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一.膜清洗的重要性:
在食品工业、生化、制药、石化工业、电力、造纸、海水淡化、水处理等行业中各种膜分离技术应用广泛,主要在根据物质分子量大小进行分离,脱盐,脱色,油水分离等工艺步骤中应用,代替传统的离子交换设备、离心设备、真空浓缩等。膜的清洗工艺对于膜分离工艺步骤的生产效率和生产成本有很重要的影响,其中清洗工艺性能是其重要的因素之一。
然而由于膜污染后的再生技术与高速发展的膜分离技术过程处理的严重不匹配,使得膜技术的应用受到了一定的制约与挑战。而大多数的膜技术推广者和使用者还未意识到膜处理工艺设计 化与膜清洗的重要性。甚至在许多膜工程项目的初期论证和可研报告中对此提及很少。部分膜材料供应商和工程公司在膜清洗部分对于不同截留物、不同分离工艺、不同膜材料、不同操作参数条件下,均推荐极为简单的工业酸碱(HCl、NaOH)反复清洗,使得膜使用效率和寿命大为降低。
不重视膜清洗工艺对膜系统的作用,通常都会导致:系统实际处理效能低、综合运行成本高、膜通量衰减快、两次清洗间截留效果不稳定, 导致用户对膜工艺丧失信心。
膜分离过程中,膜的污染不可避免,而决定清洗工艺的大量参数如:截留物性质、温度、时间、机械力、清洗剂、水质条件、分离工艺设计、膜材料等,在推荐使用之前均需要优化,这也是膜的推广使用中,最需要重视的步骤。如何降低膜的污染、延长膜的寿命是膜工艺的重大课题,是膜工艺的核心问题。
二.膜清洗的现状:
膜清洗工艺受到至少七种以上的因素直接影响,而其中大多数因素对清洗效果的影响并非完全正相关,换而言之,传统理解中清洗因素的简单加强可能会造成清洗效果的下降,有些时候造成的负面影响是不可逆转的。因此膜清洗工艺是整个膜分离工艺中受影响 的部分,也是最复杂、最系统的部分。目前在膜推广、使用过程中,无论是研究设计机构、膜材料公司、设备工程公司、调试安装公司还是最终使用者,对于膜清洗均没有足够重视,具体表现在:
1: 目前多数膜分离的设备上没有配备相应的膜清洗专业装置与模块,没有提供给客户有针对性的清洗参数,为后续膜清洗工作的实施造成了巨大的障碍。
2: 多数膜推广者在清洗工艺中,对所有行业、所有膜工艺中面对千差万别的截留物、水质条件、操作压力等等因素均千篇一律的推荐完全相同的清洗工艺。
3: 许多最终使用者当膜分离设备的清洗效果不理想时,首先强化清洗参数,增加温度、酸碱浓度、增加清洗时间和清洗频率等等,但是往往有些造成通量下降的主要因素正是这些貌似对清洗有利的参数和化学品。
4: 部分膜材料公司把新材料的创新与研发的方向定位于:pH更加宽泛的耐受材料;温度、压力耐受更加高的材料等,以体现其膜能够耐受更强的清洗条件,问题在于更强的清洗条件未必带来更好的清洗效果。
 

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清洗实例

新型工业分离技术最初的发展来自于分子生物学领域的纯化试验步骤,即分子筛作用。分子筛对于待滤液的要求比较高,待滤液中的物质相对单一,分子量不同的物质数量约35种,每一种物质的理化特性在试验步骤设计中均有详细的考察和论证,膜清洗和再生的方案也需仔细论证。随着新型工业分离技术在传统行业应用的范围越来越广,工艺设计的相对粗犷,导致目前工业分离技术的发展遇到了较大的阻力,一方面:分离方案设计过程简化,缺少严密的待滤液分析论证、以及膜上物和膜材料之间的兼容论证,另一方面:相当部分的膜工程公司为了在项目投标中胜出,故意压低设备的运行成本,错误地引导客户使用原始的酸碱进行清洗,用延长清洗时间,增加清洗温度来弥补清洗剂的缺陷,造成膜寿命缩短,膜利用率下降。合理、经济的膜清洗再生工艺,对于工厂来说有可能意味着年均上亿的综合成本节约。以下为克林山尼的部分清洗优化业绩。

1.某大型果品生产企业每年更换使用100多只超滤膜,对产品进行过滤浓缩,以降低产品中的杂质含量。但是由于企业对膜清洗工艺不了解,膜系统参数设置不合理,导致膜通量下降很快,榨季末期的膜面积相当于原设计膜面积的1/3,严重影响了企业的正常日均产量。在生产旺季更换膜组件耗费的时间、人力成本均较高。经过与厂家良好的沟通,提出工艺改进方案:1、改进膜系统再生工艺,使用专用清洗剂,缩短清洗时间;2、膜清洗后增加消毒工艺,有效抑制菌膜对有效膜面积造成的损失;3、优化清洗参数。使得膜系统运行平稳,经济效益十分显著。

2.某生物制药企业使用××只卷式纳滤膜纯化某种糖蛋白,由于客户使用软化水清洗,未能注意到待滤液以及膜上物中的部分金属离子的存在,长期使用工业碱中温清洗,造成金属碳酸盐晶体结构严重堵塞膜孔,膜系统压差很高,膜面积下降,膜面积年均下降约9.14%。针对这种情况,在经过和厂家良好的沟通基础上,新安装的膜系统采用了合理的膜清洗剂和清洗工艺,在清洗过程中有效抑制金属碳酸盐的形成,使用两年,至今通量维持在原设计通量的95%左右。

3.东北某大型石油炼化厂使用超滤膜系统进行油水分离,系统安装后发现膜的膜寿命很短,通量下降较快,运行成本很高。通过了解情况,确定原因是膜上物含油量较高,该厂长期使用活性碱浓度超过8.0%、硝酸13%的清洗工艺,膜断丝率较高。因此,制定解决方案:改用活性碱浓度约0.8%的复合清洗剂 ,同时制定合理的清洗工艺。使得膜使用寿命得到延长。

 

图中为报废膜片,可以看到膜面破坏严重,局部膜面已经呈半透明状

4.某公司水处理车间的反渗透系统的设计能力为 60m3 /h,采用一级两段74排列。该系统于20055月投入使用以来从未清洗,产水量到20065月时,已经降低50%以上。

海克林山尼通过现场分析和水质分析后,提出了针对该系统的清洗方案,并于20066月对该膜系统进行了恢复性清洗,水质分析和清洗结果如下:

清洗前后对比

参数

清洗前

清洗后

1段进水侧压力(MPa

1.17

1.17

1段浓水侧(MPa

0.95

0.95

2段浓水侧(MPa

0.74

0.74

产水量(m3/h

28.7

58.6

产水电导率(%)

38.2

20.7

脱盐率(%)

97.5

98.8

水温

25

25.2

水质(原水/预处理后水)

指标

原水

预处理后水

SDI15

9

0.4~0.6

浊度(NTU

3.1

1.1

TOCmg/L

4.56

4.12

COD(mg/L)

15

10

BOD(mg/L)

8

5

 

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