[发明专利]改进膜过滤过程的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于化学工程领域，涉及改进过滤过程，特别是改进膜过滤过程的方法和装置。

背景技术

膜过滤，例如微滤、超滤和纳滤，是当前流体分离过程中最常用和最重要的方法之一。当含有溶剂和溶解或分散在溶剂中的颗粒或大分子物质等的溶液以切向流的方式在一定的压力下从多孔膜的端流向另一端时，溶剂分子因足够小而可通过膜的孔道，而大分子和颗粒因太大而不能通过膜孔道，因而被截留。特别地，当待处理的液体较为污浊且难以以切向流方式流动时，可采用“垂直流过滤”的方式进行处理。对于上述过程中使用的膜材料可由多种材料制备，包括多组分聚合物、陶瓷或金属，同时所述膜材料可包含多个膜层。所述膜材料亦可有不同的几何形状，包括不同直径和长度的膜管、方形或圆形膜板以及弧形膜板。

根据分离要求和过程不同，膜的孔径大小有所差别。微滤膜孔径为3-0.2毫米，超滤膜孔径为0.3毫米—2-5纳米，而纳滤膜孔径为0.8-5纳米。但根据不同的分离过程，膜孔径大小范围已有重叠。

在压力的作用下，溶剂分子可通过膜孔径，而大粒径的粒子以及溶解在溶剂中的大分子物质被截留。在大多是情况下，溶剂是水，但本领域熟知的大多数有机溶剂亦可采用类似的分离和处理过程。

膜分离过程中根据分离要求和过程特点不同，所采用的压力不同。微滤过程中压力在0.3bar-5bar，而超滤和纳滤过程中压力可高达30bar。

随着溶剂分子在压差推动作用下通过膜孔，颗粒或溶解的大分子物质被截留。随着分离过程的进行，这些颗粒和大分子物质会富集在膜表面，形成一层沉积层。最终膜通量以及膜分离的特性将不是由起初的膜材料及其膜孔决定，而是由这层富集在膜表面的沉积层决定。随着分离时间增加，膜通量降低，最终变为0.

这种由被截留物质富集在膜表面形成的沉积层可通过增加膜进料端的切向流率来降低其形成。但在实际应用中，这种操作具有局限性。增加进料流速将增大压力损失和增加电泵功耗，使得膜分离操作成本增加而不具有经济可行性。此外，提高进料流速起初会增加膜通量，但同时也加快了截留物质的沉积，加速沉积层的形成，膜通量下降的速率也随之加快。这种由于沉积层的形成导致膜通量降低和分离特性变化的现象即称为膜污染。

有很多种方法可以清除膜表面的沉积层以恢复膜通量和分离特性。这些方法包括采用不同化学试剂清洗膜表面，或者通过机械方法，例如搅拌，来避免污染层的形成，或通过采用膜表面可在其中旋转的设备在切向流中产生二次流，或者在进料室内采用超声振荡。

US2008/0257822公开了一种膜材料的清洗方法，包括暂停过滤操作；往膜表面通气清除污染物；开启过滤操作同时暂停进料泵入进料罐；再次暂停过滤操作并对污染物进行清洗；从进料罐中除去含有清除的污染物的液体；重新开始过滤操作等步骤。

US2007/0034570公开了另一种从膜进料表面清除污染层的方法，所述方法是通过连续或间歇地往膜进料口通入二氧化氯实现的。所述方法要求特别适用于除去生物膜和生物污染层。二氧化氯可能会通过膜进入渗透液中，或者如果是间歇操作，二氧化氯会被带入其它罐中。

US2011/0067737公开了一种连续测量跨膜压力损失的方法。当实际压力损失与初始压力损失之比为小于1.2时，在膜进料端采用气液混合物进行冲洗。当该比例大于1.2时，改变物流流向，并从膜的另一侧通入气液混合物清洗膜。当该比例更大时则添加清洁剂以清洗膜表面。

现有的方法不仅要求复杂的设备，而且在清洗过程中需要停止膜过滤操作。添加的清洗剂会污染料液和设备。因此有必要对膜过滤过程进行改进，在不影响膜过滤过程的正常运行前提下，来提高膜通量的稳定性和降低清洗频率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进膜过滤过程的方法和装置，所述方法避免了使用复杂的设备，在不干扰正常的过滤过程的前提下除去和控制污染层。

本发明公开了一种有效地除去和控制膜过滤过程中形成的二次污染层的方法和装置。根据本发明的实施例，所述方法只需在已有的膜过滤装置上进行适当改进，即可显著地改善膜通量。

一方面，根据本发明的实施例，本发明提供了改进膜过滤过程的方法，其包括以下步骤：1）在膜过滤操作压力下使膜的进料液侧保持进料液连续切向流过；2）迅速停止渗透液流出，同时在渗透液侧施加压力脉冲使渗透液瞬间反冲，并维持该压力脉冲的最大压力；3）降低渗透液侧的压力，使渗透液恢复流动。