Que savez-vous sur l'ultrafiltration dans les systèmes d'eau pure? (I)

1.1. Introduction à la classification des processus de séparation des membranes

Sur la base de la précision de séparation, la technologie de séparation des liquides membranaires peut généralement être divisée en quatre catégories: microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) et osmose inverse (RO). Leur précision de filtration augmente dans l'ordre ci-dessus.

La microfiltration peut intercepter les particules entre {{0}}. 1 et 1 micron. Les membranes de microfiltration permettent aux macromolécules et aux solides solubles (sels inorganiques) de passer, mais intercepteront la matière en suspension, les bactéries et les colloïdes de gros poids moléculaire. La pression de fonctionnement des membranes de microfiltration est généralement 0. 7-7 bar.

L'Ultrafiltration peut intercepter les macromolécules et les protéines entre {{0}}. 002 et 0,1 microns. Les membranes d'ultrafiltration permettent à de petites molécules et des solides solubles (sels inorganiques) de passer, tout en interceptant les colloïdes, les protéines, les micro-organismes et la matière organique macromoléculaire. La plage de poids moléculaire de coupure utilisée pour indiquer la taille des pores des membranes ultrafiltration se situe généralement entre 1000 et 500000. La pression de fonctionnement de la membrane ultrafiltration est généralement 1-7 bar.

La nanofiltration peut intercepter les substances à l'échelle nanométrique ({0}}. 001. La gamme de fonctionnement de la membrane de nanofiltration se situe entre l'ultrafiltration et l'osmose inverse. Le poids moléculaire de la matière organique interceptée est d'environ 200-800 MW, et la capacité d'intercepter les sels dissous se situe entre 20% -98%. Le taux d'élimination des ions monovalents solubles est inférieur à celui des ions à haute valeur. La nanofiltration est généralement utilisée pour éliminer la matière organique et les pigments dans les eaux de surface, la dureté et le radium dans les eaux souterraines, et éliminer partiellement les sels dissous, et extraire et concentrer des substances utiles dans la production alimentaire et pharmaceutique. La pression de fonctionnement de la membrane de nanofiltration est généralement 3. 5-30 bar.

L'osmose inverse est le produit de séparation membranaire le plus sophistiqué, qui peut intercepter efficacement tous les sels dissous et la matière organique avec un poids moléculaire supérieur à 100, tout en permettant aux molécules d'eau de passer. Les membranes inversées de l'osmose sont largement utilisées dans le dessalement de l'eau de mer et de l'eau saumâtre, de l'eau d'alimentation de la chaudière, de l'eau pure industrielle et de la préparation de l'eau de haute pureté de qualité électronique, de la production d'eau pure, du traitement des eaux usées et des processus spéciaux de séparation. La pression de fonctionnement des membranes d'osmose inverse se situe généralement entre 12 bar pour l'eau saumâtre et 70 bar pour l'eau de mer.

1.2. Types et caractéristiques d'application des membranes ultrafiltration

Les membranes d'ultrafiltration sont principalement divisées en quatre types selon leur structure: membranes de plaque, membranes de rouleau, membranes tubulaires et membranes à fibres creuses.

Membrane de plaque: c'est la première membrane, mais comme il est difficile de s'assurer que le débit approprié sur la surface de la membrane et les problèmes d'étanchéité complexes, l'application de ce type de membrane est très limitée. Les exigences de prétraitement ne sont pas strictes;

Rouleau Membrane: développé à partir de membranes de plaque, car la grille de la membrane rouleau apporte des points morts et ne peut pas être lavé, il ne convient généralement pas au traitement de l'eau brute industrielle. Ils conviennent à la séparation des matériaux à haute température et à haute pression, etc., et les exigences de prétraitement ne sont pas strictes;

Membrane tubulaire: En raison de sa consommation d'énergie élevée, elle ne convient pas au traitement de l'eau ordinaire d'un point de vue économique. Il convient généralement aux fluides à forte teneur en solide ou à une concentration élevée d'huile. Parmi les quatre membranes, ses exigences de prétraitement sont les moins strictes.

Membrane à fibre creuse: Parce qu'il a une basse pression, pas de point mort dans le canal, un flux élevé et peut être lavé, c'est un bon choix à l'exception des plans d'eau spéciaux (comme une teneur élevée en huile, une teneur élevée en solide, etc.). Parmi les quatre membranes, il est le plus largement utilisé dans le traitement de l'eau.

Remarque: Parce que la membrane à fibre creuse est la plus largement utilisée, à l'exception des points communs dans les matériaux suivants, tous les autres matériaux sont expliqués avec une membrane à fibre creuse à titre d'exemple.

1.3. Portée de l'application

L'Ultrafiltration est largement utilisée dans le domaine du traitement de l'eau. Selon les occasions d'application, il peut être principalement utilisé pour:

1.3.1. Prétraitement en eau brute (eau de surface, eau souterraine, eau du robinet)

Clarifier, remplacement du filtre de sable, prétraitement RO et prétraitement d'échange d'ions

Utilisé dans le prétraitement, l'ultrafiltration remplace le clarificateur ou le filtre de sable pour éliminer les solides et les colloïdes dans l'eau brute pour améliorer le fonctionnement de l'équipement ultérieur, tels que l'amélioration de la fréquence de lavage à contre-courant de l'échangeur d'ions et la fréquence de remplacement des éléments de la membrane d'osmose inverse, mais il nécessite un nettoyage / déchaînement plus fréquent. Le type de membrane est généralement de 100, 000 coupure moléculaire.

1.3.2. Traitement de purification

Élimination des particules (comme l'eau 18WΩ), l'élimination des micro-organismes et des pyrogènes, RO ou échange d'ions post-traitement

L'Ultrafiltration est utilisée pour éliminer les colloïdes et les solides dans l'eau après un équipement d'échange inversé d'osmose / ion. Il a une perméabilité en eau élevée et une faible fréquence de nettoyage. Il ne nécessite pas de nettoyage / rinçage fréquent. Il n'est nettoyé que lorsque la pression du système tombe à un niveau qui rend le fonctionnement gênant ou que les bactéries sont produites. Dans les industries pharmaceutiques et électroniques, l'ultrafiltration est placée au point d'utilisation pour éliminer les micro-organismes et les pyrogènes. Le type de membrane est généralement de 10, 000-100, 000 Coutures moléculaires.

1.3.3. Circulation et réutilisation de l'eau

Après traitement biochimique et clarification (secondaire et tertiaire)

Membrane anisotrope

Une fibre creux polymère synthétique composée d'une membrane intérieure très serrée et mince et d'une structure extérieure en forme d'auto-éponge. Cette membrane intérieure agit comme une membrane ultrafiltration semi-perméable.

Pression transmembranaire moyenne

La différence entre la pression moyenne du côté de la production d'eau et l'entrée et la sortie de l'eau brute,

Pression transmembranaire moyenne=(p dans + p out) / 2 - p Production d'eau

Rétro-couché

Transmettez l'eau de qualité perméat de l'extérieur de la fibre creuse à l'intérieur. Parce que l'eau passe à travers la fibre de la direction inverse, elle desserre et lave la saleté sur la surface de la membrane.

Remarque: il n'y a pas de pression à l'intérieur de la membrane de fibre pendant ce processus.

Encrassant colloïdal

Une couche de précipitations de particules se forme sur la surface de la membrane à l'intérieur de la fibre creuse.

Se concentrer ou rejeter

La partie de l'eau brute qui ne peut pas traverser la membrane, elle contient des impuretés telles que les particules, les colloïdes, les bactéries et les pyrogènes avec une concentration plus élevée que l'eau brute.

Polarisation de la concentration

Le phénomène qui fait que la matière suspendue rejetée se rassemble sur la surface de la membrane. Une force de cisaillement élevée (débit élevé) dans la fibre peut réduire la polarisation.

Croisement

L'eau concentrée s'écoule dans une direction parallèle à la surface de la membrane effective, ce qui aide à éliminer les débris polluants sur la surface de la membrane.

Pression différentielle

La différence de pression entre l'entrée et la sortie du tube à membrane à fibre. Différence de pression PD=P In - P Out

Couler vers le bas

La direction d'écoulement de circulation du module de membrane ultrafiltration s'écoule du haut en bas du module.

Alimentation

L'eau entrant dans le système d'ultrafiltration est ensuite divisée en eau produite et liquide concentré.

Flux

Le débit de l'eau produit en passant par la membrane, généralement exprimé en gallons d'eau par pied carré de zone membranaire par jour (GFD), GFD {{0}} LMH x 0,59

Flux vers l'avant

La direction du flux de circulation de l'effluent est généralement vers le haut pour les tubes membranaires installés verticalement.

Couche de gel

Une couche de concentration élevée ou de sédiments solides, généralement des substances de poids moléculaire élevé, formées sur la surface intérieure efficace de la membrane d'ultrafiltration en fonctionnement. C'est souvent la perméabilité de la couche de gel plutôt que la perméabilité de la membrane filtrante qui détermine le flux d'eau ultrafiltration (qui conduira à un effet de filtration plus strict que le coupure de poids moléculaire de la membrane réelle).

Coupure de poids moléculaire

Une propriété de la membrane qui décrit le taux de rétention nominal d'un soluté dans un système d'alimentation connu, c'est-à-dire la taille minimale du contaminant conservé.

Coupure nominale

Dans un système de solution unique d'un soluté connu, la taille des pores membranaires correspondant au taux de rétention maximal du soluté (généralement 90%).

Pénétrer

La partie de l'eau qui traverse la membrane filtrante est fondamentalement exempte de colloïdes, de particules et de micro-organismes.

Récupération

Le pourcentage d'eau produite dans l'eau brute totale.

% Recovery=Produit Eau / eau brute × 100

Rétentat

Également appelé concentré. La partie de l'influent qui ne peut pas passer par la membrane filtrante, y compris les solides conservés avec une concentration supérieure à celle de l'influent.

Saignement du rétentat

La partie du rétentat qui est déchargé ou recyclé à partir de l'unité d'ultrafiltration. Ce processus de décharge empêche l'accumulation de solides conservés du côté filtration de la membrane.

Flux d'inversion

Le liquide pénètre dans le tube de membrane d'une manière échelonnée. L'eau pénètre dans le tube de membrane du tuyau d'entrée supérieur, et après une période de temps, il change pour entrer par le fond. Ce changement échelonné améliore les conditions d'écoulement dans la membrane.

Couler vers le haut

La direction d'écoulement de circulation du module de membrane d'ultrafiltration s'écoule du bas vers le haut du module.

3.1 Aperçu

L'Ultrafiltration est un processus de filtration entraîné par l'écoulement et la pression tangentiels du fluide et sépare les particules dans l'eau en fonction du poids moléculaire. La taille des pores de la membrane ultrafiltration se situe approximativement dans la plage de 0. 002-0. 1 micron (mwco est environ 1, 000-500, 000). Des substances et des substances dissous plus petites que la taille des pores de la membrane peuvent passer à travers la membrane sous forme de perméat, tandis que les substances qui ne peuvent pas traverser la membrane seront conservées et concentrées dans l'effluent. Par conséquent, l'eau produite (perméat) contiendra de l'eau, des ions et des petites molécules, tandis que les colloïdes, les particules, les bactéries, les virus et les protozoaires seront éliminés par la membrane.

La membrane ultrafiltration en fibre creuse est un matériau polymère très mince en polysulfone PS, polyéthersulfone PE, PVDF ou polyacrylonitrile (PAN) avec une structure microporeuse asymétrique. La membrane ultrafiltration asymétrique a une surface interne ({0}}. La combinaison de cette petite surface de la membrane lisse et d'un matériau de support de pores plus grand rend la résistance à l'écoulement des minuscules particules très petites et pas faciles à obstruer.

3.2 Principes de base

L'Ultrafiltration est un processus d'écoulement croisé et tangentiel, où le liquide à filtrer s'écoule le long de la surface de la membrane. Cela crée des conditions de cisaillement fluide sur la paroi intérieure de la fibre creuse, ce qui rend difficile pour les polluants de se former sur la surface de la membrane.

L'eau à filtrer est sous pression par la pompe à eau ultrafiltration et l'entrée dans l'assemblage de la membrane. En raison de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de la membrane, une partie de l'eau imprègne la membrane, tandis que les impuretés dans l'eau sont conservées dans l'eau restante et filtrées.

Si les impuretés à séparer sont trop déposées sur la membrane, selon le type de membrane, elle provoquera le dépôt de sels insolubles ou la formation d'une couche de revêtement partielle. Donc, pour éviter cela, une partie de l'eau s'écoulera en tant que concentré. Selon le type de membrane et l'application, ce processus doit être effectué en continu ou pendant le reflux.

3.3 Caractéristiques de l'ultrafiltration

L'Ultrafiltration présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes de purification traditionnelles:

• Peut éliminer complètement les micro-organismes et les particules

Taux d'élimination des polluants dans l'eau

Composants PM10 PM100

Silice colloïdale 99,8% 99. 0%

Fer colloïdal 99,8% 99. 0%

Aluminium colloïdal 99,8% 99. 0%

Solides suspendus 5 LRV 4 LRV

Turbidité <{{0}}. 3 ntu (généralement moins de 0,1 ntu)

SDI <1. 0 SDI

Giardia 6 lrv 5 lrv

Protozoa 6 LRV 5 LRV

Champignons 6 lrv 5 lrv

Virus 5 LRV 4 LRV

Endovirus 4 lrv 2 lrv

TOC AVG. 70% AVG. 30%

• L'effet de filtration n'est pas affecté par la qualité de l'eau brute
• Il peut éliminer les bactéries résistantes au chlore
• Le concentré d'ultrafiltration ne contient que les substances contenues dans l'eau d'origine
• Par rapport aux autres méthodes traditionnelles, la quantité de sédiments en ultrafiltration est nettement moindre
• La structure compacte du support améliore l'utilisation de l'espace, permet d'économiser les coûts et peut également être très flexible pour ajouter des équipements dans les usines existantes.
• L'Ultrafiltration peut atteindre une production continue industrielle entièrement automatisée.
• Étant donné que l'ultrafiltration peut presque complètement filtrer les substances qui forment la couche de revêtement, la charge de zone peut être augmentée dans les étapes de purification de la membrane suivantes, réduisant ainsi l'échelle du dispositif de purification ultérieur.

L'eau brute pénètre dans la cavité intérieure de la fibre creuse et est filtrée de l'intérieur vers l'extérieur à travers la fibre.

Habituellement, l'eau brute pénètre à partir d'une extrémité de l'élément membranaire et traverse toute la longueur de la fibre sous la pression de 30-40 psi.

Le concentré avec une teneur solide plus élevée est déchargé de l'autre extrémité de l'élément membranaire.

Le perméat s'écoule dans le tuyau de collecte de perméat au centre de l'élément membranaire après filtration à travers la paroi de la membrane de fibre. Le perméat s'écoule du centre de chaque élément de membrane à travers le tuyau de collecte d'eau.

L'Ultrafiltration a généralement deux modes de processus de fonctionnement en fonction de la qualité de l'eau brute: le mode de filtration sans issue et le mode de filtration de circulation.

4.1 Mode de filtration sans issue

Généralement utilisé lorsque les solides en suspension et la teneur en colloïdes dans l'eau brute sont faibles (comme SS<5, turbidity <5NTU). The raw water enters the membrane tube at a low cross-flow rate, and the concentrated water is discharged from the other end of the membrane tube at a certain proportion. The produced water is produced on the filtrate side of the membrane tube, and the water recovery rate is usually 90%-99%, which is determined by the quality of the raw water. Compared with the circulation mode, the operating cost of dead-end filtration is low, but the recovery rate and the water output capacity of the system may be limited. This mode usually requires regular fast flushing and backwashing to maintain the system output. When the dirt accumulates to a certain extent, chemical cleaning is required for treatment.

4.2 Mode de filtration en circulation / flux croisé

Lorsque la teneur en solides en suspension dans l'eau brute est élevée et dans la plupart des applications non eaux, il est nécessaire de réduire le taux de récupération pour maintenir un débit élevé à l'intérieur du tube membranaire. Cela provoquera beaucoup de déchets. Afin d'éviter les déchets, l'eau concentrée déchargée sera réprimrée et retournée dans le tube membranaire. De cette façon, bien que le taux de récupération du tube membranaire soit réduit, le taux de récupération de l'ensemble du système peut toujours être très élevé. Dans ce mode, l'eau influent circule en continu sur la surface de la membrane. La vitesse élevée de l'eau circulante empêche l'accumulation de particules sur la zone de la membrane et augmente le flux. Parce que moins d'eau influent devient de l'eau produite, afin d'obtenir le même rendement, la consommation d'énergie est supérieure à celle du mode de filtration sans issue.