Анализ процесса ультрафильтрации мембран в системах водоочистки (II)

Качество водоснабжения Корректирование

【Регулировка температуры подаваемой воды】

Проницаемость Ультрафильтрационная мембранаs напрямую зависит от температуры. Скорость проницаемости ультрафильтрационных мембранных модулей обычно проверяется с использованием чистой воды при 25℃. Скорость проницаемости ультрафильтрационных мембран прямо пропорциональна температуре, с температурным коэффициентом приблизительно 0,02/1℃. То есть, при каждом повышении температуры на 1℃ скорость проницаемости увеличивается примерно на 2,0%. Поэтому, когда температура подаваемой воды низкая (например,

【Регулировка pH подаваемой воды】

Ультрафильтрационные мембраны, изготовленные из разных материалов, имеют разные диапазоны pH. Например, мембраны из ацетата целлюлозы подходят для pH = 4–6, тогда как мембраны из ПАН и ПВДФ могут использоваться в диапазоне pH 2–12. Если pH поступающей воды превышает этот диапазон, необходима корректировка. Обычно используемые регуляторы pH включают кислоты (HCl и H₂SO₄) и щелочи (NaOH). Поскольку неорганические соли в растворе могут проникать через ультрафильтрационную мембрану, проблем с концентрационной поляризацией или образованием накипи, вызванных неорганическими солями, не возникает. Поэтому их влияние на мембрану, как правило, не учитывается в процессе предварительной корректировки качества воды. Основное внимание уделяется предотвращению образования коллоидного слоя, загрязнения и засорения мембраны.

Правильное освоение и выполнение рабочих параметров. Рабочие параметры чрезвычайно важны для долгосрочной и стабильной работы ультрасовременного оборудования.Система фильтрацииЭти параметры, как правило, включают: расход, давление, перепад давления, скорость выгрузки концентрата, коэффициент извлечения и температуру.

А.

Расход: Расход — это линейная скорость потока подаваемого раствора (воды), протекающего по поверхности мембраны. Это важнейший рабочий параметр в системах ультрафильтрации. Высокий расход не только приводит к потере энергии и чрезмерному падению давления, но и ускоряет деградацию характеристик ультрафильтрационной мембраны. И наоборот, низкий расход увеличивает толщину пограничного слоя, образующегося на поверхности мембраны, вызывая концентрационную поляризацию, что влияет как на скорость проникновения, так и на качество проникающего раствора. Оптимальный расход определяется экспериментально.

Ультрафильтрационные мембраны с полыми волокнами, при поддержании давления воды на входе ниже 0,2 МПа, демонстрируют скорость потока всего 0,1 м/с при внутреннем давлении, что указывает на полностью ламинарный характер потока. Мембраны, работающие под внешним давлением, позволяют достичь более высоких скоростей потока. Для капиллярных ультрафильтрационных мембран, когда диаметр капилляра достигает 3 мм, скорость потока может быть соответствующим образом увеличена, что способствует уменьшению концентрационного пограничного слоя.

Необходимо отметить два момента: во-первых, скорость потока не может быть определена произвольно, поскольку она зависит от входного давления и расхода подаваемой жидкости. Во-вторых, для полых волоконных или капиллярных мембран скорость потока на входном конце непостоянна. Когда расход концентрата составляет 10% от расхода подаваемой жидкости, скорость на выходе составляет приблизительно 10% от скорости на входе. Кроме того, повышение давления увеличивает расход пермеата, но очень мало способствует увеличению скорости потока. Поэтому увеличение диаметра капилляра и соответствующее увеличение скорости выхода концентрата (скорости рециркуляции) может улучшить скорость потока, особенно в процессах ультрафильтрационного концентрирования, таких как регенерация электрофоретической краски, что может эффективно повысить скорость ультрафильтрации.

В пределах допустимого диапазона давления увеличение подачи воды и выбор максимальной скорости потока способствуют обеспечению эффективности работы ультрафильтрационных мембран с полыми волокнами.

Б.

Давление и перепад давления: Диапазон рабочего давления для ультрафильтрационных мембран с полыми волокнами составляет 0,1–0,6 МПа, что, как правило, относится к рабочему давлению, обычно используемому для обработки растворов в пределах определенной области ультрафильтрации. Разделение веществ с различной молекулярной массой требует выбора ультрафильтрационных мембран с соответствующими порогами молекулярной массы, поэтому рабочее давление также будет различаться. Как правило, для мембран с внутренним давлением и полыми волокнами, имеющих пластиковые оболочки, сопротивление давлению оболочки составляет менее 0,3 МПа, а сопротивление давлению полых волокон также обычно составляет менее 0,3 МПа. Следовательно, рабочее давление должно быть менее 0,2 МПа, а разница давлений на мембране не должна превышать 0,1 МПа. Ультрафильтрационные мембраны с полыми волокнами, работающие под внешним давлением, могут выдерживать давление до 0,6 МПа, но для модулей мембран с внешним давлением и пластиковой оболочкой рабочее давление также составляет 0,2 МПа. Следует отметить, что поскольку мембрана внутреннего давления имеет больший диаметр, при использовании в качестве мембраны внешнего давления она легко сплющивается и разрезается в месте соединения, что приводит к повреждению. Поэтому мембраны внутреннего и внешнего давления не взаимозаменяемы.

Если для использования ультрафильтрата в следующем процессе требуется определенное давление, следует использовать модуль ультрафильтрационной мембраны в корпусе из нержавеющей стали. Этот модуль ультрафильтрационной мембраны с полыми волокнами может работать при давлении 0,6 МПа, подавая ультрафильтрат под давлением 30 м водяного столба, или 0,3 МПа. Однако разница давлений между внутренней и внешней сторонами мембраны с полыми волокнами не должна превышать 0,3 МПа.

При выборе рабочего давления, помимо сопротивления мембраны и корпуса давлению, необходимо учитывать сжимаемость мембраны и ее устойчивость к загрязнению. Более высокое давление приводит к увеличению потока пермеата, но также и к большему накоплению захваченных веществ на поверхности мембраны, что увеличивает сопротивление и снижает скорость пермеата. Кроме того, частицы, попадающие в микропоры мембраны, с большей вероятностью закупоривают каналы. Вкратце, выбор более низкого рабочего давления, когда это возможно, выгоден для полного использования производительности мембраны.

Падение давления в модуле ультрафильтрации с полыми волокнами представляет собой разницу между давлением на входе и давлением на выходе концентрата. Падение давления тесно связано со скоростью подачи воды, расходом и скоростью выхода концентрата. Особенно для ультрафильтрационных мембран с полыми волокнами или капиллярами, работающих под внутренним давлением, скорость потока и давление на поверхности мембраны постепенно изменяются вдоль направления потока воды. Чем больше объем подаваемой воды, скорость потока и выход концентрата, тем больше падение давления, в результате чего давление на поверхности мембраны ниже по потоку не достигает требуемого рабочего давления. Это повлияет на общую производительность модуля по водоподготовке. В практических приложениях падение давления следует контролировать, чтобы избежать чрезмерных значений. С увеличением времени работы загрязнение увеличивает сопротивление потоку, что приводит к большему падению давления. Когда падение давления превышает начальное значение на 0,05 МПа, необходима очистка и прочистка водопровода.

С.

Коэффициент извлечения и объем сброса концентрата: В системе ультрафильтрации коэффициент извлечения и объем сброса концентрата являются взаимоограничивающими факторами. Коэффициент извлечения обозначает отношение объема пермеата к объему подаваемой воды, а объем сброса концентрата — количество воды, сбрасываемой до пермеации. Поскольку объем подаваемой воды равен сумме объемов концентрата и пермеата, большой объем сброса концентрата приводит к малому коэффициенту извлечения. Для обеспечения нормальной работы системы ультрафильтрации необходимо задать минимальный объем сброса концентрата и максимальный коэффициент извлечения модуля.

В обычных проектах водоочистки коэффициент извлечения мембранных модулей с полыми волокнами составляет приблизительно 50-90%. Выбор зависит от различных факторов, включая состав и состояние исходного раствора, количество веществ, которые могут быть задержаны, толщину слоя загрязнения, образующегося на поверхности мембраны, и его влияние на скорость потока пермеата. Во многих случаях можно использовать более низкий коэффициент извлечения, при этом концентрат возвращается в систему подачи. Это увеличивает объем циркуляции, уменьшая толщину слоя загрязнения и, таким образом, повышая скорость потока пермеата, иногда без увеличения энергопотребления на единицу произведенного пермеата.

Д.

Рабочая температура: Проницаемость ультрафильтрационных мембран увеличивается с повышением температуры. Как правило, вязкость водных растворов уменьшается с повышением температуры, что снижает сопротивление потоку и, соответственно, увеличивает скорость проникновения. Фактическую температуру подаваемого раствора в месте работы следует учитывать при проектировании.

Особенно при сезонных изменениях следует учитывать регулирование температуры, если она слишком низкая; в противном случае скорость проникновения может изменяться примерно на 50% при изменении температуры. Кроме того, чрезмерно высокие температуры также повлияют на производительность мембраны. В нормальных условиях рабочая температура полых волоконных ультрафильтрационных мембран должна составлять 25±5℃. Если требуются более высокие температуры, можно выбрать термостойкие мембранные и оболочечные материалы.