專利名稱：膜過濾系統中的清洗的制作方法
技術領域：
本發明涉及在膜過濾系統中使用的中空可透膜的回洗，并特別涉 及回洗和清洗中空可透膜的改進方法。
背景技術：
整篇說明書中關于現有技術的任何討論決不應該被認為是承認這 類現有技術是公知的或構成本領域內普通常識的一部分。
已知的回洗系統包括我們早先的國際申請No. WO 93/02779中描 述的那些，其主題通過交叉引用并入本文。
在膜清洗過程中，清洗溶液通常穿過膜及其可滲透壁流動以從膜 上清洗污垢。在壓力下施加清洗溶液有助于從表面上去除污垢。
用于膜的典型已知清洗方法包括原位清洗膜。這種方法將指定濃 度的化學品，通常是2%檸檬酸然后200-1000ppm次氯酸鈉，添加到在 濾液溶液中的膜中。這通常在兩小時清洗周期開始時發生，此后清洗 劑透過膜過濾并留下來浸泡。
由于膜污垢的性質隨進料品質和類型、透膜通量和運行小時數而 變，每種情況下所需的化學清洗的量和持續時間也改變。這通常導致 一個方法適用于所有處理，其中無論污垢量如何都使用標準化學清洗 階段。這會導致不必要地使用大量清洗溶液，結果造成清洗完成之后 廢液處置中的額外成本和環境影響。
發明內容
本發明的目的是克服或至少改善現有技術的一個或多個缺點或至 少提供可用的替代方案。
根據第一方面，本發明提供了清洗排列型的可滲透中空膜的方法，
其中在浸在懸浮液中的可滲透中空膜壁的兩側施加壓差，所述懸浮液
施加到多孔中空膜的外表面上以引發和維持透過膜壁的過濾，其中
(a) —些懸浮液穿過膜壁以從中空膜內腔中作為澄清的液體或滲 透物排出，且
(b) 至少一些固體留在中空膜上或留在中空膜中或作為懸浮固體 留在膜周圍的液體中，
該清洗方法包括下列步驟
i) 從膜的濾液側至少部分去除液體；
ii) 從膜的外側至少部分去除液體； Hi)對膜的外側施加清洗溶液；
iv) 在所述膜壁兩側施加壓差以使所述清洗溶液透過所述壁從膜 的外側流入膜內腔，以使所述內腔至少部分被清洗溶液填充；
v) 隔離膜外側；
vi) 對膜壁的濾液側施加加壓氣體以使清洗溶液透過膜壁流回外
側；
vii) 積聚由于清洗溶液的所述流動而在膜外側上產生的增壓； vii i)釋放由所述加壓氣體施加到膜壁的所述濾液側上的壓力，
以使所述清洗溶液在膜壁外側上的所述積聚壓力的作用下透過所述膜 從外側流向濾液側。
優選地，清洗溶液是化學清洗溶液。
優選地，在步驟vi)中，施加氣體，通常為空氣，以使膜內腔基 本排空清洗溶液。優選地，在步驟vii)中，壓力積聚在位于膜壁外 側上的氣體空間中或積聚在氣嚢裝置中。
通過對膜壁外側施加氣壓或通過對濾液側施加真空，可以提供步 驟iv)的壓差。
根據本發明的另一方面，提供了清洗排列型的可滲透中空膜的方 法，其中在浸在懸浮液中的可滲透中空膜壁的兩側施加壓差，所述懸 浮液施加到多孔中空膜的外表面上以引發和維持透過膜壁的過濾，其 中 (a) —些懸浮液穿過膜壁以從中空膜內腔中作為澄清的液體或滲 透物排出，且
(b) 至少一些固體留在中空膜上或留在中空膜中或作為懸浮固體 留在膜周圍的液體中，
該清洗方法包括下列步驟
i) 對膜壁的一側施加清洗溶液；
ii) 在所述膜壁兩側施加壓差以使所述清洗溶液透過所述壁從膜 壁的所述一側流向膜壁的另 一側；
iii )在所述膜壁兩側施加反向壓差以使所述清洗溶液透過所述壁 從膜壁的所述另一側流回膜壁的所述一側。
根據本發明的再一方面，提供了清洗排列型的可滲透中空膜的方 法，其中在浸在懸浮液中的可滲透中空膜壁的兩側施加壓差，所述懸 浮液施加到多孔中空膜的外表面上以引發和維持透過膜壁的過濾，其 中
(a )—些懸浮液穿過膜壁以從中空膜內腔中作為澄清的液體或滲 透物排出，且
(b)至少一些固體留在中空膜上或留在中空膜中或另外作為懸浮 固體留在膜周圍的液體中， 該清洗方法包括下列步驟
i) 從膜的濾液側至少部分去除液體；
ii) 從膜的外側至少部分去除液體；
iii) 對膜的外側施加清洗溶液；
iv) 在所述膜壁兩側施加壓差以使所迷清洗溶液透過所述壁從膜 的外側流入膜內腔，以使所述內腔至少部分被清洗溶液填充；
v )在所述膜壁兩側施加壓差以使所述清洗溶液透過所述壁從膜的 內腔側流回膜內腔的外側。
優選地，通過對膜壁的濾液側施加加壓氣體來產生步驟v)中的 壓差，從而使清洗溶液透過膜壁流回外側。
清洗過程可以循環反復以使清洗溶液透過膜壁交替地從膜一側移
向另一側。
該方法可用于浸在敞口容器中的膜以及加壓膜過濾系統。
根據本發明的另一方面，提供了控制膜的化學清洗的方法，包括: 測量用于至少一部分所述的清洗的膜的pH值和/或膜電阻；和 當pH值和/或膜電阻達到預定值時，終止所述化學清洗。 根據本發明的另一方面，提供了控制膜的化學清洗的方法，包括: 測量用于至少一部分所述的清洗的膜的pH值和/或膜電阻； 測量清洗時間；
計算pH值相對于時間的變化率(dpH/dt)和/或膜電阻相對于時 間的變化率(dR/dt);和
當dpH/dt和/或dR/dt達到預定值時終止所述化學清洗。
根據本發明的另 一方面，提供了控制過濾系統的化學清洗的方法， 包括下列步驟
測量用于至少一部分所述的清洗的膜的膜電阻；
測量清洗時間；
計算相對于時間的膜電阻變化速率(dR/dt);和 使用dR/dt計算完成清洗所用的持續時間。 根據本發明的另一方面，提供了控制膜的化學清洗的方法，包括 增加在清洗中存在的化學清洗劑的量； 測量用于至少一部分所述的清洗的膜的膜電阻； 在膜電阻達到預定值時終止化學清洗劑的增加。 優選地，遞增地增加清洗劑的量。優選地，該預定值接近膜電阻 的穩態值。優選地，膜是微濾或超濾型膜，
附圖簡述
參照附圖僅以實例描述本發明的優選實施方案，其中 圖la顯示了膜組件的簡化截面側視圖，其中該組件的下部浸在化 學清洗溶液中并對膜內腔施加吸力；
圖lb顯示了圖la的所示區域中的膜的放大截面圖lc顯示了圖la的所示區域中的膜的放大截面圖2a顯示了
圖1的膜組件的簡化截面側視圖，其中該組件的下部
浸在化學清洗溶液中并對膜內腔施加加壓氣體；
圖2b顯示了圖2a的所示區域中的膜的放大截面圖3a顯示了圖1的膜組件的簡化截面側視圖，其中該組件的下部
浸在化學清洗溶液中并對膜內腔施加吸力；
圖3b顯示了圖3a的所示區域中的膜的放大截面圖； 圖3c顯示了圖3a的所示區域中的膜的放大截面圖； 圖4a顯示了膜組件的另一實施方案的簡化截面側視圖，其中該組
件的下部浸在化學清洗溶液中并對膜內腔施加吸力；
圖4b顯示了圖4a的所示區域中的膜的放大截面圖； 圖4c顯示了圖4a的所示區域中的膜的放大截面圖； 圖5a顯示了圖4的膜組件的簡化截面側視圖，其中該組件的下部
浸在化學清洗溶液中并對膜內腔施加加壓氣體；
圖5b顯示了圖5a的所示區域中的膜的放大截面圖6a顯示了膜組件的另一實施方案的簡化截面側視圖，其中該組
件的下部浸在化學清洗溶液中并對膜內腔施加吸力；
圖6b顯示了圖6a的所示區域中的膜的放大截面圖； 圖6c顯示了圖6a的所示區域中的膜的放大截面圖； 圖7a顯示了圖6的膜組件的簡化截面側視圖，其中該組件的下部
浸在化學清洗溶液中并對膜內腔施加加壓氣體；
圖7b顯示了圖7a的所示區域中的膜的放大截面圖8a顯示了在敞口容器中的膜組件的實施方案的簡化截面側視
圖，其中該組件的下部浸在化學清洗溶液中并對膜內腔施加吸力； 圖8b顯示了圖8a的所示區域中的膜的放大截面圖； 圖8c顯示了圖8a的所示區域中的膜的放大截面圖； 圖9a顯示了圖8的實施方案中的膜組件的簡化截面側視圖，其中
該組件的下部浸在化學清洗溶液中并對膜內腔施加加壓氣體； 圖9b顯示了圖9a的所示區域中的膜的放大截面圖；圖IO顯示了對于使用本發明的方法進行化學清洗的圖8和9中所 示類型的膜組件，隨時間測得的透膜壓力(TMP)圖11顯示了對于在清洗過程中添加的化學清洗劑的體積遞增的 兩種類型的化學清洗過程，隨時間測得的膜電阻圖；和
圖12顯示了在清洗過程中添加的化學清洗劑的體積遞增的情況 下，隨時間測得的膜電阻圖。
優選實施方案描述
參照圖1至7，顯示了具有多個中空纖維膜6的膜組件5。纖維膜 6具有下端封閉在下方罐(lower pot) 8中的內腔7，并在其上端通 過上方罐(upper pot) 9敞開。組件5裝在容器10中，該容器具有 用于使容器10向大氣敞開/封閉的可控閥11。上方罐8連接到具有開 口 13的濾液收集室12上。
現在參照圖1至3描述根據本發明的清洗方法的一個實施方案。 最佳地如圖la至lc中所示，過濾后將留在內腔7中的液體排出，同 時將留在容器10中的液體也至少部分排出。然后最佳地如圖la中所 示，容器10至少部分用清洗溶液14填充。然后在膜壁15兩側施加壓 差，在此實施方案中通過對出口 13施加真空來進行，從而使清洗溶液 14透過膜壁15 (如圖lb中所示)排出并沿膜內腔7向上直至內腔至 少部分被清洗溶液填充。
如圖2a和2b中所示，隨后關閉閥11以隔離容器10，同時通過 開口 13對填充膜內腔7的清洗溶液施加加壓氣體并且該加壓氣體透過 膜壁15排出直至內腔7基本排空清洗溶液。在容器10隔離的情況下， 清洗溶液14透過膜壁15向膜6外側的轉移導致容器內的壓力隨著容 器10內的氣體空間16被壓縮而提高。
如圖3a至3c中所示，使膜的內腔側向大氣排氣。最佳如圖3b 所示，氣體空間16中積聚的壓力隨后迫使清洗溶液14透過膜壁15 流回。
圖4a至7b顯示了本發明的實施方案，其中可以使用氣嚢裝置代
替氣體空間16以積聚壓力。
參照圖4a至4c，操作與圖3a至3c中所示的類似，但是，在該 實施方案中，當膜的內腔側通過閥17向大氣排氣時，氣嚢16對容器 IO的進料側輸送壓力，從而最佳地如圖4b和4c中所示，迫使清洗溶 液14透過膜壁15并沿膜內腔7行進。
參照圖5a和5b，顯示了內腔/濾液側的加壓。通過管道18和閥 17向開口 13加入加壓氣體，由此對膜6的內腔/濾液側施加加壓氣體。 加壓氣體使內腔7內的清洗溶液透過膜壁15流向膜的外側，從而使容 器10內的壓力提高，并轉移到經由管道19和閥11連接到容器10上 的氣囊16中。
圖6a至6c顯示了與圖4a至4c類似的設置，但是在此實施方案 中，從外部來源而非氣嚢16，經由管道19和閥11對容器IO施加氣 壓。如圖6a中所示，使用氣嚢16積聚膜6內腔側上的壓力。
如圖7a和7b中所示，當需要清洗溶液的反向流動時，容器10 經由管道19和閥11向大氣排氣，且氣嚢16對內腔側釋放積聚的壓力， 迫使內腔內的清洗溶液14透過內腔壁15反洗(參見圖7b)。
參照圖8和9,顯示了根據本發明的清洗過程的一個實施方案， 其中容器10向大氣敞開。在此實施方案中，通過對膜6的內腔側交替 施加吸力/真空或壓力，使清洗溶液透過膜壁15流動。再將膜組件5 至少部分浸在化學清洗溶液14中，并對纖維膜內腔7的開口端施加吸 力。最佳地如圖8b中所示，清洗溶液14透過膜壁15進入纖維膜內腔 7。然后使清洗溶液14通過內腔7向上抽吸，直至內腔如圖8c中所示 完全填滿。如圖9a和9b中所示，然后對填充膜內腔7的清洗溶液14 施加加壓氣體，清洗溶液如前所述透過膜壁15轉移。
實施方案中所示的過程可以循環反復以使清洗溶液交替地從膜壁 15 —側移向另一側。清洗溶液向和從模內腔7以及沿內腔長度的流動 導致膜組件5的有效化學清洗。
圖IO顯示了對容器IO向大氣敞開的這種類型的膜組件使用根據 本發明的清洗方案的結果。該清洗法如下進行
1. 通過從內腔側向外殼側的回填，使膜容器被濾液填充，同時向
濾液管道定量加入氯。容器濾液含量為大約30%,清洗溶液(NaOCl) 的目標體積為30毫升。
2. 然后使濾液短暫地通過該系統再循環以確保獲得充分混合的 清洗溶液。
3. 然后通過對濾液管道施加100kPa空氣，排空內腔中的液體。 這能夠使清洗溶液透過孔隙并沿纖維長度向下擴散，這提高了濾液容 器液面。當液面停止升高時，可以結束該步驟。
4. 然后使用施加到膜的內腔側上的真空空氣，使內腔被清洗溶液 填充。在此步驟中，隨著液體被抽入到纖維腔中，濾液槽中的液面下 降。當液面停止下降時，可以結束該步驟。
5. 重復內腔填充和排空步驟直至接觸時間達到1800秒。
6. 在1800秒的清洗溶液接觸之后，用進料裝滿該容器。這能夠 使清洗溶液中剩余的游離氯與清洗過程中暴露的組件部分接觸。
7. 然后將該系統充氣以使溶液與組件的接觸最大化。
8. 然后排空該槽并在重新使用之前用濾液沖洗。
圖10中繪制的數據顯示了每24過濾小時進行一次清洗并連續進 行4天的周期，其中該組件以1.7m7hr和30分鐘的回洗間隔運行。 使用次氯酸鈉(NaOCl)形式的氯，清洗過程中的平均游離氯濃度為 100ppm。進料水濁度始終為60-90 NTU。
圖10中所示的數據顯示了每次清洗后透膜壓力(TMP)的有規律 的降低。
本發明的一個實施方案尋求通過如下方法使所需化學品的量最小 化將化學品遞增地添加到膜槽中，同時在清洗過程的再循環階段監 測透膜電阻。當化學品的進一 步添加導致膜電阻的變化在預定水平以 下時，可以終止化學品添加，由此使清洗過程中使用的過量化學劑的 量最小化。
本實施方案中，在浸泡/充氣步驟中，每15-30分鐘使化學清洗溶液再 循環數分鐘(例如-3分鐘)，從而在整個清洗過程中定期測量膜電 阻。
當每3次再循環的電阻變化降至低于預定值(例如-0. 1)時， 清洗法恢復了該化學品濃度下的最大性能，并進一步添加化學劑。當 每3次再循環中，化學劑的進一步添加對電阻變化的影響低于預定值 (例如-0. 1)時，不能實現進一步的恢復，并因此立即終止清洗過 程。相反地，通過延長清洗過程以使每3次循環的電阻變化低于某一 預定值，可以使清洗能力最大化。圖ll顯示了對于使用檸檬酸(CIPl) 和氯(CIP2)清洗劑的兩種不同清洗方案，清洗過程持續期間的電阻 值變化圖。
參照圖12中所示的圖，化學劑的體積從如在A所示的大約100 毫升開始，其導致膜電阻顯著降低。如在B和C所示進一步增加化學 劑的量以進一步降低膜電阻。 一旦化學劑的體積達到大約250毫升， 膜電阻變化如在D所示基本達到穩態，化學劑的進一步增加(E)具有 最小的效果。在此階段，可以終止化學劑的添加而不會對清洗過程和 透膜流的恢復產生負面影響。
要認識到，使用上述測量方法可以針對特定膜設置或構造確定在 清洗過程中的電阻分布圖。然后使用該電阻分布圖預測清洗時間的終 點、半衰期、并減少類似系統的同時清洗中的化學品使用。可以進一 步使用該電阻分布圖確定在清洗過程中是否需要添加化學品，化學品 的類型和量取決于進料和污垢品質。
可以使用的典型清洗溶液包括酸、苛性堿溶液和氧化溶液(例如 氯)。
在與前述國際申請No. WO93/02779中所述類似的并根據本發明的 方法進行適當修改以運行的裝置中具體實施本發明。
要認識到，不脫離所述發明的精神或范圍的本發明的其它實施方 案和示例是可行的。
權利要求
1.清洗排列型的可滲透中空膜的方法，其中在浸在懸浮液中的可滲透中空膜壁的兩側施加壓差，所述懸浮液施加到多孔中空膜的外表面上以引發和維持透過膜壁的過濾，其中(a)一些懸浮液穿過膜壁以從中空膜內腔中作為澄清的液體或滲透物排出，且(b)至少一些固體留在中空膜上或留在中空膜中或作為懸浮固體留在膜周圍的液體中，該清洗方法包括下列步驟i)從膜的濾液側至少部分去除液體；ii)從膜的外側至少部分去除液體；iii)對膜的外側施加清洗溶液；iv)在所述膜壁兩側施加壓差以使所述清洗溶液透過所述壁從膜的外側流入膜內腔，以使所述內腔至少部分被清洗溶液填充；v)隔離膜外側；vi)對膜壁的濾液側施加加壓氣體以使清洗溶液透過膜壁流回外側；vii)積聚由于清洗溶液的所述流動而在膜外側上產生的增壓；viii)釋放由所述加壓氣體施加到膜壁的所述濾液側上的壓力，以使所述清洗溶液在膜壁外側上的所述積聚壓力的作用下透過所述膜從外側流向濾液側。
2. 根據權利要求l的方法，其中清洗溶液是化學清洗溶液。
3. 根據權利要求l的方法，其中在步驟vi)中，施加氣體以使膜 內腔基本排空清洗溶液。
4. 根據權利要求1的方法，其中在步驟vii)中，壓力積聚在位 于膜壁外側的氣體空間中。
5. 根據權利要求1的方法，其中在步驟vii)中，壓力積聚在氣 嚢裝置中。
6. 根據權利要求1的方法，其中通過對膜壁外側施加氣壓，提供 步驟iv)中的壓差。
7. 根據權利要求1的方法，其中通過對濾液側施加真空，提供步 驟iv)中的壓差。
8. 清洗排列型的可滲透中空膜的方法，其中在浸在懸浮液中的可滲 透中空膜壁的兩側施加壓差，所述懸浮液施加到多孔中空膜的外表面上 以引發和維持透過膜壁的過濾，其中(a) —些懸浮液穿過膜壁以從中空膜內腔中作為澄清的液體或滲 透物排出，且(b) 至少一些固體留在中空膜上或留在中空膜中或作為懸浮固體 留在膜周圍的液體中，該清洗方法包括下列步驟i)對膜壁的一側施加清洗溶液；ii )在所述膜壁兩側施加壓差以使所述清洗溶液透過所述壁從膜壁 的所述一側流向膜壁的另一側；iii)在所述膜壁兩側施加反向壓差以使所述清洗溶液透過所述壁 從膜壁的所述另一側流回膜壁的所述一側。
9. 根據權利要求8的方法，其中通過對膜壁的一側施加氣壓，提 供步驟ii)的壓差。
10. 根據權利要求8的方法，其中通過對膜壁的另一側施加真空， 提供步驟U)的壓差。
11. 根據權利要求8的方法，其中通過對膜壁的另一側施加氣壓， 提供步驟iii)的反向壓差。
12. 根據權利要求8的方法，其中通過對膜壁的一側施加真空，提 供步驟iii)的反向壓差。
13. 根據權利要求8的方法，其中所述清洗溶液是化學清洗溶液。
14. 清洗排列型的可滲透中空膜的方法，其中在浸在懸浮液中的可 滲透中空膜壁的兩側施加壓差，所述懸浮液施加到多孔中空膜的外表面 上以引發和維持透過膜壁的過濾，其中(a) —些懸浮液穿過膜壁以從中空膜內腔中作為澄清的液體或滲 透物排出，且(b) 至少一些固體留在中空膜上或留在中空膜中或另外作為懸浮 固體留在膜周圍的液體中，該清洗方法包括下列步驟i) 從膜的濾液側至少部分去除液體；ii) 從膜的外側至少部分去除液體；iii) 對膜的外側施加清洗溶液；iv) 在所述膜壁兩側施加壓差以使所述清洗溶液透過所述壁從膜的 外側流入膜內腔，以使所述內腔至少部分被清洗溶液填充；v) 在所述膜壁兩側施加壓差以使所述清洗溶液透過所述壁從膜的 內腔側流回膜內腔的外側。
15. 根據權利要求14的方法，通過對膜壁的內腔側施加加壓氣體 來產生步驟v)中的壓差，從而使清洗溶液透過膜壁流回外側。
16. 根據權利要求14的方法，其中清洗方法的步驟可以循環反復 以使清洗溶液透過膜壁交替地從膜的 一側移向另 一側。
17. 根據權利要求14的方法，其中所述清洗溶液是化學清洗溶液。
18. 控制膜的化學清洗的方法，包括測量用于至少一部分所述清洗的膜的pH值和/或膜電阻；和 當pH值和/或膜電阻達到預定值時，終止所述化學清洗。
19. 控制膜的化學清洗的方法，包括 測量用于至少一部分所述清洗的膜的pH值和/或膜電阻； 測量清洗時間；計算pH值相對于時間的變化率(dpH/dt)和/或膜電阻相對于時間 的變化率(dR/dt);和當dpH/dt和/或dR/dt達到預定值時終止所述化學清洗。
20. 控制過濾系統的化學清洗的方法，包括下列步驟 測量用于至少一部分所述清洗的膜的膜電阻； 測量清洗時間； 計算膜電阻相對于時間的變化率(dR/dt);和 使用dR/dt計算完成清洗所持續的時間。
21. 控制膜的化學清洗的方法，包括增加在清洗過程中存在的化學清洗劑的量；測量用于至少一部分所述清洗的膜的膜電阻；當膜電阻達到預定值時終止化學清洗劑的增加。
22. 根據權利要求21的方法，其中清洗劑的量逐漸增加。
23. 根據權利要求21或權利要求22的方法，其中預定值接近膜電 阻的穩態值。
24. 根據權利要求18、權利要求19或權利要求21的方法，其中 膜是微濾或超濾膜。
全文摘要
清洗排列型的可滲透中空膜(6)的方法，其中在浸在懸浮液中的可滲透中空膜(6)的壁(15)的兩側施加壓差，該懸浮液施加到多孔中空膜(6)的外表面上以引發和維持透過膜壁(15)的過濾，其中一些懸浮液穿過膜(6)的壁(16)以從中空膜內腔(7)中作為澄清的液體或滲透物排出，且至少一些固體留在中空膜(6)上或留在中空膜(6)中或作為懸浮固體留在膜(6)周圍的液體中。該清洗方法包括下列步驟對膜壁(15)一側施加清洗溶液(14)；在膜壁(15)兩側施加壓差以使清洗溶液(14)透過壁(15)從膜壁(15)的一側流向膜壁(15)的另一側，并在膜壁(15)兩側施加反向壓差以使清洗溶液(14)透過壁(15)從膜壁(15)的另一側流回膜壁(15)的一側。還公開了確定所需的化學清洗溶液的量的方法。
文檔編號B01D65/02GK101098746SQ200580046369
公開日2008年1月2日 申請日期2005年12月19日 優先權日2004年12月24日
發明者R·依奧, T·W·貝克, W·T·強生 申請人:西門子水技術公司