

Vlastnost membrány, která popisuje nominální míru retence solutu ve známém systému krmiva, tj. Minimální velikost zadržené kontaminanty.

Nominální odříznutí

V jednom roztokovém systému známé rozpuštěné látky odpovídá velikost pórů membrány maximální míru retence solutu (obvykle 90%).

Pronikat

Část vody, která prochází filtrační membránou, je v podstatě bez koloidů, částic a mikroorganismů.

Zotavení

Procento vyrobené vody v celkové surové vodě.

% Recovery=Produktová voda/surová voda × 100

Retentát

Také se nazývá koncentrát. Část vlivu, která nemůže procházet filtrační membránou, včetně zadržených pevných látek s koncentrací vyšší než koncentka u přívoje.

Zpětné krvácení

Část retentu, která je vypouštěna nebo recyklována z ultrafiltrační jednotky. Tento proces vypouštění zabraňuje akumulaci zadržených pevných látek na membránové filtrační straně.

Tok zvratu

Kapalina vstupuje do membránové trubice rozloženým způsobem. Voda vstupuje do membránové trubice z horní vstupní trubky a po určitém období se změní, aby vstoupila zdola. Tato ohromená změna zlepšuje podmínky toku v membráně.

Tok nahoru

Směr cirkulace toku modulu ultrafiltrační membrány teče zdola k horní části modulu.

3.1 Přehled

Ultrafiltrace je proces filtrace řízený tekutým tangenciálním tokem a tlakem a odděluje částice ve vodě podle molekulové hmotnosti. Velikost pórů ultrafiltrační membrány je přibližně v rozsahu 0. 002-0. 1 Micron (MWCO je přibližně 1, 000-500, 000). Rozpuštěné látky a látky menší než velikost membránových pórů mohou projít membránou jako permeát, zatímco látky, které nemohou projít membránou, budou zachovány a koncentrovány v odpadním vodáku. Produkovaná voda (permeát) proto bude obsahovat vodu, ionty a malé molekuly, zatímco koloidy, částice, bakterie, viry a protozoa budou membránou odstraněny.

Ultrafiltrační membrána dutých vláken je velmi tenká polymerní materiál vyrobený z polysulfonu PS, polyethersulfonu PES, PVDF nebo polyakrylonitrilu (PAN) s asymetrickou mikroporézní strukturou. Asymetrická ultrafiltrační membrána má extrémně hladkou a tenkou ({{0}}. 1 mikron) Vnitřní povrch s velikostí pórů mezi 0. 002 a 0,1 mikronů, která je podporována asymetrickou strukturou mořské podpůrné struktury s pórovou velikostí jako 15 mikronů. Kombinace tohoto malého pórového hladkého membránového povrchu a většího materiálu podpory pórů způsobuje, že průtokový odpor filtrování malých částic je velmi malý a není snadný ucpat.

3.2 Základní principy

Ultrafiltrace je proces křížení a tangenciálního toku, kde kapalina má být filtrována toky podél povrchu membrány. To vytváří podmínky smyku tekutiny na vnitřní stěně dutého vlákna, což ztěžuje znečišťující látku tvořit na povrchu membrány.

Voda, která má být filtrována, je natlakována ultrafiltračním vodním čerpadlem a vstup do sestavy membrány. Vzhledem k rozdílu tlaku mezi vnitřkem a vně membrány prochází část vody membránu, zatímco nečistoty ve vodě jsou zachovány ve zbývající vodě a odfiltrovány.

Pokud jsou nečistoty, které mají být odděleny, na membráně příliš naneseny, v závislosti na typu membrány to způsobí uložení nerozpustných solí nebo tvorbu částečné krycí vrstvy. Aby se tomu zabránilo, bude část vody vytékat jako koncentrát. V závislosti na typu membrány a aplikace by měl být tento proces prováděn nepřetržitě nebo během refluxu.

3.3 Charakteristiky ultrafiltrace

Ultrafiltrace má mnoho výhod oproti tradičním metodám čištění:

• Může úplně odstranit mikroorganismy a částice

Rychlost odstraňování znečišťujících látek ve vodě

Komponenty PM10 PM100

Koloidní oxid křemičitý 99,8% 99. 0%

Koloidní železo 99,8% 99. 0%

Koloidní hliník 99,8% 99. 0%

Pozastavené pevné látky 5 LRV 4 LRV

Zákal <{{0}}. 3 NTU (obvykle méně než 0,1 ntu)

Sdi <1. 0 sdi

Giardia 6 lrv 5 lrv

Protozoa 6 lrv 5 lrv

Fungi 6 lrv 5 lrv

Virus 5 LRV 4 LRV

Endovirus 4 lrv 2 lrv

TOC AVG. 70% AVG. 30%

• Filtrační účinek není ovlivněn kvalitou surové vody
• Může odstranit bakterie odolné vůči chloru
• Ultrafiltrační koncentrát obsahuje pouze látky obsažené v původní vodě
• Ve srovnání s jinými tradičními metodami je množství sedimentu v ultrafiltraci výrazně menší
• Kompaktní struktura držáku zlepšuje využití prostoru, šetří náklady a může být také vysoce flexibilní při přidávání zařízení ve stávajících závodech.
• Ultrafiltrace může dosáhnout plně automatizované průmyslové kontinuální produkce.
• Protože ultrafiltrace může téměř úplně odfiltrovat látky, které tvoří krycí vrstvu, může být zatížení plochy zvýšena v následných krocích čištění membrány, čímž se sníží měřítko následného čisticího zařízení.

Syrová voda vstupuje do vnitřní dutiny dutého vlákna a je filtrována zevnitř ven přes vlákno.

Syrová voda obvykle vstupuje z jednoho konce membránového prvku a protéká po celé délce vlákna pod tlakem 30-40 psi.

Koncentrát s vyšším pevným obsahem je vypouštěn z druhého konce membránového prvku.

Permeate teče do sběrného potrubí permeátu ve středu membránového prvku po filtraci přes membránovou stěnu vlákna. Permeate vytéká ze středu každého membránového prvku přes potrubí pro sběr vody.

Ultrafiltrace má obecně dva režimy provozních procesů podle kvality surové vody: režim filtrace slepá ulička a filtrační režim cirkulace.

4.1 Režim filtrace slepého střeva

Obecně se používá, když je suspendovaný obsah pevných látek a koloidů v surové vodě nízký (například SS<5, turbidity <5NTU). The raw water enters the membrane tube at a low cross-flow rate, and the concentrated water is discharged from the other end of the membrane tube at a certain proportion. The produced water is produced on the filtrate side of the membrane tube, and the water recovery rate is usually 90%-99%, which is determined by the quality of the raw water. Compared with the circulation mode, the operating cost of dead-end filtration is low, but the recovery rate and the water output capacity of the system may be limited. This mode usually requires regular fast flushing and backwashing to maintain the system output. When the dirt accumulates to a certain extent, chemical cleaning is required for treatment.

4.2 Režim filtrace cirkulace/křížového toku

Když je suspendovaný obsah pevných látek v surové vodě vysoký a ve většině aplikací bez vody, je nutné snížit rychlost zotavení, aby se udržel vysoký průtok uvnitř membránové trubice. To způsobí hodně odpadní vody. Aby se zabránilo odpadu, vypouštěná koncentrovaná voda bude znovu tlačena a vrácena do membránové trubice. Tímto způsobem, i když je míra zotavení membránové trubice snížena, rychlost zotavení celého systému může být stále velmi vysoká. V tomto režimu se vliva voda cirkuluje nepřetržitě na povrchu membrány. Vysoká rychlost cirkulující vody zabraňuje akumulaci částic v oblasti membrány a zvyšuje tok. Protože méně vlivné vody se produkuje voda, je za účelem získání stejného výnosu spotřeba energie větší než filtrační režim slepá ulička.