¿Cuánto sabes sobre la ultrafiltración en los sistemas de agua pura? (I)

1.1. Introducción a la clasificación de procesos de separación de membrana

Según la precisión de la separación, la tecnología de separación de líquido de membrana generalmente se puede dividir en cuatro categorías: microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (RO). Su precisión de filtración aumenta en el orden anterior.

La microfiltración puede interceptar partículas entre {{0}}. 1 y 1 micras. Las membranas de microfiltración permiten que pasen macromoléculas y sólidos solubles (sales inorgánicas), pero interceptarán materia suspendida, bacterias y grandes coloides de peso molecular. La presión de funcionamiento de las membranas de microfiltración es generalmente 0. 7-7 bar.

La ultrafiltración puede interceptar macromoléculas y proteínas entre {{0}}. 002 y 0.1 micras. Las membranas de ultrafiltración permiten que pasen moléculas pequeñas y sólidos solubles (sales inorgánicas), al tiempo que interceptan coloides, proteínas, microorganismos y materia orgánica macromolecular. El rango de peso molecular de corte utilizado para indicar el tamaño de poro de las membranas de ultrafiltración es generalmente entre 1000 y 500000. La presión de funcionamiento de la membrana de ultrafiltración es generalmente una barra 1-7.

La nanofiltración puede interceptar sustancias nanoescala (0. 001 micron). El rango operativo de la membrana de nanofiltración es entre la ultrafiltración y la ósmosis inversa. El peso molecular de la materia orgánica interceptada es aproximadamente 200-800 MW, y la capacidad de interceptar sales disueltas es entre el 20%-98%. La tasa de eliminación de los iones monovalentes solubles es más baja que la de los iones de alto valor. La nanofiltración se usa generalmente para eliminar la materia orgánica y los pigmentos en el agua superficial, la dureza y el radio en el agua subterránea, y eliminar parcialmente sales disueltas, y extraer y concentrar sustancias útiles en alimentos y producción farmacéutica. La presión de funcionamiento de la membrana de nanofiltración es generalmente 3. 5-30 bar.

La ósmosis inversa es el producto de separación de membrana más sofisticado, que puede interceptar efectivamente todas las sales disueltas y la materia orgánica con un peso molecular superior a 100, al tiempo que permite que las moléculas de agua pasen. Las membranas de ósmosis inversa se usan ampliamente en la desalinización del agua de mar y el agua salobre, el agua de alimentación de la caldera, el agua pura industrial y la preparación de agua de alta pureza electrónica, la producción de agua pura, el tratamiento de aguas residuales y los procesos especiales de separación. La presión de funcionamiento de las membranas de ósmosis inversa es generalmente entre 12 bar para el agua salobre y 70 bar para el agua de mar.

1.2. Tipos y características de aplicación de las membranas de ultrafiltración

Las membranas de ultrafiltración se dividen principalmente en cuatro tipos según su estructura: membranas de placas, membranas de rollo, membranas tubulares y membranas de fibra hueca.

Membrana de la placa: es la membrana más temprana, pero debido a que es difícil garantizar la velocidad de flujo adecuada en la superficie de la membrana y los problemas de sellado complejo, la aplicación de este tipo de membrana es muy limitada. Los requisitos de pretratamiento no son estrictos;

Membrana del rollo: desarrollada a partir de membranas de placa, porque la cuadrícula de la membrana del rollo trae puntos muertos y no puede lavarse, generalmente no es adecuado para el tratamiento industrial de agua cruda. Son adecuados para la separación de materiales de alta temperatura y alta presión, etc., y los requisitos de pretratamiento no son estrictos;

Membrana tubular: debido a su alto consumo de energía, no es adecuado para el tratamiento de agua ordinario desde un punto de vista económico. Generalmente es adecuado para fluidos con alto contenido sólido o alta concentración de aceite. Entre las cuatro membranas, sus requisitos de pretratamiento son los menos estrictos.

Membrana de fibra hueca: Debido a que tiene baja presión, no tiene un punto muerto en el canal, un flujo alto, y puede lavarse, es una buena opción, excepto los cuerpos de agua especiales (como alto contenido de aceite, alto contenido sólido, etc.). Entre las cuatro membranas, es la más utilizada en el tratamiento de agua.

Nota: Debido a que la membrana de fibra hueca es la más utilizada, excepto los puntos comunes en los siguientes materiales, todos los demás materiales se explican con la membrana de fibra hueca como ejemplo.

1.3. Alcance de la aplicación

La ultrafiltración se usa ampliamente en el campo del tratamiento de agua. De acuerdo con las ocasiones de aplicación, se puede utilizar principalmente para:

1.3.1. Pretratamiento de agua cruda (agua superficial, agua subterránea, agua del grifo)

Clarificador, reemplazo de filtro de arena, pretratamiento de RO y pretratamiento de intercambio iónico

Utilizado en pretratamiento, la ultrafiltración reemplaza el clarificador o el filtro de arena para eliminar los sólidos y los coloides en el agua cruda para mejorar el funcionamiento de los equipos posteriores, como mejorar la frecuencia de retrolavado del intercambiador de iones y la frecuencia de reemplazo de elementos de membrana de osmosis inversa, pero requiere una limpieza/soporte más frecuente. El tipo de membrana es generalmente 100, 000 corte molecular.

1.3.2. Tratamiento de purificación

Eliminación de partículas (como agua de 18WΩ), eliminación de microorganismos y pirógenos, RO o intercambio de iones después del tratamiento

La ultrafiltración se usa para eliminar coloides y sólidos en agua después de la ósmosis inversa/equipo de intercambio iónico. Tiene una alta permeabilidad del agua y una frecuencia de limpieza baja. No requiere limpieza/descarga frecuente. Solo se limpia cuando la presión del sistema cae a un nivel que hace que la operación sea inconveniente o bacterias. En las industrias farmacéuticas y electrónicas, la ultrafiltración se coloca en el punto de uso para eliminar microorganismos y pirógenos. El tipo de membrana es generalmente 10, 000-100, 000 cortes moleculares.

1.3.3. Circulación y reutilización de agua

Después del tratamiento y aclaración bioquímica (secundaria y terciaria)

Membrana anisotrópica

Una fibra hueca de polímero sintético que consiste en una membrana interna muy apretada y delgada y una estructura externa de esponja autosuficiente. Esta membrana interna actúa como una membrana de ultrafiltración semipermeable.

Presión promedio de transmembrana

La diferencia entre la presión promedio del lado de producción de agua y la entrada y salida de agua cruda,

Presión transmembrana promedio=(p in + p out) / 2 - P Producción de agua

Revuelto

Transmita el agua de calidad de permeado desde el exterior de la fibra hueca al interior. Debido a que el agua pasa a través de la fibra desde la dirección inversa, se afloja y elimina la suciedad de la superficie de la membrana.

Nota: No hay presión en el interior de la membrana de fibra durante este proceso.

Ensuciamiento coloidal

Se forma una capa de precipitación de partículas en la superficie de la membrana dentro de la fibra hueca.

Concentrarse o rechazar

La parte del agua cruda que no puede pasar a través de la membrana, contiene impurezas como partículas, coloides, bacterias y pirógenos con una concentración más alta que el agua cruda.

Polarización de concentración

El fenómeno que hace que la materia suspendida rechazada se reúna en la superficie de la membrana. La alta fuerza de corte (alta velocidad de flujo) en la fibra puede reducir la polarización.

Flujo cruzado

El agua concentrada fluye en una dirección paralela a la superficie efectiva de la membrana, lo que ayuda a eliminar los escombros contaminantes en la superficie de la membrana.

Presión diferencial

La diferencia de presión entre la entrada y la salida del tubo de membrana de fibra. Diferencia de presión PD=P in - P Out

Flujo descendente

La dirección del flujo de circulación del módulo de membrana de ultrafiltración fluye desde la parte superior hacia la parte inferior del módulo.

Alimentar

El agua que ingresa al sistema de ultrafiltración se divide en agua producida y líquido concentrado.

Flujo

El caudal de agua producida que pasa a través de la membrana, generalmente expresada como galones de agua por pie cuadrado de área de membrana por día (GFD), GFD {{0}} LMH x 0.59

Flujo hacia adelante

La dirección del flujo de circulación del efluente generalmente es hacia arriba para los tubos de membrana instalados verticalmente.

Capa de gel

Una capa de alta concentración o sedimento sólido, generalmente sustancias de alto peso molecular, formado en la superficie interna efectiva de la membrana de ultrafiltración en funcionamiento. A menudo es la permeabilidad de la capa de gel en lugar de la permeabilidad de la membrana del filtro lo que determina el flujo de agua de ultrafiltración (lo que conducirá a un efecto de filtración más estricto que el corte de peso molecular de la membrana real).

Corte de peso molecular

Una propiedad de la membrana que describe la tasa de retención nominal de un soluto en un sistema de alimentación conocido, es decir, el tamaño mínimo del contaminante retenido.

Corte nominal

En un solo sistema de solución de un soluto conocido, el tamaño de poro de membrana correspondiente a la tasa de retención de solutos máximos (generalmente 90%).

Impregnar

La parte del agua que pasa a través de la membrana del filtro está básicamente libre de coloides, partículas y microorganismos.

Recuperación

El porcentaje de agua producida en el agua cruda total.

% Recuperación=Agua del producto/agua cruda × 100

Retirado

También llamado concentrado. La porción del influyente que no puede pasar a través de la membrana del filtro, incluidos los sólidos retenidos con una concentración más alta que la del influente.

Hemorragia retirada

La porción del retirado que se descarga o se recicla de la unidad de ultrafiltración. Este proceso de descarga evita la acumulación de sólidos retenidos en el lado de filtración de la membrana.

Flujo de inversión

El líquido ingresa al tubo de membrana de manera escalonada. El agua ingresa al tubo de membrana desde la tubería de entrada superior, y después de un período de tiempo, cambia para entrar desde la parte inferior. Este cambio escalonado mejora las condiciones de flujo en la membrana.

Flujo ascendente

La dirección del flujo de circulación del módulo de membrana de ultrafiltración fluye desde la parte inferior hasta la parte superior del módulo.

3.1 Descripción general

La ultrafiltración es un proceso de filtración impulsado por flujo y presión tangencial fluido, y separa las partículas en el agua de acuerdo con el peso molecular. El tamaño de poro de la membrana de ultrafiltración está aproximadamente en el rango de 0. 002-0. 1 micron (MWCO es aproximadamente 1, 000-500, 000). Sustancias y sustancias disueltas más pequeñas que el tamaño de poro de la membrana pueden pasar a través de la membrana como permeado, mientras que las sustancias que no pueden pasar a través de la membrana se conservarán y concentrarán en el efluente. Por lo tanto, el agua producida (permeado) contendrá agua, iones y moléculas pequeñas, mientras que los coloides, partículas, bacterias, virus y protozoos serán eliminados por la membrana.

La membrana de ultrafiltración de fibra hueca es un material de polímero muy delgado hecho de PS polisulfona, Pes de polietersulfona, PVDF o poliacrilonitrilo (PAN) con una estructura microporosa asimétrica. La membrana de ultrafiltración asimétrica tiene una superficie interna extremadamente suave y delgada ({0}}. 1 micras) con un tamaño de poro entre 0. 002 y 0.1 micras, que es compatible con una estructura asimétrica de la superficie de la superficie de mar con un tamaño de porque tan grande como 15 micras. La combinación de esta pequeña superficie de membrana lisa de poros y un material de soporte de poro más grande hace que la resistencia al flujo de filtrar partículas pequeñas sea muy pequeña y no fácil de obstruir.

3.2 Principios básicos

La ultrafiltración es un proceso de flujo de flujo cruzado y tangencial, donde el líquido a filtrar fluye a lo largo de la superficie de la membrana. Esto crea condiciones de corte de fluido en la pared interna de la fibra hueca, lo que dificulta que los contaminantes se formen en la superficie de la membrana.

El agua a filtrar se presuriza mediante la bomba de agua de ultrafiltración e ingrese al conjunto de la membrana. Debido a la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la membrana, parte del agua impregna la membrana, mientras que las impurezas en el agua se conservan en el agua restante y se filtran.

Si las impurezas a separar se depositan demasiado en la membrana, dependiendo del tipo de membrana, causará la deposición de sales insolubles o la formación de una capa de cobertura parcial. Entonces, para evitar esto, parte del agua fluirá como concentrado. Dependiendo del tipo de membrana y la aplicación, este proceso debe llevarse a cabo continuamente o durante el reflujo.

3.3 Características de la ultrafiltración

La ultrafiltración tiene muchas ventajas sobre los métodos de purificación tradicionales:

• Puede eliminar completamente los microorganismos y las partículas

Tasa de eliminación de contaminantes en el agua

Componentes PM10 PM100

Sílice coloidal 99.8% 99. 0%

Iron Coloidal 99.8% 99. 0%

Aluminio coloidal 99.8% 99. 0%

Sólidos suspendidos 5 LRV 4 LRV

Turbidez <{{0}}. 3 ntu (generalmente menos que 0.1 ntu)

SDI <1. 0 SDI

Giardia 6 LRV 5 LRV

Protozoos 6 LRV 5 LRV

Fungi 6 LRV 5 LRV

Virus 5 LRV 4 LRV

Endovirus 4 LRV 2 LRV

TOC AVG. 70% AVG. 30%

• El efecto de filtración no se ve afectado por la calidad del agua cruda
• Puede eliminar las bacterias resistentes al cloro
• El concentrado de ultrafiltración contiene solo aquellas sustancias contenidas en el agua original
• En comparación con otros métodos tradicionales, la cantidad de sedimento en la ultrafiltración es significativamente menor
• La estructura compacta del soporte mejora la utilización del espacio, ahorra costos y también puede ser altamente flexible para agregar equipos en las plantas existentes.
• La ultrafiltración puede lograr una producción continua industrial totalmente automatizada.
• Dado que la ultrafiltración puede filtrar casi por completo las sustancias que forman la capa de cobertura, la carga de área se puede aumentar en los pasos posteriores de purificación de la membrana, reduciendo así la escala del dispositivo de purificación posterior.

El agua cruda ingresa a la cavidad interna de la fibra hueca y se filtra desde el interior hacia el exterior a través de la fibra.

Por lo general, el agua cruda ingresa desde un extremo del elemento de la membrana y fluye a través de la longitud total de la fibra bajo la presión de 30-40 psi.

El concentrado con un contenido sólido más alto se descarga del otro extremo del elemento de la membrana.

El permeado fluye hacia el tubo de recolección de permeado en el centro del elemento de membrana después de la filtración a través de la pared de la membrana de fibra. El permeado fluye desde el centro de cada elemento de membrana a través de la tubería de recolección de agua.

La ultrafiltración generalmente tiene dos modos de proceso operativo de acuerdo con la calidad del agua cruda: modo de filtración sin salida y modo de filtración de circulación.

4.1 Modo de filtración de extremo muerto

Generalmente se usa cuando los sólidos suspendidos y el contenido coloide en el agua cruda son bajos (como 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 Modo de filtración de circulación/flujo cruzado

Cuando el contenido de sólidos suspendidos en el agua cruda es alto y en la mayoría de las aplicaciones que no son de agua, es necesario reducir la tasa de recuperación para mantener una alta velocidad de flujo dentro del tubo de membrana. Esto causará mucha agua residual. Para evitar los desechos, el agua concentrada descargada se volverá a presurgar y volver al tubo de membrana. De esta manera, aunque se reduce la tasa de recuperación del tubo de membrana, la tasa de recuperación de todo el sistema puede ser muy alta. En este modo, el agua influyente circula continuamente en la superficie de la membrana. La alta velocidad del agua circulante evita la acumulación de partículas en el área de la membrana y aumenta el flujo. Debido a que el agua menos influyente se produce agua, para obtener el mismo rendimiento, el consumo de energía es mayor que el modo de filtración de extremo muerto.