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第 1 页 /共 11 页饮料生产中的超滤技术一、 超滤工作过程及特点(1)超滤是一种从溶液中分离出尺寸大小为 5nm~0.1μm 溶质的膜分离过程。其分离机理一般认为主要是机械筛分原理,同时也有吸附过程。(2)超滤过程如下在压力作用下,溶液中的溶剂及溶质的分子和离子可从高压侧通过超滤膜达到低压侧,从而得到的透过液,或称为超滤产水。尺寸比膜孔径大的溶质分子或微细悬浮物,细菌被膜截留下来,成浓缩液。(3)超滤特点①驱动压力低,一般为 0.5~1.5bar,不必考虑渗透压的影响 ;②超滤通常以截留(切割)相对分子量的大小来表征其分离能力,例如截留分子量(MWCO)>100000,即代表膜可以截留住92( 95)质量为 100000 道尔顿的溶质分子。截留分子量与膜孔径的关系如下截留相对分子量近似平均孔径(nm)对应的纯水渗透率(L/m 2·h)截留相对分子量近似平均孔径(nm)对应的纯水渗透率(L/m 2·H)500 2.1 9 30000 4.7 922000 2.4 15 50000 6.6 3055000 3.0 68 100000 11 100010000 3.8 60 300000 48 600※ 截留分子量越小,膜平均孔径也越小,单位膜面积膜的通水量也越低;※ 道尔顿原子质量单位,定义为碳酸原子量的 1/12。※1 微米(1μm)10 -6m,1 纳米(1nm)10 -9m※MWCOMolecular Weight Cut Off 第 2 页 /共 11 页(4) 过滤方式有死端过滤及错流过滤① 死端过滤进水的流动方向与膜表面垂直,这样的过滤方式称死端过滤,这种过滤方式,过滤污染物随时间增加迅速增厚,透过量下降。② 错流过滤(Cross flow)进水以切线方向流过膜面,在压力作用下通过膜,水中的颗粒则被膜截留面而停留在膜表面形成一层污染物,切向流过膜面的滤液在膜面产生的剪切力,将膜面的截留物带出超滤元件,从而减少透过量的下降。③ 死端过滤及错流过滤对比图死端过滤 错位过滤第 3 页 /共 11 页二、 中空纤维超滤膜组件中空纤维实际上是很细的管状膜,一般外径 0.5~2.0mm,内径 0.3~1.4mm。中空纤维组件是用几千甚至上万根中空纤维膜捆扎而成的,它有外压式和内压式两种内压式的进水在纤维管内流动,从管外壁收集透过水;外压式组件则相反,进水在管外壁流动,透过水从管内收集,在预处理系统中使用的是内压式超滤膜。内压式过滤可以使被膜截留的物质非常容易通过反洗,或第 4 页 /共 11 页者化学加强反洗去掉。而且由于进水不会与膜外表面接触,污垢不会在膜丝间堆积,若污垢在膜丝间堆积,要去除是不容易的。第 5 页 /共 11 页三、 超滤膜元件规格及参数1、 超滤膜元件规格组件型号 膜径直径(mm) 有效膜面积(m 2) 组件长度 (mm) 组件外径(mm)Purotec 0.8 40 1715 2202、 膜元件材料外壳 PVC膜径 改性亲水 PVC端面密封 环氧树脂3、 工艺参数膜典型工艺参数如下·运行压力 0.5~2.5 bar·运行压差 <1.5bar·反洗压力 <3bar·过滤水量(每支膜元件)2.4m 3/H~5.4 m 3/H·过滤周期30-60 分钟(依进水水质而定)·CEB 间隔1 小时~6 小时(依进水水质而定)·CEB 加药种类及浓度HClPH2(500ppm)Naclo 200ppm最大NaOH 500ppm最大·CEB--化学增强反洗四、 超滤产水水质·固体悬浮物 <0.5mg/L第 6 页 /共 11 页·浊度 <0.1NTU·细菌去除率 >4log·病毒去除率 >3log·SDI15 ≤3五、 超滤在反渗透预处理的应用1、超滤装置运行条件(1) 适当的操作压力超滤设备的运行压力在 0.5~2.5bar之间,开始运行时超滤膜进、出口压差(又称跨膜压差)仅为0.3bar 左右,随着膜元件的污染,压差逐步上升,要及时进行调整CEB 的整定值,控制跨膜压差。一旦跨膜压差达到 1.5bar,应停止超滤运行,进行彻底的化学清洗,否则会导致膜元件的永久损坏。在超滤膜运行中,随着压力的升高,透水通量上升,相应地截留的物质越来越多,水的阻力增大,反而引起透水速率衰减。此外微粒也易于进入膜孔道。因此,应尽量在低的压力下运行膜组件,以利长期通量的保持。第 7 页 /共 11 页(2) 温度,超滤膜元件进水温度必须低于 45℃,UF 系统设计是以 25℃为标准的,温度每下降 1℃,膜元件在同等压力下,通量大约下降 2。反之,温度上升,通量也增加。(3)进水的浊度、胶体超滤的进水浊度应少于 30NTU,否则超滤的负荷太重,导致反洗频繁,特别注意,对浊度指标反应不很敏感的胶体物质增多时,同样也增加了超滤运行的负荷,也应增强对 UF 进水的预处理。为了减轻滤膜的负担,延长膜的寿命,进水径过 100μm 的自清洗过滤器进行预过滤。六、 超滤膜的污染及清洗(一)超滤膜的污染在超滤运行中,膜的渗透速率随运行时间延长而降低,一旦滤液与膜接触,膜污染即开始。膜污染是指进水中的微粒、胶体粒子或其他溶质分子,在膜表面或膜孔内吸附沉积,造成膜孔径堵塞,使膜的透水量的下降。超滤膜的污染包括无机物(如 Caco3,Caso3 铁盐;无机胶体等)和有机物(如蛋白质、微生物、有机胶体及凝胶,腐蚀酸等)(二) 清洗方法1、 物理方法反冲洗采用洁净水(一般用超滤产水)在压力作用下,反向透过膜除去沉积在膜表面的污染物。反洗的流量按 200~300L/H·m 2 选择,对于每支膜面积为 40m3 的膜元件反洗流量为 8m3/H~12 m3/H,这种清洗方法的效果与污染性质有关;例如胶体沉积物及有机凝胶层的清洗效果就差一些。第 8 页 /共 11 页反洗压力不应超过厂商规定的值以下,一般控制在 2.5bar 以下。2、化学清洗当采用物理方法清洗不能使膜性能恢复时,必须采用化学药剂进行清洗,称化学清洗。(1) 化学清洗常用的清洗剂①酸,常用于清洗无机离子的沉淀物,如 Caco3,铁盐等,优先选用 HCL,轻度污染也可用柠檬酸;②碱用于脂肪、油类、蛋白质、多糖、细菌的污染,常用 NaOH;③氧化剂,用于细菌及有机污染,常用于 Naclo3、清洗方法(1)CEB 化学增强反洗水反洗时不能去除的污染物可以通过反洗过程中投加化学药品来去除,化学增强反洗时反洗泵的流量是正常水反洗的一半,化学药品加入到超滤膜中会有一个浸泡过程,使化学药品与膜表面的污染物充分反应、浸泡后通过水反洗,把剩余的化学药品及污染物冲掉。(2)CIP---原位化学清洗CIP 是停机的化学清洗,也是一种比 CEB 更彻底的化学清洗方法,具体操作参考操作手册。4、 运行周期超滤在两次清洗之间的使用时间称为运行周期,久穿的衣服,因太脏不易洗净,超滤也一样,若长时间使用不清洗,则污染太重,很难清洗干净。运行周期主要取决于进水水质,当进水中悬浮颗粒、有机物和微生物含量较高时,应缩短运行周期,提高清洗频率,跨膜压差和透水第 9 页 /共 11 页量的变化是膜污染的客观反映。所以,可以根据跨膜压差升高或透水通量下降的成都决定是否需要清洗。中空纤维超滤膜的物理清洗周期一般为 30-60min。5、 断丝现象大部分超滤设备采用中空纤维膜丝,在运行过程中发生微量断丝是常见的现象。断丝一般是由膜丝污堵,反冲力等多种原因引起的。一个元件装有上万根膜丝,少量的断丝不会立即影响水质,因此,运行中不易察觉。但是,一旦发现产水质量变化(由从 SDI15 变化观察) ,应迅速确定断丝的准确位置,以采取相应措施。断丝的处理一般是找出破损的膜丝,逐个封堵。如果断丝或被封堵的膜丝量增加到一定程度,则需要更换整个元件。附 SDI 测试膜技术中常采用污染指数(SDI) ,用来判断水中胶体和颗粒物质的多寡。这个方法比浊度测定更能反映水质情况,它已经被膜行业普遍接收和认可,是超滤产水及反渗透预处理系统中必须检测的重要指标。反渗透膜的设计导则要求进水的 SDI≤5。而超滤系统正常的产水 SDI<3。SDI 是在 2.1Kg/cm230psi的给水压力下,单位时间与单位面积内0.45μm 特定滤膜被污堵的百分率。测定方法如下将 SDI 测试装置如图组装第 10 页 /共 11 页(a) 将 SDI 测试装置与测试点连接(测试点应是压力稳定) ;(b) 将微滤膜片装入测试过滤器并将给水的压力稳定在2.1Kg/cm230psi之内,注意将膜片争相平展至于测试仪内,用少量净水将膜片完全湿融,不容许有气泡寻在于膜片与测试仪之间,以免影响测试效果。(c) 在过滤器下放置一只 500ml 量筒,准备收集过滤水;(d) 开阀门,测定收集 500ml 水样所需时间 Ti,并使水继续流;(e) 15 分钟后,再测定收集 500ml 水样所需时间 Tf;如果收集100ml 水样的时间超过 60 秒,则表明膜面被污堵,无需再继续进行测试;关闭阀门,将测试过滤器中的膜片取出以便进一步的分析;计算公式SDI [1- ] ???????? 10015例如收集第一个 500ml 水样时间为 35 秒,即 Ti35 秒。经15min 收集第二个 500ml 水样时间为 65 秒 Tf,即 Tf60 秒
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