一种膜分离技术中的膜清洗装置、清洗方法及其应用

摘要

本发明为膜分离技术中的膜清洗装置。该装置包括与膜过滤器连接的反洗进水管路、和与该反洗进水管路连接的、向反洗进水管路中的水流周期性地掺入压缩空气的脉冲空气管路，所述的脉冲空气管路包括与反洗进水管路直接相连的脉冲阀、与该脉冲阀连接的带储气包的空气压缩机以及控制脉冲阀动作的PLC控制系统。本发明装置能够产生高强度脉冲掺气水流，能够对膜、尤其是中空纤维膜进行高效清洗。本发明可以被广泛用于低渗透油田注水水质处理、纯水制备、产品提纯以及废水作为回用水的处理等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜分离技术，特别是涉及一种膜分离技术中的膜清洗方法、装置及其在低渗透油田注水水质处理、纯水制备、产品提纯以及废水作为回用水处理的应用。

背景技术

膜材料是一种多孔介质，膜分离过程就是被处理料液中的溶剂在压力推动下通过膜、溶质被截留的过程。

膜分离技术应用的关键之一，就是膜的清洗再生技术。尽管微滤主要具有筛分截滤作用，一般说来孔内吸附较少。但浓差极化和膜污染几乎是不可避免的。为了维持较高的膜通量，合适的清洗技术至关重要。

在膜分离技术中，中空纤维膜是一种用途广泛的膜分离材料。由于中空纤维膜优良的性能，它被广泛用于低渗透油田注水水质处理、污水处理、高标准用水处理等领域，尽管中空纤维膜允许通过反洗方式对膜进行清洗，但由于膜污染机理复杂、污染物质形式多样，尤其是对深入到膜壁内部的污染物而言，单靠水冲有时难以凑效，而且往往要耗费大量的滤过水。

为解决上述技术问题，现有技术中有一种作法是采用脉冲气水混合反冲的方法和设备来对膜进行清洗。例如，中国专利CN1415558A和中国专利CN1325957A所公开的微滤设备中，都涉及到用气水混合反冲的方式进行膜清洗。

其中，发明专利“中水连续微滤净化系统”(专利号为01133605.6)，涉及了一种脉冲气水反冲技术，其技术要点是，在气体管路上依次串接一个二位三通阀和一个气缸，该二位三通阀预先设定、按时转换，气缸冲程可调、压力可调；水路直接通过一个三通与气路相连。根据其技术方案，其反冲洗过程为，“二位三通阀受定时转换信号的控制，实现脉冲式反冲”。从其说明书附图中表述的反洗动作过程是，二位三通阀在定时信号作用下打开，压缩空气进入气缸，推动气缸活塞运动，将空气压出，与水管路中的反洗水“迎面相撞”，气水同时进入膜组件出水侧，反向通过膜面，实现清洗的目的。

另一项发明“一种无机陶瓷膜自动啤酒低温除菌微滤设备”(专利号为0114590.8)，与“中水连续微滤净化系统(专利号为01133605.6)”采用的反洗技术方案完全一样。

但是上述的方法和装置存在以下技术缺点，

(1)上述两项发明利用二位三通阀的启闭控制给气，常闭阀瓣在信号驱动下开启后压缩空气进入气缸，推动活塞释放压缩空气进入水路中的反洗水。二位三通阀不具备快速启闭功能，空气进入气缸后靠活塞运动将空气压出，一个脉冲过程至少也有数秒，无法形成明显的脉冲效应。

(2)压缩气与水的正面接触也难以实现充分均匀的混合，特别是无法使气体快速分散，形成细小气泡，气水反冲的效果大打折扣。

(3)两项发明均在三通阀后接一气缸，脉冲气流经过气缸调节动能将大幅度降低。

(4)由于普通三通阀的机械阀瓣不能适应频繁启闭要求，限制了反洗频率，这对膜的使用极为不利。因为，一个膜清洗周期中的反洗过程，不是一个或几个加气脉冲能够凑效，而是需要持续一定时间的频繁脉冲掺气水流的集中作用，才能彻底清洗干净，最大限度地恢复膜通量。

因此上述装置的反冲清洗效果较差。需要一种更加高效并且简单可行的膜清洗装置，以延长膜的使用寿命。

发明内容

根据现有技术中存在的技术问题，发明人经过长期实验和研究，发明了一种用于膜清洗的装置和方法。

一种膜分离技术中的膜清洗装置是这样实现的，包括膜过滤器1、反洗进水管路2和脉冲空气管路3；所述膜过滤器1与反洗进水管路2连接，脉冲空气管路3与该反洗进水管路2连接的，并向反洗进水管路中的水流周期性地掺入压缩空气。

所述膜清洗装置中还包括有能产生脉冲振荡气流的脉冲阀4和空气压缩机5；所述的脉冲阀4直接与脉冲空气管路3连接后伸进所述的反洗进水管路2中；所述的空气压缩机5与脉冲阀4连接。

本发明的装置中，由于脉冲阀直接与反洗进水管路相连，因而与中间介入气缸的结构相比，本发明的装置可以直接将脉冲气流施加到反洗水中，产生更高强度的掺气水流，反冲效果更好。

另外，本发明为了获得更好的脉冲效果，具体的技术方案中所述的脉冲阀采用喷气吹灰用脉冲阀，这是因为它具有可瞬间启动的特点，其启动时间是毫秒级，脉冲清晰、强度高，而且脉冲宽度、脉冲频率及总给气时间都可以在PLC(可编程逻辑控制器)控制下调节，从而在一个时间段内产生一连串的脉冲掺气水流，对污染膜进行持续而有效的震荡冲洗。脉冲阀开启时间为30-100毫秒；其启动频率为1-3次/秒。而现有技术中的三通阀的启动时间是秒级，且后面还串接了一个气缸，实际上是利用气缸内部的活塞制造脉冲气流，掺入水中后其脉冲效果并不明显。

具体的装置中，所述的膜清洗装置包括有空气净化器6，在所述脉冲阀4和空气压缩机5之间接入空气净化器6。即在所述的脉冲阀和空气压缩机之间接入空气净化器，以确保进入反洗进水管路的空气为清洁气体。

为了提高气水混合效果，使掺气更均匀，所述脉冲空气管路3通过坡口管7伸进反洗进水管路2。

在脉冲空气管路3伸入反洗进水管路2处包含一个产生文丘里效应的收缩段8和扩散段9；所述的坡口管7插伸进收缩段8和扩散段9中间位置处的反洗进水管路2中。

即本发明装置中的脉冲空气管路通过一个坡口管伸入反洗进水管路中部，将洁净压缩空气注入水中。反洗进水管路在与脉冲空气管路连接处(加气点上下游侧)，设计成有一个收缩段和扩散段，用来产生文丘里效应，强化掺气效果。

根据上述膜清洗装置应用的膜清洗方法为，

所述方法中包括膜过滤器1、反洗进水管路2和脉冲空气管路3；所述膜过滤器1与反洗进水管路2连接，脉冲空气管路3与该反洗进水管路2连接的，并向反洗进水管路中的水流周期性地掺入压缩空气；

所述膜清洗方法中还包括有能产生脉冲振荡气流的脉冲阀4和空气压缩机5；所述的脉冲阀4直接与脉冲空气管路3连接后伸进所述的反洗进水管路2中；所述的空气压缩机5与脉冲阀4连接；

所述的膜清洗方法为，所述的空气压缩机5产生压缩气，脉冲阀4在专门的PLC控制下周期性地开闭，产生周期性的脉冲高压气流，即对反洗进水管路2中的水流给出一个脉冲高压气流，使反洗水由平稳均匀流变成脉冲掺气水流对膜进行反清洗操作；

本方法通过控制脉冲阀4的参数调节水流的掺气比例，对膜进行振荡脉冲清洗；所述的掺气比例由脉冲阀4启动频率和开启时间决定；

所述的方法中，所述脉冲空气管路3通过坡口管7伸进反洗进水管路2；且在反洗进水管路2上、在脉冲空气管路3伸入反洗进水管路2处包含一个产生文丘里效应的收缩段8和扩散段9；所述的坡口管7插伸进收缩段8和扩散段9中间位置处的反洗进水管路2中；

所述膜清洗方法应用了文丘里管混合方法，即脉冲气流进入收缩段8的水中后，在随后的扩散段9中随着水流速的减小逐步释放成微细气泡，形成均匀的掺气水流。

本发明可以用于低渗透油田注水水质处理、纯水制备、产品提纯以及废水作为回用水的处理等领域。

本发明的膜清洗装置的操作方式具体为，通过带储气包的空气压缩机产生压缩气，脉冲阀周期性地瞬间开闭，对反洗进水管路中的水流给出一个脉冲高压气流，使反洗水由平稳均匀流变成脉冲掺气水流，通过控制脉冲阀参数可以调节水流的掺气比例，对膜进行振荡脉冲清洗。所述的掺气比例由脉冲阀启动频率和开启时间决定，其中脉冲阀动作频率优选1-3次/秒；脉冲阀开启时间(脉冲宽度)优选50-100毫秒。

膜清洗的清洗液除水外，还可以根据需要选择掺入有机溶剂的水等。通过筛选合适的化学清洗配方和反洗操作条件，能够确保膜不出现不可逆转的淤塞，最大限度地延长其寿命。

本发明的膜清洗装置的优点：

1.本发明装置中，脉冲阀直接与反洗进水管路相连，直接将脉冲气流施加到反洗水中，能够产生高强度掺气水流，反洗效果好。

2.本发明装置采用喷气吹灰用脉冲阀，可瞬间(毫秒级)启闭，脉冲清晰、强度高，而且脉冲宽度、脉冲频率以及一个反洗周期中总的加气时间均可根据实际情况通过PLC进行调节，使反洗效果最佳。

3.本发明装置用伸入反洗水管道中部的坡口管将洁净压缩空气注入水中，混合效果好，掺气均匀。加气点附近的反洗进水管路有一个收缩段和扩散段，能够产生文丘里效应，强化掺气效果。

4.表征膜清洗效果的最重要指标是膜通量恢复率，即膜清洗后的膜通量与初始通量的比值。当前国内文献公开报道的膜清洗技术，膜通量恢复率一般在55％～76％，有些技术在初期短时间内能够达到80％，发明专利01133605.6没有披露清洗效果方面的指标。本发明在使用初期，膜通量恢复率能够达到95％，以后逐渐降低，最终通过调整运行参数稳定在85％左右，明显优于已有技术。

本发明与现有技术中的发明专利“中水连续微滤净化系统”(专利号为01133605.6)和“一种无机陶瓷膜自动啤酒低温除菌微滤设备”(专利号为00114590.8)的相比，

(1)首先在气路的控制上，本发明采用的是喷气吹灰用脉冲阀，其控制部件是由特殊材料制成的膜片，具有高流量、长寿命和快速开关切换的功能，可在50毫秒以内完成一次启闭，脉冲宽度(脉冲阀瓣开启时间)和脉冲间隔时间都可以在控制系统作用下调节，根据不同的情况优化组合，实现反洗效果的最优化。脉冲阀在布袋除尘方面的应用非常广泛和成熟，但还没有应用于膜清洗领域。从原理上讲，脉冲阀应用于布袋除尘方面，主要是利用其快速开启后形成的快速、巨大的脉冲气流，形成局部负压区，引入数倍的空气对布袋内的灰尘进行震荡扰动，使尘饼脱落达到除尘的目的。将脉冲阀应用于膜清洗领域，主要是利用其快速启闭功能，开启时能将压缩空气以高强度和快速的方式引入到反洗水中，形成脉冲气流，当按一定的间隔时间加入时，能够产生一连串的气水脉冲，从而产生激荡效果，强化膜孔(膜内)和膜表面(膜外)的清洗效果。成熟的PLC控制技术，能够根据不同的应用场合自由调节脉冲阀的开启时间和动作间隔时间，使清洗效果最佳。

(2)空气管路上只有一个脉冲阀进行气流控制，后面不接气缸，而是直接进入反洗水中，消除了气缸的缓冲作用，能够在脉冲阀控制下形成清晰而强烈的脉冲气流。

(3)空气被引入到水中后，能否进行快速而均匀的混合，对气水反洗效果的影响也很大。如果只简单地利用一个三通进行气水混合，气水迎面相撞，空气气泡难以碎化和以微细气泡的形式溶入水中。本发明将空气管深入到水管中心部位，并且采用了文丘里管混合技术，气体进入渐缩管段的水中后，能在随后的扩散段中随着流速的减小逐步释放成微细气泡，形成混合均匀的掺气水流。由于掺气水流较纯水粘度低、表面活性强，对附着在膜孔内部的油脂类物质清洗效果较好，而这一类物质往往是其他清洗方法难以凑效从而造成膜运行状况持续恶化的重要原因。当中空纤维膜组件采用本发明的反洗技术时，持续不断的脉冲掺气水流还能使膜丝产生强度可控的振荡，加强表面搓洗，提高表面清洗效果。

综上，本发明与现有技术相比是具有突出的技术效果和显著的技术进步，具有新颖性和创造性的。

附图说明

图1是本发明的膜清洗装置的示意图

图2是本发明的膜清洗装置中反洗进水管路和脉冲空气管路连接处的放大示意图。

具体实施方式

图1是本发明的膜清洗装置的示意图，1：膜过滤器 2：反洗进水管路 3：脉冲空气管路 4：脉冲阀 5：空气压缩机 6：空气净化器。

一种膜分离技术中的膜清洗装置是这样实现的，包括膜过滤器1、反洗进水管路2和脉冲空气管路3；所述膜过滤器1与反洗进水管路2连接，脉冲空气管路3与该反洗进水管路2连接的，并向反洗进水管路中的水流周期性地掺入压缩空气。

所述膜清洗装置中还包括有能产生脉冲振荡气流的脉冲阀4和空气压缩机5；所述的脉冲阀4直接与脉冲空气管路3连接后伸进所述的反洗进水管路2中；所述的空气压缩机5与脉冲阀4连接。

本发明的装置中，由于脉冲阀直接与反洗进水管路相连，因而与中间介入气缸的结构相比，本发明的装置可以直接将脉冲气流施加到反洗水中，产生更高强度的掺气水流，反冲效果更好。

另外，本发明为了获得更好的脉冲效果，具体的技术方案中所述的脉冲阀采用喷气吹灰用脉冲阀，这是因为它具有可瞬间启动的特点，其启动时间是毫秒级，脉冲清晰、强度高，而且脉冲宽度可调等特点。脉冲阀开启时间为30-100毫秒；其启动频率为1-3次/秒。而现有技术中的三通阀的启动时间是秒级，且后面还串接了一个气缸，实际上是利用气缸内部的活塞制造脉冲气流，掺入水中后其脉冲效果并不明显。

所述的膜清洗装置包括有空气净化器6，在所述脉冲阀4和空气压缩机5之间接入空气净化器6。即在所述的脉冲阀和空气压缩机之间接入空气净化器，以确保进入反洗进水管路的空气为清洁气体。

图2是本发明的膜清洗装置中反洗进水管路和脉冲空气管路连接处的放大示意图。7：坡口管 8：收缩段 9：扩散段。

图1中标明的“进水”端在膜的清洗再生过程中实际为清洗后的出水端，图中标明的“出水”端通过一个三通与进水进气端连接。在膜的清洗再生过程中，“出水”端通过阀门关闭，反洗水、气流与正常处理水流方向(从“进水”端流到“出水”端)相反地进入膜，实现清洗效果。

为了提高气水混合效果，使掺气更均匀，所述脉冲空气管路3通过坡口管7伸进反洗进水管路2。

在脉冲空气管路3伸入反洗进水管路2处包含一个产生文丘里效应的收缩段8和扩散段9；所述的坡口管7插伸进收缩段8和扩散段9中间位置处的反洗进水管路2中。

即本发明装置中的脉冲空气管路通过一个坡口管伸入反洗进水管路中部，将洁净压缩空气注入水中。反洗进水管路在与脉冲空气管路连接处(加气点上下游侧)，设计成有一个收缩段和扩散段，用来产生文丘里效应，强化掺气效果。

本发明的膜清洗装置的操作方式具体为，通过带储气包的空气压缩机产生压缩气，脉冲阀周期性地瞬间开闭，对反洗进水管路中的水流给出一个脉冲高压气流，使反洗水由平稳均匀流变成脉冲掺气水流，通过控制脉冲阀参数可以调节水流的掺气比例，对膜进行振荡脉冲清洗。所述的掺气比例由脉冲阀启动频率和开启时间决定，其中脉冲阀动作频率优选1-3次/秒；脉冲阀开启时间(脉冲宽度)优选50-100毫秒。