一种提高膜分离过程效率的方法
一种提高膜分离过程效率的方法 发明领域
[0001] 本发明属于膜分离领域，涉及一种提高膜分离过程效率的方法。
背景技术
[0002] 在传统的膜分离过程中，料液从膜组件的进料口进，出料口出。在长时间的膜过滤 过程中，由浓差极化、膜面吸附、粒子沉积以及溶质与膜面之间的静电效应所导致的膜污染 不可避免。膜污染对膜分离过程的影响轻则造成膜通量衰减，膜分离效率低下，重则对膜的 性能产生不可逆的破坏，缩短膜的使用寿命，从而增加膜的操作和维护费用。因此，如何降 低和调控膜分离过程中的污染是膜技术成功应用的关键。
[0003] 目前，国内外报道的对膜污染的调控主要包括以下两方面：第一是通过优化操作 条件（操作压力、进料速度及湍流程度）、膜类型（膜材料、膜表面性能和粗糙度、孔径大小 和分布以及膜结构等）、料液性能（浓度、pH)和增加适当的预处理（离心、过滤）步骤等方 法减轻膜污染对膜分离效率的影响；第二是发展先进的膜污染控制技术，如气-液两相流 (Gassparging),周期性反洗（Back-flushing)和脉冲反洗（Back-pulsing)等。
[0004] 反洗技术已广泛应用于膜分离过程，它是通过采用气体、液体等作为反洗介质， 给膜管施加反向作用力，使部分膜表面及膜孔内所吸附的污染物脱离分离膜，从而使通量 得以恢复的一种方法，但它操作控制技术复杂，并引入其它反洗介质，同时对膜有潜在的损 害，缩短膜的使用寿命。我们的研宄发现，通过周期性开启和关闭透过液阀门，同时增大截 留液侧阀门，使料液大流量周期性脉冲冲刷膜表面，也可取得类似反洗的效果，而不必引入 外来反洗介质，并避免了常规反洗技术可能对膜产生的损害。这种采用原料液本身周期性 脉冲冲刷膜表面的方法操作简单，适用于各种膜组件和膜过程，易于工业化应用。另一方 面，通过交替地改变原料液在膜面的流动方向，利用系统流体力学优化控制亦可降低膜污 染，实现膜过程的高效运行。其原理是原料液从膜组件进料口进入，回流浓缩液从出料口流 出。这时，进料口端压力高，膜的进料口端因过滤速度快，污染逐渐加重，而回流浓缩液出口 压力则较低，相应的膜污染较轻。当过滤进行一段时间以后，通过阀门切换，原液和回流浓 缩液的方向进行倒换。原液从污染较轻的出料口进入，出料口端压力高，过滤主要在出料 口端进行，进料口端压力较低，回流浓缩液迅速通过，对污染较重的进料口端膜表面进行冲 刷，污染物脱落，膜的性能得以恢复。通过周期性切换阀门使膜组件料液进口循环变换，在 过滤的同时对膜面进行更有效的冲刷清洗，使膜一直在更好的状态下工作。这种料液换向 流动技术操作简便，可用于多种膜分离系统。本发明提出一种周期性换向-脉冲冲刷技术 来降低微滤、超滤和纳滤分离过程中膜污染，可显著提高膜过滤效率，取得了良好的结果。
发明内容
[0005] 本发明目的在于在常规错流膜分离设备及操作工艺的基础上提供一种提高膜分 离过程效率的方法，以使膜分离设备的过滤效率得到提高。
[0006] 本发明的技术要点在常规错流膜分离设备及操作工艺的基础上，通过设计适宜的 管路和阀门，采用周期换向-脉冲冲刷方法减轻膜污染，即在膜过滤过程中，每隔0. 6-4h， 周期性交替改变膜组件原料液进出口从而交替改变料液在膜面的流动方向。同时，周期性 关闭透过液侧阀门并加大料液循环速度使料液以高流速冲刷膜表面，维持一定时间后，透 过液侧阀门和截留液侧阀门复位，恢复膜过滤操作。料液换向和脉冲冲刷两种操作各自独 立进行，实际运行中，两种动作冲突时，料液换向操作优先于脉冲冲刷操作。
[0007] 本发明所述的膜分离过程包括微滤、超滤和纳滤；适宜的膜组件形式包括宽流道 卷式膜、管式或中空纤维有机膜组件或管式无机膜组件。
[0008] 本发明所述的周期性关闭透过液侧阀门并加大料液循环速度的操作方式是每 隔10-60min关闭透过液侧阀门并调节截留液侧阀门使料液大流量通过膜组件循环，维持 l-10min后，透过液侧阀门和截留液侧阀门复位，恢复膜过滤操作。
[0009] 本发明提供的周期性换向-脉冲冲刷方法具有如下突出特点和优势：
[0010] 1、操作方便，简单易行；
[0011] 2、与常规膜过程相比，高效低耗。本方法能使膜组件以较高的通量下长时间运行， 降低膜清洗频繁，减少了清洗剂的使用，提高了膜分离效率；而且料液周期性换向和脉冲冲 刷过程中所需能耗低；
[0012] 2、无需反洗，避免了反洗带来外来清洗介质及可能损害膜的问题。
[0013] 表1比较了分别采用常规错流、换向流以及本发明所述周期性换向-脉冲冲刷技 术时多种物料的膜过滤效率。
附图说明
[0014] 图1是膜分离工艺流程示意图。
[0015] 附图标记
[0016] 1.储料罐2.阀门3.进料泵4.阀门5.阀门6.膜组件7.阀门8.阀门9.
[0017] 表1常规错流、换向流和周期性换向-脉冲冲刷技术过滤效率比较
[0018]
[0019] 阀门10.阀门11.阀门12.透过液流量计13.透过液储罐14.截留液流量计 15.浓液储罐
具体实施方式
[0020] 下面结合实施例对本发明做进一步说明，本发明所涉及的主题保护范围并非仅限 于这些实施例。
[0021] 实施例1 :参见图1，一种提高膜过程分离效率的方法。以醋胚发酵液为原料液，用 上述方法进行超滤澄清，步骤如下：
[0022] (1)开启阀门 2、4、8、10 和 11。
[0023] (2)开启进料泵3，储料灌中的醋胚发酵液被泵入截留分子量为50000道尔顿的宽 流道卷式聚酰胺超滤组件6,调节阀门8,使超滤膜的跨膜压力为0. 2MPa。
[0024] (3)每隔0.5小时，开启阀门5和7,关闭阀门4和8,改变料液流经膜组件的方向， 即进入换向流模式。
[0025] (4)同时在膜过滤的过程中，每隔lOmin，使阀门8或7(换向流模式时）和9处于 全开状态，同时关闭阀门10和11，使料液大流量冲刷膜表面，维持lmin后，阀门复位，进行 膜过滤操作。必要时微调阀门8或7 (换向流模式时），使跨膜压力保持在0. 2MPa以保证膜 过滤操作按要求进行。
[0026] (5)如此反复操作直至超滤8h后停止。与常规的连续超滤过程相比，这种周期换 向-脉冲冲刷操作能使平均渗透通量提高32%。
[0027] 实施例2:采用与实施例1相同的装置，以醋胚发酵液为原料液，用上述方法进行 超滤澄清，步骤如下：
[0028] (1)开启阀门 2、4、8、10 和 11。
[0029] (2)开启进料泵3，储料灌中的醋胚发酵液被泵入截留分子量为50000道尔顿的中 空纤维聚酰胺超滤组件6,调节阀门8,使超滤膜的跨膜压力为0. 3MPa。
[0030] (3)每隔1小时，开启阀门5和7,关闭阀门4和8,改变料液流经膜组件的方向，即 进入换向流模式。
[0031] (4)同时在膜过滤的过程中，每隔30min，使阀门8或7(换向流模式时）和9处于 全开状态，同时关闭阀门10和11，使料液大流量冲刷膜表面，维持5min后，阀门复位，进行 膜过滤操作。必要时微调阀门8或7 (换向流模式时），使跨膜压力保持在0. 3MPa以保证膜 过滤操作按要求进行。
[0032] (5)如此反复操作直至超滤8h后停止。与常规的连续超滤过程相比，这种周期换 向-脉冲冲刷操作能使平均渗透通量提高23%。
[0033] 实施例3:采用与实施例1相同的装置，以乳清为原料液，用上述方法进行纳滤浓 缩，步骤如下：
[0034] (1)开启阀门 2、4、8、10 和 11。
[0035] (2)开启进料泵3,储料灌中的乳清被泵入截留分子量为300道尔顿的卷式聚丙烯 酰胺纳滤组件6,调节阀门8,使超滤膜的跨膜压力为1. 5MPa。
[0036] (3)每隔4小时，开启阀门5和7,关闭阀门4和8,改变料液流经膜组件的方向，即 进入换向流模式。
[0037] (4)同时在膜过滤的过程中，每隔60min，使阀门8或7(换向流模式时）和9处于 全开状态，同时关闭阀门10和11，使料液大流量冲刷膜表面，维持lOmin后，阀门复位，进行 膜过滤操作。必要时微调阀门8或7 (换向流模式时），使跨膜压力保持在1. 5MPa以保证膜 过滤操作按要求进行。
[0038] (5)如此反复操作直至纳滤8h后停止。与常规的连续纳滤过程相比，这种周期换 向-脉冲冲刷操作能使平均渗透通量提高15%。
[0039] 实施例4:采用与实施例1相同的装置，以酱油生抽为原料液，用上述方法进行微 滤澄清，步骤如下：
[0040] (1)开启阀门 2、4、8、10 和 11。
[0041] (2)开启进料泵3,储料灌中的酱油生抽被泵入0.02ym的管式无机陶瓷膜组件6， 调节阀门8,使微滤膜的跨膜压力为0.lOMPa。
[0042] (3)每隔1小时，开启阀门5和7,关闭阀门4和8,改变料液流经膜组件的方向，即 进入换向流模式。
[0043] (4)同时在膜过滤的过程中，每隔20min，使阀门8或7(换向流模式时）和9处于 全开状态，同时关闭阀门10和11，使料液大流量冲刷膜表面，维持2min后，阀门复位，进行 膜过滤操作。必要时微调阀门8或7(换向流模式时），使跨膜压力保持在0.lOMPa以保证 膜过滤操作按要求进行。
[0044] (5)如此反复操作直至微滤8h后停止。与常规的连续微滤过程相比，这种周期换 向-脉冲冲刷操作能使平均渗透通量提高28%。