Hoeveel weet u over ultrafiltratie in pure watersystemen? (I)

1.1. Inleiding tot de classificatie van membraanscheidingsprocessen

Op basis van de scheidingsnauwkeurigheid kan membraanvloeistofscheidingstechnologie in het algemeen worden onderverdeeld in vier categorieën: microfiltratie (MF), ultrafiltratie (UF), nanofiltratie (NF) en omgekeerde osmose (RO). Hun filtratie -nauwkeurigheid neemt toe in de bovenstaande volgorde.

Microfiltratie kan deeltjes onderscheppen tussen {{0}}}. 1 en 1 micron. Met microfiltratiemembranen kunnen macromoleculen en oplosbare vaste stoffen (anorganische zouten) doorgaan, maar zullen gesuspendeerde materie, bacteriën en grote molecuulgewicht colloïden onderscheppen. De werkdruk van microfiltratiemembranen is in het algemeen 0. 7-7 balk.

Ultrafiltratie kan macromoleculen en eiwitten onderscheppen tussen {{0}}. 002 en 0,1 micron. Ultrafiltratiemembranen laten kleine moleculen en oplosbare vaste stoffen (anorganische zouten) doorheen, terwijl colloïden, eiwitten, micro -organismen en macromoleculaire organische stof worden onderschept. Het afgesneden molecuulgewichtbereik dat wordt gebruikt om de poriegrootte van ultrafiltratiemembranen aan te geven, is in het algemeen tussen 1000 en 500000. De werkdruk van ultrafiltratiemembraan is in het algemeen 1-7 balk.

Nanofiltratie kan nanoschaal (0. 001 micron) stoffen onderscheppen. Het werkbereik van nanofiltratiemembraan ligt tussen ultrafiltratie en omgekeerde osmose. Het molecuulgewicht van de onderschepte organische stof gaat over 200-800 MW en het vermogen om opgeloste zouten te onderscheppen ligt tussen 20%-98%. De verwijderingssnelheid van oplosbare monovalente ionen is lager dan die van hoogwaardige ionen. Nanofiltratie wordt in het algemeen gebruikt om organische stof en pigmenten in oppervlaktewater, hardheid en radium in grondwater te verwijderen, en gedeeltelijk opgeloste zouten te verwijderen, en bruikbare stoffen te extraheren en te concentreren in voedsel en farmaceutische productie. De werkdruk van nanofiltratiemembraan is over het algemeen 3. 5-30 balk.

Omgekeerde osmose is het meest geavanceerde membraanscheidingsproduct, dat alle opgeloste zouten en organische stof effectief kan onderscheppen met een molecuulgewicht groter dan 100, terwijl watermoleculen kunnen passeren. Omgekeerde osmosemembranen worden op grote schaal gebruikt in de ontzilting van zeewater en brak water, ketelvoedingswater, industrieel zuiver water en elektronische kwaliteit waterbereiding met hoge zuiverheid, het drinken van pure waterproductie, afvalwaterzuivering en speciale scheidingsprocessen. De werkdruk van omgekeerde osmosemembranen ligt in het algemeen tussen 12 bar voor brak water en 70 bar voor zeewater.

1.2. Typen en applicatiekenmerken van ultrafiltratiemembranen

Ultrafiltratiemembranen zijn voornamelijk verdeeld in vier typen volgens hun structuur: plaatmembranen, rolmembranen, buisvormige membranen en holle vezelmembranen.

Plaatmembraan: het is het vroegste membraan, maar omdat het moeilijk is om de juiste stroomsnelheid op het membraanoppervlak en complexe afdichtingsproblemen te garanderen, is de toepassing van dit type membraan zeer beperkt. Voorbehandelingsvereisten zijn niet streng;

Rollembraan: ontwikkeld uit plaatmembranen, omdat het rooster van het rolmembraan dode punten met zich meebrengt en niet kan worden teruggetrokken, is het meestal niet geschikt voor industriële ruwe waterbehandeling. Ze zijn geschikt voor hoge temperatuur- en hogedrukmateriaalscheiding, enz., En de voorbehandelingsvereisten zijn niet streng;

Tubulair membraan: vanwege het hoge energieverbruik is het niet geschikt voor gewone waterbehandeling vanuit economisch oogpunt. Het is over het algemeen geschikt voor vloeistoffen met een hoog vaste gehalte of een hoge olieconcentratie. Onder de vier membranen zijn de voorbehandelingsvereisten de minst strikt.

Holle vezelmembraan: omdat het lage druk heeft, geen dode punt in het kanaal, hoge flux en kan worden terugspoeld, is het een goede keuze behalve speciale waterlichamen (zoals een hoog oligehalte, een hoog vast gehalte, enz.). Onder de vier membranen is het het meest gebruikt in waterbehandeling.

Opmerking: omdat holle vezelmembraan het meest wordt gebruikt, behalve de gemeenschappelijke punten in de volgende materialen, worden alle andere materialen als voorbeeld uitgelegd met holle vezelmembraan.

1.3. Toepassingscope

Ultrafiltratie wordt veel gebruikt op het gebied van waterbehandeling. Volgens de toepassing kan het voornamelijk worden gebruikt voor:

1.3.1. Voorbehandeling met ruw water (oppervlaktewater, grondwater, leidingwater)

Relever, zandfiltervervanging, RO -voorbehandeling en ionenuitwisseling voorbehandeling

Gebruikt bij voorbehandeling, vervangt ultrafiltratie verduidelijker of zandfilter om vaste stoffen en colloïden in ruw water te verwijderen om de werking van daaropvolgende apparatuur te verbeteren, zoals het verbeteren van de terugspoelfrequentie van ionenwisselaar en de vervangingsfrequentie van reverse osmosemembraanelementen, maar het vereist meer frequent reiniging/blozen. Het membraantype is in het algemeen 100, 000 moleculaire afsluiting.

1.3.2. Zuiveringsbehandeling

Verwijdering van deeltjes (zoals 18WΩ water), verwijdering van micro-organismen en pyrogenen, RO of ionenuitwisseling na de behandeling

Ultrafiltratie wordt gebruikt om colloïden en vaste stoffen in water te verwijderen na omgekeerde osmose/ionenuitwisselingsapparatuur. Het heeft een hoge waterpermeabiliteit en een lage reinigingsfrequentie. Het vereist geen frequente reiniging/spoelen. Het wordt alleen gereinigd wanneer de systeemdruk daalt naar een niveau dat de werking ongemakkelijk maakt of bacteriën worden geproduceerd. In de farmaceutische en elektronica -industrie wordt ultrafiltratie op het punt van gebruik geplaatst om micro -organismen en pyrogenen te verwijderen. Het membraantype is in het algemeen 10, 000-100, 000 moleculaire cutoffs.

1.3.3. Watercirculatie en hergebruik

Na biochemische behandeling en verduidelijking (secundair en tertiair)

Anisotrope membraan

Een synthetische holle holle vezel bestaande uit een zeer strak, dun binnenmembraan en een zelfvoorzienende sponsachtige buitenstructuur. Dit binnenmembraan werkt als een semi-permeabel ultrafiltratiemembraan.

Gemiddelde trans-membraandruk

Het verschil tussen de gemiddelde druk van de waterproductiekant en de ruwe waterinlaat en uitlaat,

Gemiddelde trans-membraandruk=(p in + p out) / 2 - p waterproductie

Back-flush

Doe het permeaatkwaliteit water van de buitenkant van de holle vezel naar de binnenkant. Omdat het water uit de omgekeerde richting door de vezel wordt geleid, maakt het het vuil op het membraanoppervlak weg en wast het weg.

Opmerking: er is geen druk op de binnenkant van het vezelmembraan tijdens dit proces.

Colloïdale vervuiling

Een deeltjesneerslaglaag wordt gevormd op het membraanoppervlak in de holle vezel.

Concentreer of verwerpt

Het deel van het ruwe water dat niet door het membraan kan gaan, het bevat onzuiverheden zoals deeltjes, colloïden, bacteriën en pyrogenen met een hogere concentratie dan het ruwe water.

Concentratiepolarisatie

Het fenomeen dat ervoor zorgt dat de afgewezen gesuspendeerde materie zich op het membraanoppervlak verzamelt. Hoge afschuifkracht (hoge stroomsnelheid) in de vezel kan polarisatie verminderen.

Kruisstroom

Het geconcentreerde water stroomt in een richting parallel aan het effectieve membraanoppervlak, dat helpt om het puin van verontreinigende stoffen op het membraanoppervlak weg te spoelen.

Differentiële druk

Het drukverschil tussen de inlaat en uitlaat van de vezelmembraanbuis. Drukverschil pd=p in - p out

Neerwaartse stroom

De stroomrichting van de circulatie van de module Ultrafiltration Membraan stroomt van boven naar de onderkant van de module.

Voer

Het water dat het ultrafiltratiesysteem binnenkomt, wordt vervolgens verdeeld in geproduceerd water en geconcentreerde vloeistof.

Flux

De stroomsnelheid van geproduceerd water dat door het membraan gaat, meestal uitgedrukt als gallons water per vierkante voet membraanoppervlak per dag (gfd), gfd {{{0}} lmh x 0,59

Voorwaartse stroom

De stroomrichting van de circulatie van het effluent is meestal omhoog voor verticaal geïnstalleerde membraanbuizen.

Gelaag

Een laag van hoge concentratie of vast sediment, meestal stoffen met hoge molecuulgewicht, gevormd op het effectieve binnenoppervlak van het ultrafiltratiemembraan in werking. Het is vaak de permeabiliteit van de gellaag in plaats van de permeabiliteit van het filtermembraan dat de ultrafiltratiewaterflux bepaalt (die zal leiden tot een strakker filtratie -effect dan de werkelijke membraanmolecuulgewicht afsluiting).

Afsnijding van molecuulgewicht

Een eigenschap van het membraan die de nominale retentiesnelheid van een opgeloste stof beschrijft in een bekend voedersysteem, dat wil zeggen de minimale grootte van de vastgehouden verontreiniging.

Nominale afgesneden

In een enkel oplossingssysteem van een bekende opgeloste stof, komt de membraanporiegrootte overeenkomend met de maximale opgeloste retentiepercentage (meestal 90%).

Doordringen

Het deel van het water dat door het filtermembraan gaat, is in principe vrij van colloïden, deeltjes en micro -organismen.

Herstel

Het percentage geproduceerd water in het totale ruwe water.

% Herstel=Productwater/ruw water × 100

Retenteren

Ook wel concentraat genoemd. Het gedeelte van het influent dat niet door het filtermembraan kan gaan, inclusief vastgehouden vaste stoffen met een concentratie hoger dan die in het influent.

Retenteren bloeden

Het gedeelte van het retentaat dat wordt ontslagen of gerecycled uit de ultrafiltratie -eenheid. Dit ontladingsproces voorkomt de accumulatie van vastgehouden vaste stoffen aan de membraanfiltratiezijde.

Omkeerstroom

De vloeistof komt op een gespreide manier in de membraanbuis. Water komt de membraanbuis binnen vanaf de bovenste inlaatpijp en na een periode van tijd verandert deze om van de bodem binnen te komen. Deze gespreide verandering verbetert de stroomomstandigheden in het membraan.

Opwaartse stroom

De stroomrichting van de circulatie van de module Ultrafiltration Membraan stroomt van de onderkant naar de bovenkant van de module.

3.1 Overzicht

Ultrafiltratie is een filtratieproces aangedreven door vloeistof tangentiële stroom en druk, en scheidt deeltjes in water volgens het molecuulgewicht. De poriegrootte van het ultrafiltratiemembraan ligt ongeveer in het bereik van 0. 002-0. 1 micron (mwco is ongeveer 1, 000-500, 000). Opgeloste stoffen en stoffen die kleiner zijn dan de membraanporiegrootte kan door het membraan gaan als permeaat, terwijl stoffen die niet door het membraan kunnen gaan, worden behouden en geconcentreerd in het effluent. Daarom zal het geproduceerde water (permeaat) water, ionen en kleine moleculen bevatten, terwijl colloïden, deeltjes, bacteriën, virussen en protozoa worden verwijderd door het membraan.

Holle vezel ultrafiltratiemembraan is een zeer dun polymeermateriaal gemaakt van polysulfon PS, polyethersulfon -pes, PVDF of polyacrylonitril (PAN) met een asymmetrische microporeuze structuur. Het asymmetrische ultrafiltratiemembraan heeft een extreem soepel en dun ({{{0}}. 1 micron) binnenoppervlak met een poriegrootte tussen 0. 002 en 0,1 micron, die wordt ondersteund door een asymmetrische structuur van de zeeoppervlaktestructuur met een poriegrootte als groot als 15 micron. De combinatie van dit kleine porie glad membraanoppervlak en een groter poriesteunmateriaal maakt de stroomweerstand van het filteren van kleine deeltjes erg klein en niet gemakkelijk te verstoppen.

3.2 Basisprincipes

Ultrafiltratie is een cross-flow en tangentieel stromingsproces, waarbij de te filteren vloeistof stroomt langs het membraanoppervlak. Dit creëert vloeibare afschuifomstandigheden op de binnenwand van de holle vezel, waardoor het voor verontreinigende stoffen moeilijk is om zich op het membraanoppervlak te vormen.

Het te filteren water wordt onder druk gezet door de ultrafiltratiewaterpomp en input in de membraanassemblage. Vanwege het drukverschil tussen de binnenkant en de buitenkant van het membraan, doordringt een deel van het water het membraan, terwijl de onzuiverheden in het water in het resterende water worden vastgehouden en uitgefilterd.

Als de te gescheiden onzuiverheden te veel worden afgezet op het membraan, afhankelijk van het type membraan, zal dit de afzetting van onoplosbare zouten of de vorming van een gedeeltelijke bedekkingslaag veroorzaken. Dus om dit te voorkomen, zal een deel van het water als concentraat wegstromen. Afhankelijk van het type membraan en de toepassing, moet dit proces continu of tijdens reflux worden uitgevoerd.

3.3 Kenmerken van ultrafiltratie

Ultrafiltratie heeft veel voordelen ten opzichte van traditionele zuiveringsmethoden:

• Kan micro -organismen en deeltjes volledig verwijderen

Verwijderingssnelheid van verontreinigende stoffen in water

Componenten PM10 PM100

Colloïdaal silica 99,8% 99. 0%

Colloïdaal ijzer 99,8% 99. 0%

Colloïdaal aluminium 99,8% 99. 0%

Ophange vaste stoffen 5 LRV 4 LRV

Troebelheid <{{{0}}. 3 ntu (meestal minder dan 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%

• Het filtratie -effect wordt niet beïnvloed door de kwaliteit van het ruwe water
• Het kan chloorbestendige bacteriën verwijderen
• Het ultrafiltratiegevaar bevat alleen die stoffen in het oorspronkelijke water
• Vergeleken met andere traditionele methoden is de hoeveelheid sediment in ultrafiltratie aanzienlijk minder
• De compacte structuur van de beugel verbetert het gebruik van ruimtevaart, bespaart kosten en kan ook zeer flexibel zijn bij het toevoegen van apparatuur in bestaande fabrieken.
• Ultrafiltratie kan volledig geautomatiseerde industriële continue productie bereiken.
• Aangezien ultrafiltratie bijna volledig de stoffen kan filteren die de deklaag vormen, kan de gebiedsbelasting worden verhoogd in de daaropvolgende membraanzuiveringsstappen, waardoor de schaal van het daaropvolgende zuiveringsapparaat wordt verminderd.

Ruw water komt de binnenholte van de holle vezel binnen en wordt van binnen naar buiten gefilterd door de vezel.

Gewoonlijk komt het ruwe water binnen van het ene uiteinde van het membraanelement en stroomt door de gehele lengte van de vezel onder de druk van 30-40 psi.

Het concentraat met een hoger vaste inhoud wordt ontslagen uit het andere uiteinde van het membraanelement.

Het permeaat stroomt in de permeaatverzamelingspijp in het midden van het membraanelement na filtratie door de vezelmembraanwand. Het permeaat stroomt uit het midden van elk membraanelement door het verzamelpijp van water.

Ultrafiltratie heeft over het algemeen twee bedrijfsprocesmodi volgens de kwaliteit van ruw water: doodlopende filtratiemodus en circulatiefiltratiemodus.

4.1 Dead-end filtratiemodus

Over het algemeen gebruikt wanneer de gesuspendeerde vaste stoffen en het colloïde gehalte in het ruwe water laag zijn (zoals 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 Circulatie/cross-flow filtratiemodus

Wanneer het gehalte van de gesuspendeerde vaste stoffen in het ruwe water hoog is en in de meeste niet-watertoepassingen, is het noodzakelijk om de herstelsnelheid te verlagen om een ​​hoge stroomsnelheid in de membraanbuis te behouden. Dit zal veel afvalwater veroorzaken. Om afval te voorkomen, wordt het ontladen geconcentreerde water opnieuw onderdrukt en teruggebracht naar de membraanbuis. Op deze manier, hoewel de herstelsnelheid van de membraanbuis wordt verlaagd, kan de herstelsnelheid van het hele systeem nog steeds erg hoog zijn. In deze modus circuleert het influentwater continu op het membraanoppervlak. De hoge snelheid van het circulerende water voorkomt de accumulatie van deeltjes op het membraangebied en verhoogt de flux. Omdat minder influent water water wordt geproduceerd, is het energieverbruik groter dan de doodlopende filtratiemodus om dezelfde opbrengst te verkrijgen.