膜过滤应用的手册簿簿

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1、word膜过滤应用手册实践技巧和提示2000年6月介绍这是膜过滤应用手册第二版。为了提高这本手册的应用价值，新增了预处理、自动控制和泵的描述。这本手册是在膜过滤领域许多年实践的产物，它也是一个信息的综合。目的是提供一些常见问题的信息，为初步介入膜过滤领域的新人提供一些帮助，回答一些问题。这本书对已从事膜设备设计与建设的工程师和在已建工厂工作的工程师都能提供许多有用的信息。同时对膜系统的设计和操作的学习也有较大的帮助。本书提供的信息相对于理论计算和思索，更多的是实践经验。因此，它并不是技术学院里的一本传统的教科书。虽然书中没有太多的数学计算，但它对于工业和学术应用都是非常有用的，因为它含有膜过滤

2、领域许多“老到的经验，即使对于业内行家而言，它也并不是一本出版物而已。这本手册并不适用于那些纯粹的初学者，因为书中对膜和膜技术的描述比拟具体，而简略了一些根底的膜和化学知识。本书中大多数的实例是基于平板膜DDS板框系统和卷式膜组件(DESAL)。卷式膜组件占了世界大多数的销售市场份额，而纤维膜系统、陶瓷膜系统和管式膜系统分享的市场份额如此相当小。由于他们在领域的地位，在2000年以前纤维膜系统、陶瓷膜系统和管式膜系统想成为市场主导的机会极小。因此在本书关于他们的信息比拟少。在当今时代，膜正在被努力推广，但还未被消费者熟知，因为膜一般都隐藏在整个工业系统中。有些行业依靠膜生产一些根底的产品，有些

3、如此利用膜解决一些复杂的别离过程，另一些如此用膜达到一些环保的标准。膜就象计算机一样：很少人理解它们，而只有一些人喜欢它们，但是我们都需要它们。即使我们不喜欢它们，但我们知道它们可以使生活更简便和舒适。开发高效、完好、经济的膜来处理各种液体包括废水的工作已进展35年。但是对于如何让人们普遍了解建设和操作一个膜工厂的工作还有很长的路要走。希望本书能帮助防止许多以往很容易的犯的错误。同时我要真心感谢Bjame Nicolaisen提供的许多宝贵的技术上和语言上意见和建议，同时感谢我的妻子作为我的同事参与了许多技术问题的讨论。同时也感谢以不同方式参与本书的其它朋友！Jorgen Wagner专业名词

4、解释与约定表1、专业名词解释与约定ATD反套装置，可以防止卷式膜由于液体流动的X力而压缩。CA醋酸纤维素，一般有二价或三价醋酸。CIP清洗装置。在不拆除的情况下清洗系统。Concentrate(浓水)流经系统但不通过膜的液体的体积。可解释为进水不透过局部，也可称为盐水、废弃物或在渗析过程中未通过半透膜而保存下来的滞留物。Feed(进水)进入膜系统的液体的体积。Flow(流量)一般指流经膜外表的液体的体积。Lph升/小时Gpm加仑/分钟Gpd加仑/天Flux,water(水通量)在特定条件的水的通量。在反渗透系统中水通量有特定的意义，而在其它的膜系统中，它只用来指示膜是干净的，运行良好。Flux

5、(通量)每单位面积、时间渗透的体积。Lmh升/平方米.小时：lmh=gfd*1,7 (基于US加仑)gfd加仑/平方英尺.天：gfd=lmh/1.7 (基于US加仑)Gallon(加仑)HF超过滤;反渗透(RO)的另一名称.HMWC大分子组分,如蛋白分子.Housing(膜壳)安装卷式膜组件或其它类型膜膜元的膜过滤设备，也指压力容器IC内部接头，用于连接两个卷式膜组件。Langelier index(见SDSI.)如果指标是正值，如此可能指CaCO3比例。如果指标是负值，如此不可能指CaCO3比例。MWCO切割值分子量切割被称为道尔顿值，意味着超过MWCO的90%的分子量将被截留。对于反渗透，

6、MWCO有一个清楚的定义，但随着其值越高，它的含义和值越模糊。它和测试的膜的类型有关，对微滤如此没有意义。PAN聚丙烯腈Permeate(透过液)透过膜的液体的体积也可称滤液ppm每百万分子一。严格的讲，为每1000毫克溶液的毫克溶质。与mg/l相当。Pressure,average(平均压力)平均压力，P进水+P浓水/2Pressure,average(平均压力) NDP平均净驱动压力是驱动液体通过膜的可用压力。P进水+P浓水/2P透过液H浓水H透过液Pressure drop(压降)膜系统、膜壳压力容器或膜组件进出口的压力损失进水压力进水泵的压力(标准说法)或在循环系统中进口至膜室的压力渗

7、透压事实上是理论值。渗透压是盐含量和其它小分子量溶质的函数。理论上大分子量组分不产生渗透压，但实际现象却象渗透压。电解液和小分子组分的渗透压可以比拟准确地计算，但大分子量组分的“渗透压只能根据经验来定。渗透压一般写成PI或，=I*n*R*T压力单位PSI(磅/平方英寸)：14.5PSI=1barBar: 1bar=0.1mPa=100kPaPS(PSO) 聚砜(聚醚砜或聚芳香醚砜)PVDF聚偏二氟乙烯Rentate(滞留物)浓液的另一种名称SDSI索引Stiff和David饱和度索引。同Langelier索引，但用于高盐度水。见Langelier索引TFC,TFM复合薄膜的缩写THM三卤甲烷。

8、未说明其化学特性的一些化学组分，同卤素反响如氯生成有机基质，如腐殖酸。它们被认为是致癌物质。TMP传导膜压。见平均压力TSTDS总固体；溶解性和悬浮固体的总和。总溶解性固体。以上值可表示为：mg/l，ppm或%四种膜过程反渗透RO是液体/液体别离过程中最可能使用的膜别离过程。原如此上水是唯一通过膜的物质；特别是所有的溶解和悬浮的物质被截留。有时一些开放类型的RO膜和纳滤NF膜会产生混淆。真正的纳滤只截留超过一价的负电荷离子，如硫酸盐、磷酸盐,而能通过单价的负离子。根据分子的大小和形状，纳滤也能截留不带电荷、溶解性物质和正电荷离子。纳滤对氯化纳050的截留率主要决定于进水的浓度。而“宽松的反渗透

9、是一种减少了盐截留率的反渗透膜。由于盐截留率的减少可以降低压力和能耗，因此在有些项目上也是可以被承受的。超滤(UF)是大分子量组分(HMWC)，如蛋白质、悬浮固体被截留，而所有的小分子量组分自由通过膜的过程。因此，单价和二价的糖类、盐、氨基酸、有机物、无机酸或氢氧化纳都不能通过。微滤(MF)过程理论上只有悬浮固体被截留，而其它甚至蛋白质都可以自由通过膜。但是实际情况和理想状态有一定的差距。下表是对以上内容的总结。表二四种膜过程的比拟反渗透RO纳滤NF超滤UF微滤MF膜类型非对称膜非对称膜非对称膜对称膜非对称膜厚度薄膜厚度150m1m150m1m150250m1m10150m孔径0,002m0,

10、002m0,20,02m40,02m截流组分HMWC，LMWC氯化纳葡萄糖氨基酸HMWC单糖、多糖和多聚糖、多价负离子小分子组分，蛋白质，多糖，病毒颗粒，粘土，细菌膜材质醋酸纤维素(CA),薄膜醋酸纤维素(CA),薄膜陶瓷，聚砜(PSO),聚偏二氟乙烯(PVDF),醋酸纤维素(CA),薄膜陶瓷，聚丙烯(PP),聚偏二氟乙烯(PVDF)膜组件类型管式，卷式,板框式管式，卷式,板框式管式，中空纤维，卷式,板框式管式，中空纤维操作压力bar151505351102产品和膜过程许多产品使用膜来处理，但已销售的80以上的膜用于水的脱盐处理。剩余的局部20.5%被用于乳制品的处理，其余被用于各种液体的处理

11、。其中某些液体属于废弃的产品，而某些如此是非常贵重的只要产物。表3列出了一些典型的应用，阴影局部代表主要的产物。注意：透过液和浓水都可以是需要的产物，而可以同时成为产物。表3 某些产物的膜过程类型透过液浓水RO染色工艺排水洁净水BOD，盐，化学品，废弃产品纯水低盐水含盐水乳清低BOD透过液乳清浓水NF抗生素含盐废弃物脱盐浓缩抗生素染色工艺排水澄清含盐水BOD/COD，色素纯水软化水废弃物乳清含盐废水脱盐的乳清浓缩液UF抗生素澄清的发酵肉汤废弃物生物废气用于交换的澄清液可循环的微生物胶废弃物浓缩胶酶废弃物高价值产品牛奶乳糖溶液用于奶酪产品的蛋白质浓缩液乳化油含油水(游离油10ppm)高度浓缩的乳

12、化油洗涤废水清水脏水(废弃物)纯水清水废弃物乳清乳糖溶液乳清蛋白浓缩液黄原胶废弃物浓缩黄原胶膜的材料、结构和使用限制膜材料在商务上由不同供货商提供的膜的选择方案看起来令人迷惑，因为许多材料都可以用来做膜，而它们又有许多商务名称，实际上，真正使用的材质很少，并且大多数销售和使用的膜只是一些很根本的类型。 整膜醋酸纤维素(CA)是“最初的膜，被用作RO、NF和UF应用。这种材料有一些缺陷，特别是针对于pH和温度。CA其主要的优点是低价，以与由于它的亲水性使其不易阻塞污染。如今还有一些“顽固的用户坚持购置“同样的膜直到最后，他们坚持使用CA膜是因为它们还可以工作，但实际上CA膜的弱点是它们易被微生物

13、吞噬。聚砜(PSO)自从1975年以来已被广泛应用于UF和MF膜。PSO的主要优点是它良好的耐温和耐pH能力。实际上在食品和乳制品行业中，聚砜是唯一被大量使用的膜材料。原如此上，聚砜(PSO)膜不能抗油、油脂、脂肪和两极溶剂。然而，也有一种亲水类型的聚砜膜能违反此原如此，在乳化油行业应用良好。聚偏二氟乙烯(PVDF)是一种传统的膜材料，但是它并未被广泛使用，因为它很难使膜具有良好且稳定的别离特性。它的主要优点是其高度的抗碳氢化合物和氧化环境的能力。 复合膜也称薄膜复合膜，它一般被缩写为TFC和TFM，被用来代替醋酸纤维RO膜。其主要的优点是同时具有较高的通量和很高的盐截留率，用复合RO膜氯化钠

14、的截留率一般可达99.5%。它们也有好的抗温度和pH的能力，但不能耐氧化环境。复合膜有二层和三层的设计，但所有的都有准确的组分。一般来讲，一种薄膜复合膜由一个PSO(聚砜)膜作为其非常薄的外表层的支撑，在PSO超滤膜的外表层是一种聚合物。而三层设计如此在PSO支撑膜的上部有二层薄膜。大约在1980年，Film Tec主导了二层膜设计的市场，并很快成为水脱盐处理的行业标准，直到现在这种类型的膜都占领了水脱盐处理的市场。多年以来膜已有了很大的开展，但根底设计没有改变，如今已有好几家公司制造这种类型的膜。二十世纪八十年代中期，Desal开始进展三层复合膜的设计。在水脱盐处理方面这种膜很难和二层竞争，

15、但在工业别离领域被证明可以工作得更好。三层膜更稳定，更不易阻塞污染。它们一般用于RO和NF，对于处理许多较难的别离过程，也是最优的选择。Desal是唯一生产三层复合膜的制造商。以下是根据膜的外表积来划分的全世界膜的消耗量。复合RO膜 85复合NF膜 35聚砜UF和MF膜 57其它膜 35“其它膜包括聚丙烯(PAN)、陶瓷材料(SiO2)和纤维素(水解醋酸纤维素)等。膜材料的选择对于一个给定的别离过程选择适宜的膜和膜材料是比拟困难的，为了作出适宜的选择必须先提供一些有关别离过程环境的概要信息。第一步现确定可取的过程(RO、NF、UF或MF)和适用的膜材料。可以选择对于过程环境最适合的膜材料。表2

16、(四种膜过程的比拟)，表3(产品和过程)以与表4(一些膜材料的抗化学品性能)可能对膜的选择有些帮助。表4 一些膜材料的抗化学性能复合膜CAPSOPVDFPANSiO2纤维素3Ph8Ph8温度35腐殖酸()()蛋白质()()()多糖()()纺织品()脂肪族烃()芳香烃()氧化剂()()()酮，酯()酒精表示基于理论的信息或在实践应用中有不确定性。除了已经应用的案例外，膜材料的选择是比拟困难的，因为可以考虑的往往不止一种材料。按一般原如此，对于一个别离过程只有通过良好的计划和成功的试验才能为膜的选择提供最优方案。PH和温度耐受力在“膜材料局部已讨论了不同的材料的pH耐受力。当确定一个膜过程的时候，

17、仅仅考虑膜材料是不够的。膜有好多种构型(板框式、管式、卷式等)。同一个膜系统包括许多其它的组件，它们都有严格的pH限制。许多膜供货商规定的pH限制实际上是存在于整个膜系统中的限制，而不只是膜本身，在整个系统中耐受力最差的材料决定了整个系统的pH限定X围。目前主要的膜类型是卷式膜组件，虽然以下的说法对所有膜类型都适用，但我们还是以卷式膜为例。通常膜外表的衬背材料是一个限制因素。目前使用最广泛的衬背材料是聚酯(PE)。它具有非常良好的温度稳定性，但受限于高pH环境。因此，许多膜说明书中列出了最高pH 11.5的限制。然而，许多膜可以以聚丙烯(PP)作为衬背，它具有非常良好的pH稳定性，但温度受限制

18、，会给膜产品带来麻烦。因此我们的观点是当选定了适宜的膜材料和膜构型后，必须确定这种组合对于耐受过程的工作环境是可行的。由于卷式膜组件含有许多其它的不同的高分子材料，因此除了PE衬背材料外，还可能有一些其它的限制因素。一般中心管和反套装置/内部接头由PVC或ABS制成，这些材料都没有良好的温度耐受力。聚砜(PSO)是一种价格贵得多的材料，但是可以提供良好的pH和温度耐受力，因此它一般在工业过程中被选作中心管和反套装置/内部接头。一个规定的pH限制一般有一个灵活的变化X围，在其它条件正常的情况下短时间超过X围不会有太大影响。通常低pH比高pH要好些。温度和pH同时超出X围一般都会引起较大的问题。复

19、合膜和氧化环境目前世界上还在寻找能耐受20ppm次氯酸钠的用于RO和NF的好的复合膜。一些现有的复合RO膜有氯耐受力，但它们仍不能满足目前的一般行业需要。？。相反，多数薄膜复合膜(TFM)能较好地耐受过氧化氢，至少在限制浓度、低温和较短持续时间的条件下。膜结构从外表看，所有的RO、NF和UF膜都是非对称型的。这将多数膜和一般的过滤器区分开来，如咖啡过滤器，它们是对称型的，换句话说，在过滤器的两侧是对称的。m。而膜本身在150250m，大多数膜为皮肤层提供结构支撑。非对称结构意味着膜孔径远大于致密表层的孔径，这样可以防止膜孔被堵塞。因此膜具有较好的抗污染能力，污染物要么被完全截留要么全部通过。以

20、下是在较宽X围内列出的膜的孔径。表5 一般的膜孔径，mMFUFNF，RO迄今为止，还无法用显微镜从RO膜和NF膜中观察到小孔，但水还是透过了膜而盐被截留了。这意味着自从制造出第一X膜后的35年来研究膜的科学家并不真正了解膜是怎样的或为什么有这些功能的，或至少他们并不了解其中的细节。而第一X膜是有人亲眼看到脱盐水通过膜而产生的。如果他只是通过显微镜来观察膜，如此他可能会拒绝承受这个事实，因为显微镜中根本无法看到小孔，因此也不可能透过水。尽管我们还无法了解以上的现象，但我们可以预言RO膜的应用将得到推广。而NF膜如此更困难些。但如果现在有三种溶剂在一种溶液中，我们只能选作NF膜进展别离，当然必须先

21、对进水进展准确而完整的分析。表6 膜制造商 1996年以来主要制造商的不完全统计所属公司规模管式膜卷式膜纤维系统陶瓷膜RONFUFMF别离水ATM小美国DESALOsmonics中等美国DSS小丹麦Film TecDow Chemicals大美国()Fluid SystemsKoch中等美国()Hoechst小德国HydranauticsToray中等美国Kiryat WeizmanKoch小以色列Koch/Abcor中等美国Membratek小SAOsmonics中等美国PCIThames Water小UKSCT小法国Stork Friesland小荷兰Tami小法国Toray中等日本Tri

22、sep中等美国XFLOW小荷兰膜组件/组件设计就象前面所提到的那样，目前市场上有许多种膜构型。卷式构型占膜市场的主导。卷式膜的设计原本专用于水脱盐处理，但其紧凑的设计、低廉的价格已吸引了其它行业。经过了许多试验和失败后，重新设计的组件已经可以用于许多工业行业，如乳制品行业、纸浆和造纸行业、高纯水以与一些高温和极端pH的场合。但是，大多数膜公司只为极端项目提供一种卷式膜。管式膜已存在较长一段时间了。它的设计简洁而易于理解。许多大学院校喜欢用管式膜，因此它易于计算雷诺数并将其传递系数理论化。管式膜有一个较大的优点，它们能较大X围地耐悬浮固体和许多令人讨厌的纤维。但所有的管式膜有以下几个缺点：n 占

23、地面积大；n 膜的更换困难且耗时多；n 大口径(1英寸)的管式系统能耗大；n 内部体积大，周期性使用化学品和水冲洗和反冲洗消耗昂贵；n 制造商改变管式设计投资大且困难。有时管式系统的优点超过缺点，管式膜在市场上有一定的地位，虽然比拟小。板框式板式系统早先由DDS主导，并在欧洲占据乳制品市场15年了。在1989年1995年期间缺乏研发和居高不下的价格结构或多或少地扼杀了其设计进步。目前在欧洲有一些新的适用的板框式系统。最有名的由ROCHEM设计。板式系统虽然价格较贵，但能提供周密而完善的设计。现代的板式系统可以耐非常高的压力，超过100bar。因此在处理垃圾填埋沥出液和船某某水脱盐处理中需要极端

24、压力情况下有一定的应用市场。纤维构型有一种例外类似于管式系统。只是纤维的内径很小，一般2mm。同大口径管式膜最大的不同点在于纤维系统通常无需支撑，它们上市容易但价格相当昂贵。纤维系统抗机械力差。因此它们一般仅在一定X围内使用，如纯牛奶超滤和乳化油等。陶瓷膜构型也非常昂贵。理论上说，陶瓷系统对微滤MF非常有效。事实上，其市场非常小。中空纤维构型早先由杜邦公司用于海水脱盐。由于需要非常严格的预过滤，它们几乎不用于销售。卷式膜组件的分类和参数市场上有许多种卷式膜组件。下表列出一局部。更多信息见P16。表7 卷式膜组件的分类和参数尺寸组件外径；组件长度；中心管内径外包装纤维玻璃；带子；一些卫生级设计组

25、件末端雄接头；雌接头中心管使用多种类型的聚合材料，聚砜成为工业应用的标准。产品流道30mil相当于 0，75mm47mil相当于 1，20mm90mil相当于 2，30mm甚至还有更宽的流道。(1mil-1/1000英寸)流道类型菱形(标准)；市场上有些自由通道设计膜支撑聚酯；聚丙烯密封U形密封；唇形密封；无密封ATD防压缩装置星形；盘孔形(hole-plate type)?胶水较多类型管式膜的分类和参数表8管式膜的分类和参数尺寸管内径，一般10.5英寸；管长，一般3.35米；每个模块管的数量。膜壳材料不锈钢；PVC；无支撑端盖在一个包内平行并列连接收子；串联连接收子。板框系统的分类和参数“板

26、框式这个名称包括了许多不同构型的膜组件，所有的都使用平板式膜。其它系统如此包括卷式组件、管式膜或纤维系统。对于板框式系统，除了它们都是平板膜外，在组件中板和模的排列有较大的区别。表9列出了主要的板框式产品。表9 板框式产品和组件列表不完全DDS M30用作RO和NF的带有圆形膜的垂直组件，这种构型已陈旧。DDS M35-M39编号3539的具有椭圆形膜的一组平行组件。用作UF和MF，多数用于乳制品行业。特别适用于高粘滞性的产品。膜装于聚砜支撑盘上。Millipore正方形盘式系统，多数用于实验室或小形制药产品。Rochem为圆盘管式的8inch圆形膜，用于RO、NF和UF，使用与卷式膜类似的膜

27、壳。这种类型的组件的工作压力可以超过200bar。Rhone Poulenc同位素正方形组件，类似于一个盘式热交换器，只用于UF系统。这种系统使用许多大的垫圈。几乎因陈旧而废除。Valmet FlootekCR过滤器是一个独特的系统，可以在很脏的水中操作，还能达到高通量。但是其投资非常高。纤维系统的分类和参数表10 纤维系统的分类和参数尺寸纤维的内径纤维的长度每个模块纤维的数量壳材料不锈钢PVC聚砜不同膜组件之间的比拟见表11。膜组件和组件的比拟下表是不同类型膜组件和组件性能的定性比拟。表11 几种膜组件的比拟卷式膜管式膜板框式中空促纤维系统中空精细纤维系统陶瓷高价低价膜密度(m2/m3)高低

28、平均平均很高低设备投资低高低高很高中等很高污染趋势平均低平均低很高中等清洗难易易易易低不能易可变本钱低高低平均平均低高膜的更换，见“注意1)不能可以不能可以不能不能可以流量要求中等大中等中等大小很大预处理(也可见表26)50m不含纤维滤网100m很少纤维100m很少纤维5m严格预处理滤网注意：1)膜系统只能按一种方式设计，膜的更换意味着整个硬件的更换。但管式和板式膜换膜时可以仅换膜，其余系统不变。 卷式膜组件膜壳设计在市场上有许多不同的膜壳设计，可以根据材料(不锈钢和高分子)或功能(侧面端口进出或通过端盖进出)进展分类。高分子膜壳一般都由加固的聚酯玻璃钢制成。这种设计已有30多年并工作良好。但

29、也并不是毫无问题。它们在地面水和海水的脱盐处理中运用良好，但对其余的产品却有些问题。多数高分子膜壳使用一个拉紧环来稳固端盖。不锈钢膜壳早先专用于乳制品行业。如今它们的应用已越发广泛了。结构上以侧端口作为标准。一些不锈钢膜壳的结构和玻璃钢膜壳一样，这样会造成其端盖的难以移开。不锈钢膜壳的内部需电镀磨光。否如此几乎不可能将组件推进推出。玻璃钢膜壳只有三种标准直径：2.5英寸、4英寸和8英寸。不锈钢膜壳如此有一个非常广泛的标准X围，且无标准直径。不幸地是在欧洲，使用的大多数不锈钢膜壳运用的都是美国英寸度量标准，且标准的乳制品尺寸较常见，但2.5英寸、4英寸和8英寸直径的膜壳却较难找到。表12是以上内

30、容的总结。表12 玻璃钢和不锈钢膜壳的比拟玻璃纤维不锈钢压力200bar极少超过80bar温度50100侧端进入困难/很少简单/标准端盖进入标准非标/难用卫生级非是(可能)价格100150200纯水标准很少不适用乳制品标准军用标准不使用不适用KOCH乳制品标准图1侧端进出口的不锈钢膜壳有两种：4口型，使用这种膜壳可以作为无外部产品副件的模块，且另一种类型如此使用内部副件的排列。？(见图1)使用者可以自己确定使用哪种类型，但事实上大多数的系统都建成外部副件型。侧端进入型的主要优点是在卫生级系统中允许高流量。但在水脱盐中很少使用。卷式膜组件的尺寸在当今是非常关键的。外径、组件长度和中心管的内径都没

31、有标准化。因此更换组件使供货商变得非常困难，也给模块制造商带来许多麻烦。每个膜壳内的组件数量压降为了确定每个膜壳内的组件数量，必须考虑以下几点：n 首先确定使用的是RO/NF还是UF/MF；n 然后审查整个处理过程；n 第三，确定每个膜组件能耐受的压降值。以下两点应更值得注意：n 传导膜压(TMP)(膜壳进口和出口之间的压力变化)；n 通过每个膜壳的压降。传导膜压代表了一个膜壳进口和出口之间的压力改变值。压力的降低是负荷通过膜组件的结果。具体例子见表13。我们很容易理解的是，如果进水压力是10bar，如此进出口之间的压力变化很小，并可忽略不计。但如果进水压力只有15bar，那就完全不同了。因此

32、，在一个膜壳中所有的组件最好有一样的传导压力。而在低压操作中，组件的最大数量将减少。下表将作出相应说明表13 卷式膜组件的压降举例例如：一个膜壳中有4个组件，每个组件的压降是0.7bar，相当于每个膜壳的压降为2.8bar。进口压力，bar出口压力，bar平均传导压力，bar4，01，22，616，013，214，6表14 每个40组件的压降(bar)组件类型Mil尺寸最大运行压力，bar一般压力，bar最终用户使用压力，bar标准纯水30乳制品30特殊场合4790904461,21,21,01,01,21,00,51,00,52,00,51,2表15 每个膜壳内的组件数量RONFUFMF纯水

33、：一般X围618616314212液体别离：一般X围414414313212膜和系统的局限性温度膜的一般简介以醋酸纤维作材料的膜有其本身的温度限制，其上限操作温度大约在35。PSO、PVDF和PAN材料能耐较高的温度。PSO和PVDF膜据称可在95下操作而没问题。PSO的操作温度更可达120。一般来说复合膜的操作温度至少可达80，在低压情况下，它们可经受更高的温度，如热消毒时。膜系统的耐温能力大多数情况下并不仅受膜本身的温度限制而限制，而更主要受膜的构型和膜系统中的其它组件的限制。 卷式膜组件一般卷式膜组件的温度上限为45。这个限制对用于水脱盐的标准组件是有效的，但目前市场上已有能耐更高温度的

34、卷式膜组件。虽然在水脱盐中45并不是一个最高温度限制，但对于食品和别离行业的个案却有问题。经过了许多试样和失败后，一些公司已经成功地研制出了耐温稳定的膜组件。多年来用于乳制品行业的组件已可以在比供货商原先说明的更高的温度(和压降)下操作了。如今，在乳制品行业标准组件的真正温度限制是55，在正常操作中很少会在这个温度下操作。一种新型的具有标准的30mil菱形流道的组件可以耐受更高的温度。这种组件的销售名称为Duratherm。这些组件可以在70下持续操作，短时期可加温到90，而同时可保持正常的膜使用寿命。但必须注意通量，并保持低于35lmh，这样可以确保操作压力保持低压。关于标准进水流道的使用，

35、这种类型的组件只用于纯水操作。有较宽进水流道的组件可以在进水含较高溶解性固体的情况下操作。标准膜组件使用50mil的流道，但较宽的流道可达90mil，可以处理较难处理的液体。用这种类型的膜，这些组件可以持续操作在90温度下。来自DESALTM公司的此种类型的膜其销售名称为DURATHERMEXCEL。好的温度稳定性可以确保这些组件彻底灭菌，或者它们可以持续操作在理论上微生物不会有任何生长的温度下。胶的超滤中的膜可以喜爱8090下操作多年。最近一个个案明确除硅石的蒸发器冷凝物的RO处理其操作温度接近90。记录明确：DESALTM膜组件已经在工业领域起主导地位，可以在140无水操作。这可能已经非常

36、接近高分子膜的极限。表16 卷式膜已经的温度限制持续最大温度，短时间最大温度，标准纯水组件最大温度， (最大压力，bar)45(42)50(42)4，6乳制品组件最大温度， (最大压力，bar)50(42)55(42)DESALTM组件，特殊流道最大温度， (最大压力，bar)45(42)80(5)Duratherm组件最大温度，7090DurathermEXCEL组件最大温度，8090请仔细阅读供货商提供的有关膜组件的说明书，关注如pH、通量和压力等方面的限制。高温操作一个正面的影响是：高温可以增加通量(见优化压力和温度一节)。90下操作可以在一样压力下将通量从100提高到300。但更好的方

37、法是将压力(NDP)减少到三分之一，这样可以减少电耗。高温一般被认为问题比拟多。但作者也经常发现：即使在高温下比常温必须对一些细节予以更多的关注和重视，但高温膜操作还是有许多优点。我们应注意主要的原如此：温度越高，必须越关注其组件和膜的物理特性。过大的传导膜压力将使膜变得非常平(压紧)，导致不可挽回的通量的下降。过大的压降将导致膜和/或构件的高分子材料移动，有时破裂，最终导致膜的彻底损坏。除了卷式膜外的其它系统。n 纤维系统一般可耐温达80；n 无支撑磨管的低价管式膜系统一般注明最大操作温度为35；n 有支撑的高价管式膜系统，如一个不锈钢的支撑排列可以耐温超过80；n 中空精细纤维系统温度限制

38、80，但一些较陈旧的系统在高温操作时压力稳定性有些问题。压力所有的膜对压力都是敏感的。“压紧(paction)一词常用于描述由于压力而导致膜的不可反转的“变平。除了膜本身受到的危害外，其至关重要的是要有适当的支撑，防止压力将膜挤压入支撑材料。因此仔细地阅读和遵守供货商的说明书是非常重要的。通常这类说明书不仅基于理论计算而且得之于实践经验，因此我们何必去重复别人的失败经历呢？表17 典型的压力限制，bar标准特殊管式膜，有支撑4270管式膜，无支撑7管式膜系统4270，120板框式系统40200粗纤维系统25精细纤维系统70200“压紧是由于压力和温度引起的。(见表18)表18 防止压紧的指导方

39、针(不适用于CA膜)压力20bar压紧最小温度50可能引起严重压紧80保持压力低于5bar，有些不可防止的压紧关于膜的最大允许温度和压力没有固定的准如此。表18内的指导方针除了CA膜外适用于所有的膜。表18A提供了一些用Wagner单位换算的关于温度/压力关系的一般原如此。注意：温度比压力更危险！因此，当操作接近上限温度时，建议尽可能限制压力。表18A 防止或使压紧最小化的指导方针压力(bar)温度()Wagner单位2000很困难，不太可能实现，非常特殊的组件设计pH除了CA膜外大多数的膜对极端pH有较好的耐受力。一般对许多膜主要的限制是因为使用了聚酯衬背，经实践应用其pH上限为11.5。在

40、很高的pH值下许多膜的性能将发生改变，但还可以用。多数膜在低pH值下比拟稳定。表19 不同膜材料的pH限制pH下限PH上限 PSO *)114PVDF012CA47TFM1 *)12 *)陶瓷01214*)同时低pH和高温可能减少水通量，有时会达到零，并不可逆转。*)目前的趋势应增加TFM的高pH稳定性。*)在室温下有效。温度提高膜的损坏老化将加快。不同类型的聚酯胺薄膜在低pH下稳定性方面有较大不同。进水流量对膜没有绝对的进水流量限制。但膜或组件的机械强度对其有所限制。粘性进水的粘度本身并不是个问题，但高粘度将导致较高压降。因此只要压降允许，通量满足要求并稳定，粘度才不能为操作问题。可见除了高

41、粘度进水对于一个膜系统来说不仅是个膜的问题，更是一个工程问题。系统组件一个膜系统不仅仅包括膜本身。本节将看重讨论膜系统中的主要组件。加热/冷却和热交换器在膜系统中常用多管(管式和壳形)热交换器用于加热和冷却。加热或冷却的介质在管子外面，而产品在内部。这种结构可以耐高压，因此可以耐压达70bar的设备还是比拟常见的。多管热交换器其工作方式不同于传统的盘式热交换器。主要不同点在于：n 或更小；n 相比于热交换介质的流量，产品流量大。由于产品的冷却需求不仅仅为了产品的加热或冷却还受水泵能耗的限制，因此一般选择多管热交换器。温度一般能保持一段较长时间。而通过一个多管热交换器的压降都比拟低。多管热交换器

42、可以从APV-Pasilac和Uniq Filtra tion公司处购置。阀门在膜系统中不同行业需要不同类型的阀门，以下是一些例子：n 乳制品行业：卫生级蝶阀和针式阀；n 纯水行业：球阀和针式阀；n 纸浆和造纸行业：任何型号，多数为球阀；n 废水专案：任何型号，多数为球阀。一些机械工程师声明，球阀和蝶阀不能用于流量或压力控制。理论上这可能是对的，但在模行业中实践同这种观点相矛盾。这些类型的阀门用于控制目的比拟困难，但也不是不可能。球阀和蝶阀的一个有利的方面是，它们具有允许流量和压降有较大不同的性能，如此被用来获得生产和清洗的正确条件。在膜系统设计中一个主要头痛的问题是高体积浓缩率的回流设备，这

43、意味着系统必须根据小流量浓缩来控制。在这儿用的阀门是一种针式阀。如果浓液中不含有悬浮固体，这种类型一般能运行良好，但很少的悬浮固体却能通过针式阀，严重阻塞浓缩口而导致控制问题。当在含有悬浮固体很多的液体中操作时，控制问题可以通过“止水浓缩阀来解决。方法如下：系统中安装有两个定时器和一个自动阀，此阀一般情况下全关。定时器1控制阀门开启的周期长度，定时器2控制阀门开启的时间。当定时器1启动时，浓缩阀全开，浓缩快速进展。当定时器2启动时，浓缩阀完全关闭。用这种方法可以得到准确的浓缩控制。用于浓缩的控制阀对在反冲洗过程(CIP)中所需的大水量来说太小。因此，需要平行于浓缩阀安装一个反冲洗阀门，(见图2

44、)，反冲洗阀一般是一个3或4路蝶阀，如果从T形接头到阀门的管道的长度短于或等于管道内径的三倍，这种设计可以被认为是卫生级的。在RO系统中，可能可以使用一种大口径的低压活塞阀，虽然这有些违背原如此。其诀窍是通过挤压出口的密封将高压引向活塞的一侧，换句话说将水流引向标准方向的相反，在生产过程中，压力使阀门保持关闭，阀门无法打开。在反冲洗和冲刷过程中，管线的压力很低以致阀门无法打开。(发明者：Tom Sirnes)图2 浓缩阀根据教科书所说，球阀和蝶阀由于其性能因素不适合用于调节。但经验明确这类阀门在膜过滤工厂中可以用于调节。泵也可用作特殊的阀门。在处理有高粘度产品和许多悬浮固体的液体的系统中，带变

45、频器的正位移泵可以用作背压阀。这也可以用来剪切敏感产品如蛋白。压力测量在膜过滤系统中压力是驱动力，必须被监测。以前只可以使用含有振动板的测量仪，并且必须经过充分减振。使用Bourdon类型的测量仪的一个主要问题是无法调节并且无法准确地读出压力。本人喜欢使用压力变速器，因为它们可以提供更加准确的读数并很容易标定。采用信号可以用于数据记录，并实现膜系统的电子控制。压力变速器的准确度一般高于Bourdon类型的测量仪10倍，这对于膜系统中压降确实定非常重要，是一个非常重要的测量参数。如果压降的增加超过正常值，而流量条件正确，那么明确发生了物理缩比例或膜阻塞。用普通的测量仪几乎无法测量压降，因为对于一

46、个40bar的操作压力，压力测量仪可能的最大压力指示会达到60或100bar。即使是很好的压力计其误差值有1，通过转换达1bar。为了计算压降，用读出的进口压力减去出口压力。如果一个压力计显示40bar，另一个为38bar，由于压力计本身的误差，真正的差值一般在04bar。换句话说，压力计导致较高的错误结果，而压力变速器可以提供更可靠的资料。流量测定仪在膜系统中需要严格的流量测量和控制。一般使用转子流量计，它们在由操作员进展日常读数的系统中足够了，但也有些缺点，它们一般只提供一个视觉的读数而不提供可以数据记录的数据。因此，如果产品是比拟混浊或带有颜色，它们几乎没有用，且如果产品的密度或粘度不同

47、于水它们的读数也不正确。总之，它们只能用于日常监测。如今一直使用的流量计是电磁流量计。虽然电磁流量计看起来较贵，但它非常准确，可以测出系统中的实际流量。丹麦Sikeborg公司的ProcesData流量计价格不贵且质量相当好，可以满足乳制品行业的卫生级标准，还有许多大的电磁流量计供货商，如Krohne(德国)、Siemens(德国)Fischerard、Porter(英国)、Danfoss(丹麦)。市场上多数流量计都用于普通场合，其实还有许多其它的类型，如Burchert流量计使用一个小的信号装置指示流量。由于这种流量计可以耐受90高温和高压，因此可以用于许多案例的测试。但不适用于流量大、产品

48、中颗粒和纤维多的场合。我们应该特别注意透过液流量计。这里的问题主要是用于生产和反冲洗循环过程的透过液流量计是很不同的。在超滤系统中，反冲洗流量一般要高1030倍。在这种情况下，流量计变成了一个喉结，这不是我们所希望和承受的。解决的方法之一是为反冲洗装置设置一个旁路阀，另一种方法是选择的电磁流量计口径应同时适合于生产和反冲洗的流量。极少的流量计能耐受RO和NF系统中的压力、pH和温度。因此为这类膜过程选择流量计时必须特别注意。储罐设计膜系统中使用的储罐为了便于排水彻底应作成圆锥形或斜底。否如此一些颗粒、晶体或其它沈淀物质将积在储罐底部，迟早导致一些化学的、机械的或生物细菌的问题，或者三种问题同时

49、发生。同时储罐的盖子应较松，便于冲洗和人工清洗。不管是否可能，储罐内部不设加热盘或液位开关也是非常重要的。所有的测量装置应该置于储罐外部。液位控制最好使用压力传感器，温度测量装置可以用管子连通装置而不要置于储罐内。储罐最适宜的材料是不锈钢。其它多数材料都有内在的温度限制。在大型的超滤(UF)系统中，一般在进水平衡槽旁设置一个渗透液槽，按一般惯例是建两个储罐作为一个溢流单元。这样可以在生产过程中将透过液和浓液别离开，但是当把超大流量作为透过液时，在冲刷过程和反冲洗过程中允许透过液自流入进水平衡槽，这样的作法在许多膜系统中被证明是很切实可行的。图3 两个进水储罐使用一个压力传感器和两个气动阀可以使

50、液位控制比拟廉价。储罐内的液位传感器可以将液位转换成315psi的信号，而两个控制进水和出水压力的气动阀负担各自的X围，一个在39psi(水阀)下操作，而另一个在915psi(产品阀)下操作。见图3，两个进水储槽。Uniq Filtration生产了用于食品行业的卫生级液位传感器。当储罐是空的时候，两个阀门全开。当液位上升时，水阀全关，到达某一稍高液位时，产品阀门开始关闭，准备调节进入储罐的产品的量。这是一个很好的方法，供水作为一个安全措施，也使清渣和清洗变得容易，开始清渣时，先停止产品流量。我们建议采用手动的可调节的压力传感器进展进水阀门的调节；这种方法比拟简单，而且在实际运用中工作良好。夹

51、子、法兰和螺纹在所有的项目中被证明使用良好、稳定、可靠的唯一的连接系统是三叶型夹子(Trillaer type clamp)。虽然此类夹子价格有些贵，但它对于夹住直径6英寸内的管件时有许多优点。对于直径超过6英寸的管件，一般使用其它品牌的高质量的法兰，因为三叶夹子(Tri-clamptype)允许的压力有限。人们不太承受三叶夹(Triclamp)，但还被广泛使用，Tri-clamp的名称已被广泛使用，且被用来取代传统的Triclover产品的名称。如果是经济上的原因，不应使用螺纹接头。因为它们不够卫生且难于正确地拆卸和安装。法兰的类型很多，但卫生级的实际上只有一种类型，它们一般都是体积庞大且重

52、，因此一般用于化学工业。结构材料根据作者的观点，有一个简单的原如此可以防止膜系统中的许多机械问题：在膜系统中和液体接触的所有部件和设备都使用高质量的不锈钢。这听起来似乎是一个昂贵的建议，但是当您经过几年的操作运行后，看到了高分子材料、非不锈钢材料的失败和缺陷，不得不耗资改型时，对于我的建议就不会感到奇怪了。和别离液体直接接触的组件不能使用普通的钢铁，否如此铁锈的形成，并且铁屑、薄片进入膜系统将带来无数的麻烦。在许多行业中，使用不锈钢作为结构材料不仅普遍而且还是强制性的，象乳制品、制药和石油化工行业。在水脱盐处理一般还使用pvc、铜和一些低档的不锈钢。但实践证明，长期运行后，其缺陷将较难被承受。

53、一般直径3英寸以内的不锈钢的价格还较易被承受，甚至直径4英寸的也不是太贵。但4英寸以上的价格却涨势惊人，因为大口径不锈钢的需求量很小。注意“不锈钢这个定义并不是很确切，因为材料的耐腐蚀性只是在特定的条件下的。例如，某某(North Sea)的海水问题较多，但可以用普通不锈钢处理，大概是因为海水较冷。而来自红海(Red Sea)的海水比拟温热，具有很强的腐蚀性，因此需要使用更好、更贵的不锈钢。在膜系统中，有效的清洗系统有助于防止不锈钢的局部锈蚀，而且终有一天通过彻底地清洗可以解决这个问题。更好的清洗方式可以用硝酸使不锈钢外表钝化。实践证明这种操作可以使系统保持许多年，除非系统很快被腐蚀。在膜系统

54、中一般只使用高质量的高分子材料，包括聚砜(PSO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、CPVC、Delrin和一些其它耐化学品、耐温的机械强度较高的材料。然而，在低价水市场中应用最广泛的是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，因为对于这类场合它们已可以适用了。以下产品是纯质材料：ABS在水脱盐系统中是非常有用的材料；Delrin亦称为DOM；是一种非常好的材料，最大的缺陷是抗低pH环境的能力较差；PE聚乙烯化学稳定性好，但温度稳定性有限；PP聚丙烯是一个纯化学的耐受力强的高分子材料，温度稳定性有限，但已有增强的趋势；PSO在膜应用工程中有许多不同类型的聚砜材料。在膜系统中它具有完全地耐温和耐pH能力。其主要

55、缺点是易脆，且对酮和芳香族化合物较敏感；PVCPVC大都用于低压管，价格廉价，但有很严格的温度限制，只能用于无特殊要求的项目，如地面水脱盐等；CPVC氯化PVC比一般的PVC的温度稳定性更好些。但目前由于PVC行业的政治原因可能在将来会把PVC材料排除在外；PVDF一种非常好的材料，但价格相当贵，其热稳定性好，且化学稳定性几乎和特氟隆(Teflon)一样稳定。以下是一些复合材料：GRP玻璃纤维增强聚酯(玻璃钢)被广泛应用于膜壳。虽然它有一些明显的缺点，但已成为水脱盐处理中的标准材料，其主要的优点是防腐性能好，价格低廉；Epoxy(环氧)一种仅由德国Membratec制造的很特殊的类型，膜壳是薄

56、壁型的，但不能耐高压。确定垫圈的材料往往是一个容易被人遗忘的局部。在许多场合经常适用EPDM。在这里，不要仅为了省钱，象腈橡胶这种廉价的材料使用寿命短。因此每次更换垫圈的费用和麻烦都比拟大。管道在膜系统中许多管道，通常很容易找到需要材料。通常乳制品类型的管道最好，且价格最廉价，只因此其生产数量庞大，乳制品管的内壁的质量和性质非常好。由于焊接产生许多潜在的腐蚀危险，因此应尽可能防止焊接。在管道系统中使用抽拔方式制造T型接头和支管。这种方式在乳制品行业应用广泛，且对薄壁管道很容易制作。泵的类型和选择没有泵，没有膜过滤！这个道理非常简单。有幸地是，可供选择的泵很多。但在膜过滤过程中只有几种类型适用。在膜系统中泵是一个薄弱环节，而且单靠泵也不可能做到太好。以下是在膜过滤系统中使用的泵的类型：n 单级离心泵n 多级离心泵；n 活塞泵；n 隔膜泵；n Mohno类型的泵(很少使用)。膜系统需要每年365天，每天24小时连续运转，因此泵的质量必须能满足这个要求。膜系统的操作条件经常与泵供货商提供的数据不符，因为系统的流量和压力的变化比拟大，很