СПОСОБ ОЦЕНКИ СТАБИЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ПОТОКА МЕМБРАННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
METHOD FOR ASSESSMENT OF STABLE CONDITION OF MEMBRANE FILTRATION FLOW

Область технического применения
Настоящее изобретение относится к способу оценки величины потока мембранной фильтрации в его стабильном состоянии, требуемой для конструирования новой мембранной фильтрационной установки, основанному на данных начального испытания.
Уровень техники
В мембранной фильтрационной установке, где применяют фильтрационные мембраны, такие как ультрафильтрационные мембраны или мембраны тонкой фильтрации, жидкость, которую следует отделить, пропускают через мембранный модуль и к жидкости прикладывают давление извне мембранного модуля. Желательную фильтрацию затем проводят в условиях, при которых может быть получен определенный поток, основываясь, главным образом, на размере пор мембран.
Природа жидкости, очищаемой в мембранной фильтрационной установке, различается между мембранными фильтрационными установками, и часто в случае, когда различные вещества, содержащиеся в жидкости, вызывают так называемое загрязнение, такое как забивание мембран, поток, таким образом, уменьшается быстро или постепенно. В мембранной фильтрационной установке физическую очистку, такую как продувку воздухом или промывку, таким образом, проводят неоднократно в относительно короткие интервалы времени для восстановления функционирования мембраны до некоторой степени. Более того, при условии проведения химической очистки, которая полностью восстанавливает функционирование мембраны, например, раз в каждые шесть месяцев и в пределах возможного рабочего режима, устанавливают состояние, при котором функционирование может осуществляться стабильно свыше шести месяцев с помощью следующей химической очистки, и вне таких условий функционирование обычно осуществляют при использовании условий, для которых эффективность максимальна.
Типичное поведение рабочего давления во время стабильного функционирования при условии постоянной скорости потока в мембранной фильтрационной установке показано на Фиг.10(a). На Фиг.10(a) горизонтальная ось показывает рабочее время в днях, а вертикальная ось показывает рабочее давление. Увеличенное изображение части, обведенной кружком на Фиг.10(a), показано на Фиг.10(b). Фиг.10(b) показывает кратковременное изменение давления, связанное с периодической очисткой. Как можно видеть из Фиг.10(a), рабочее давление возрастает быстро в начале функционирования. Однако по истечении начального периода начинается стабильный период, и рабочее давление постепенно повышается с постоянным градиентом в рабочем времени. После стабильного периода начинается конечный период, и рабочее давление быстро повышается, достигая эксплуатационного ограничения подающего жидкость насоса, после чего становится необходимой химическая очистка фильтрационных мембран.
Если заранее считать рабочее время от этого начального периода до этого конечного периода с проведением кратковременной очистки, то наиболее эффективно - это работать при максимуме потока, при котором функционирование может проводиться стабильно, при постоянной скорости потока сверх этого периода времени при условии функционирования мембранной фильтрационной установки. Поэтому при конструировании мембранной фильтрационной установки достигают максимальной величины потока в стабильном состоянии, имея условия фиксированной кратковременной очистки с учетом периода рабочего времени между химическими очистками, и соответственно определяют масштаб проектирования мембранной фильтрационной установки.
Однако на стабильное состояние потока во время реальной эксплуатации влияют тип веществ, в нем содержащихся, природа частиц в нем, а также концентрация и так далее жидкости, подлежащей очистке, с включаемой предварительной очисткой, и к тому же считают, что сложным образом влияют различные условия, такие как характеристики фильтрующей мембраны, взаимодействие между веществами, содержащимися в жидкости, подлежащей очистке, и фильтрующих мембранах, условия очистки фильтрующей мембраны, рабочий режим и так далее. Обычно из-за таких сложных взаимодействий, предполагалось, что полностью невозможно оценить заблаговременно величину потока в стабильном состоянии.
В качестве попытки оценить это был предложен метод, известный как SDI (silt density index - коэффициент плотности ила) метод измерения, в которой жидкость, подлежащую очистке, подвергают фильтрации в течение фиксированного времени при постоянном давлении, используя определенный фильтрующий фильтр, и это является попыткой определить величину потока в устойчивом состоянии из измеренного значения скорости потока при времени начала фильтрации и при времени окончания фильтрации. Однако эта методика может быть только применена в узком диапазоне качества воды и таким образом является не очень применимой. Более того, в Japanese Patent Application Laid-open No. 2001-327967 (Patent Document 1) описан способ, в котором сделана попытка оптимизировать поток мембранной фильтрации, интервал физической очистки, измерения времени химической очистки, предварительную очистку, и так далее, из зависимости измеряемых значений количества взвешенного материала, количества растворимого органического углерода и потока мембранной фильтрации. Однако в том изобретении должны быть проанализированы DOC (растворенный органический углерод), Е260 (ультрафиолетовый коэффициент поглощения при 260 нм) и помутнение, что является сложным. Более того, причина органического загрязнения является гуминовая материя, причем степень загрязнения вычисляют из отношения между DOC и Е260, и поэтому в случае, когда другое органическое вещество, а не гуминовая материя, вносит вклад в загрязнение мембраны, по существу его эффект не может быть вычислен.
Обычно при проектировании новой мембранной фильтрационной установки является обычным случай применения мембранного(ых) модуля(ей) с одним типом или множеством типов отобранной для испытаний мембраны (отобранных для испытаний мембран), и при этом используют различные комбинации предварительной очистки и мембранного модуля эмпирически или методом проб и ошибок, проводят заранее с помощью фактически пропускаемой жидкости, подлежащей очистке, через мембранный модуль долговременное функционирование в течение от минимум приблизительно одного месяца до максимум приблизительно одного года, включая сезонные колебания, и исследуют методом подбора, какое максимальное значение потока можно получать стабильно. Например, в непатентном Документе 1 (Усовершенствованная технология очистки воды 21-го века - Advanced Aqua Clean Technology for 21st Century, (ACT 21), Новая разработка мембранной фильтрационной технологии обработки городской воды - New Development of City Water Membrane Filtration Technology, опубликованной Японским центром исследования воды, декабрь 2002, стр. 200-204, 227-230, 257-271, 272-274, 277-279), сообщено о различных подобных результатах исследования, включая сообщения о результатах испытаний, в которых была исследована долговременная стабильность мембранной системы очистки воды во время испытания различных типов предварительной очистки с использованием ультрафильтрационной мембраны на предприятии по очистке воды (Gifu Prefecture Yamanouchi Water Purification Plant).
Альтернативно, случай, когда такое длительное время не может быть взято для испытания, был случаем, когда приняли во внимание эмпирические значения для прошлых мембранных фильтрационных установок, считая относительно похожим состав жидкости, подлежащей очистке, и таким образом величину потока в стабильном состоянии для новой мембранной фильтрационной установки предполагают эмпирически и тогда к этому применяют коэффициент надежности, больший, чем обычно, с целью получения желательного значения.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является предложить способ оценки максимального значения потока в течение долговременного стабильного функционирования, включая кратковременную очистку мембранной фильтрационной установки, основанный на данных измерениях характеристики фильтрационной мембраны во время начальной мембранной фильтрации.
Настоящее изобретение представляет собой способ оценки максимума потока в течение стабильного функционирования мембранной фильтрационной установки, для которой были заданы мембранный модуль и рабочие условия, оценочный способ включает в себя: стадию получения измеренного значения A начальной характеристики мембранной фильтрации для мембранной фильтрационной установки, используя жидкость, подлежащую очистке, и мембрану мембранного модуля мембранной фильтрационной установки; стадию получения максимального значения потока во время стабильного функционирования каждой или множества существующих мембранных фильтрационных установок с мембранным модулем и рабочими условиями такими же, или подобным вышеупомянутым мембранному модулю и рабочим условиям; стадию получения измеренного значения B начальной характеристики мембранной фильтрации для каждой из существующих мембранных фильтрационных установок, используя жидкость, подлежащую очистке, и мембрану мембранного модуля каждой из существующих мембранных фильтрационных установок; и оценочную стадию оценки максимума потока для вышеупомянутой мембранной фильтрационной установки из измеренного значения A, основанную на соотношении между максимальными значениями потока и измеренными значениями B существующих мембранных фильтрационных установок.
Здесь оценочная стадия предпочтительно является стадией представления с помощью формулы или на графике зависимости между логарифмом измеренных значений B начальной характеристики мембранной фильтрации и максимальными значениями потока, и оценки максимума потока для мембранной фильтрационной установки путем экстраполяции или интерполяции измеренного значения A, используя формулу или график.
Более того, рабочие условия предпочтительно включают в себя, по меньшей мере, время фильтрации или условия очистки сетки фильтра. К тому же начальную характеристику мембранной фильтрации предпочтительно выбирают из группы, состоящей из сопротивления постоянному давлению простой фильтрации, количественного сопротивления простой фильтрации, сопротивления постоянному давлению простой фильтрации, включая очистку и количественное сопротивление фильтрации, включая очистку. Более того, измеренные значения начальной характеристики мембранной фильтрации, а также эмпирические значения максимума потока во время стабильного функционирования предпочтительно связывают друг с другом посредством полулогарифмического графика с измеренными значениями на логарифмической стороне.
Полезные эффекты изобретения
Становится возможным очень просто оценить максимальное значение потока в течение долговременного функционирования, включая условия очистки мембранной фильтрационной установки, из измеренных величин потока жидкости для короткого начального периода мембранной фильтрации. Как результат - больше не нужно осуществлять долговременное проведение испытаний при проектировании новой мембранной фильтрационной установки.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематический чертеж, показывающий схематически пример конструкции аппарата для измерения начальной характеристики мембранной фильтрации;
Фиг.2 представляет собой диаграмму, показывающую пример экспериментальных результатов определения максимального значения потока в стабильном состоянии для действующей мембранной фильтрационной установки (А);
Фиг.3 представляет собой диаграмму, показывающую пример экспериментальных результатов определения максимального значения потока в стабильном состоянии для действующей мембранной фильтрационной установки (B);
Фиг.4 представляет собой диаграмму, показывающую пример экспериментальных результатов определения максимального значения потока в стабильном состоянии для действующей мембранной фильтрационной установки (C);
Фиг.5 представляет собой диаграмму, показывающую пример графика для определения количественного сопротивления простой фильтрации;
Фиг.6 представляет собой диаграмму, показывающую характер сопротивления постоянному давлению фильтрации, включая очистку;
Фиг.7 представляет собой диаграмму, показывающую характер количественного сопротивления фильтрации, включая очистку;
Фиг.8 представляет собой диаграмму, показывающую пример соотношения между значением К и максимальным значением потока в стабильном состоянии;
Фиг.9 представляет собой диаграмму, показывающую пример экспериментальных результатов по определению максимального значения потока в стабильном состоянии для новой мембранной фильтрационной установки; и
Фиг.10 представляют собой диаграммы, показывающие пример типичного поведения рабочего давления для мембранной фильтрационной установки.
Лучший вариант осуществления изобретения
Далее идет описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на рисунки. Первое, в настоящем изобретении определены мембранный модуль и рабочие условия для мембранной фильтрационной установки, которую надо вновь установить. Затем измеряют начальную характеристику мембранной фильтрации, такую как сопротивление мембраны фильтрации (это значение взято в качестве значения A), используя мембрану, применяемую в мембранном модуле, и намеченную жидкость, подлежащую очистке, с использованием новой мембранной фильтрационной установки. Измерение выполняют за короткое время, от приблизительно 10 мин до 1 часа.
Затем, выбирают, по меньшей мере, две существующие (действующие) мембранные фильтрационные установки с мембранным модулем и рабочими условиями, такими же как или похожими на мембранный модуль и рабочие условия вновь устанавливаемой мембранной фильтрационной установки, и эмпирические данные по максимуму потока, при котором функционирование можно осуществлять стабильно внутри интервала рабочего времени вплоть до осуществления намеченной химической очистки. Такие эмпирические значения собирают методом подбора путем изменения рабочих условий, например рабочего давления в каждой установке. Более того, используя мембрану мембранного модуля, применяемого в каждой из действующих мембранных фильтрационных установок, и жидкость, подлежащую очистке, в той действующей мембранной фильтрационной установке, измеряют, как указано выше, начальную характеристику мембранной фильтрации (каждое такое значение берут в качестве измеренного значения B).
После этого эмпирические значения максимального значения потока для каждой из действующих мембранных фильтрационных установок, и измеренные значения B наносят на полулогарифмический график с измеренными значениями B на логарифмической стороне. Затем точки соединяют прямой линией, и определяют точку на этой прямой линии, соответствующую измеренному значению А. Если считать значение потока для этой точки, то тогда может быть получено максимальное значение потока, при котором для вновь устанавливаемой мембранной фильтрационной установки функционирование осуществляется стабильно.
То есть, неожиданно, независимо от того, какую очищают жидкость, при условии, что есть данные для максимального значения потока для каждой из множества действующих мембранных фильтрационных установок, каждой, имеющей такой же или похожий мембранный модуль и рабочие условия, тогда с помощью измерения начальной характеристики мембранной фильтрации для мембраны каждой из действующих мембранных фильтрационных установок и начальной характеристики для мембраны вновь устанавливаемой мембранной фильтрационной установки моментально может быть установлен максимум значения стабильного потока для мембранной фильтрационной установки.
Как отмечено выше, для удобства объяснения различные стадии оценочного способа согласно настоящему изобретению были описаны в следующем порядке: измеренное значение A, измеренные значения B, максимальные значения потока, но оценочный способ согласно настоящему изобретению не обязательно ограничен этим порядком. Например, вышеупомянутое может быть определено в порядке - измеренное значение A, максимальные значения потока, измеренные значения B, или даже порядок - максимальные значения потока, измеренные значения B, измеренное значение A.
Изобретение было совершено при обнаружении во время проведения разнообразного анализа данных методом подбора, основанного на эмпирических значениях для многочисленных действующих мембранных фильтрационных установок, сконструированных для различных типов жидкостей, подлежащих очистке, так, что, если построен вышеуказанный полулогарифмический график, то неожиданно, независимо от природы жидкостей, подлежащих очистке, данные для различных действующих мембранных фильтрационных установок, для которых заданы мембранный модуль и рабочий режим, лежат по существу на одной прямой линии.
В результате стало возможным очень легко и в короткое время провести оценку расчетных условий для новой мембранной фильтрационной установки, и более того, чрезвычайно точно, хотя обычно это требовало долговременного проведения испытания в течение самое короткое - от одного месяца до приблизительно одного года. Далее следует более подробное описание.
Первое, новая мембранная фильтрационная установка, на которую ссылаются в настоящем описании, означает мембранную фильтрационную установку, которая находится в перспективном проектировании, но еще не была сконструирована, хотя это также может быть действующая мембранная фильтрационная установка, т.е. мембранная фильтрационная установка, которая была сконструирована без долговременного испытания, проводящегося заблаговременно, но с предполагаемыми расчетными данными, основанными на данных для другой действующей мембранной фильтрационной установки, для которой природа жидкости, подлежащей очистке, является похожей, или установки, для которой не была проведена работа по выяснению эмпирически максимума потока. С такой установкой возможно, что оптимальное конструирование не было обязательно проведено, и следовательно, оценка максимального значения потока является целесообразной.
Далее, устанавливают мембранный модуль и рабочий режим, которые применяют в новой мембранной фильтрационной установке. При создании описанного выше полулогарифмического графика имеются параметры, которые дают различные прямые линии. Здесь тип мембранного модуля определяется, как правило, материалом мембран, формой мембран, например, являются ли мембраны плоскими, или из полых волокон, диаметром пор, числом пор, в случае полых волокон - диаметром волокон, длиной волокон, степенью упаковки волокон в модуле, в случае плоских мембран - размерами мембран, расстоянием между мембранами, а также формой модуля, например, является ли модуль спирального типа, типа пресс-фильтра или подобный, и так далее. В случае, который отличается от вышеуказанного, исполнение мембранного модуля отличается, а следовательно, как правило, устанавливают иной мембранный фильтр.
На практике проведение оценки согласно товарной классификации мембранного модуля является простым и, таким образом, предпочтительным. То есть, простым является оценивание товара такой же марки, которым является мембранный модуль, и продуктов различных марок, которыми являются разные мембранные модули. Считается, что, если установлены различные номера марок, то значит, мембранные модули имеют отличающиеся друг от друга спецификации и работоспособность. В случае, когда установлена более чем одна марка на один продукт, оценку предпочтительно проводят, возвращаясь к вышеуказанным принципам. Более того, то, что мембранные модули являются похожими, означает, что у предусматриваемых мембранных модулей, различные спецификации и характеристики, описанные выше, являются близкими, и, следовательно, мембранные модули можно применять как альтернативы один другому. Характеристики, будучи схожими, означают, что даже если численные значения характеристики различаются, то численные значения заключаются в пределах ±30%. Внутри этого интервала характеристики оценивают как являющиеся похожими или по существу такими же рабочими условиями. Более предпочтительно - численные значения внутри ±20%, еще более предпочтительно - ±10%.
Более того, рабочие условия при реальной эксплуатации означают время фильтрации, включающее в себя сумму (i) времени фильтрационного процесса, когда очищают жидкость, которую следует очистить, (ii) времени для процесса очистки, когда очищают мембраны, и (iii) времени для процесса промывки, когда взвешенный компонент вымывают, как требуется (т.е. время, требуемое для проведения элементарного акта при реальной эксплуатации), чистка мембранной сетки включает в себя, например, форму очистки мембраны, скорость потока воздуха в случае применения очистки воздухом и время обратной промывки, и так далее. В случае, когда это все является одинаковым, то делают вывод, что рабочие условия одинаковы. Более того, даже если их численные значения различаются, при условии, что численные значения заключаются в пределах ±30%, то делают вывод, что рабочие условия являются одинаковыми или внутри интервала - по существу одинаковыми. Более предпочтительно, численные значения заключены внутри ±20%, еще более предпочтительно - ±10%. Отмечено, что не требуется включать предварительную очистку в рабочие условия. Это потому, что хотя природа жидкости, подлежащей очистке, изменяется с помощью определенной предварительной очистки, настоящее изобретение может быть применено независимо от природы жидкости, подлежащей очистке.
Далее, используя мембрану мембранного модуля, который применяют в новой мембранной фильтрационной установке, и жидкость, подлежащую очистке, в новой мембранной фильтрационной установке, замеряют измеренное значение начальной характеристики мембранной фильтрации. Здесь «начальная характеристика мембранной фильтрации» означает характеристику мембраны внутри временного периода от очистки жидкости, подлежащей очистке, отсчитываемого с применения новой неиспользованной фильтрационной мембраны вплоть до стабильного состояния, достигнутого как показано на Фиг.1, но на практике достаточно измерить характеристику мембраны на протяжении интервала времени в приблизительно 10 минут от начавшейся очистки вплоть до самого длительного времени, включающего приблизительно 2-3 стадии очистки. Примерами элемента, измеренного в качестве начальной характеристики мембранной фильтрации, являются сопротивление постоянному давлению простой фильтрации, количественное сопротивление простой фильтрации, сопротивление постоянному давлению фильтрации, включая очистку, количественное сопротивление простой фильтрации, включая очистку, и так далее; далее описан случай, в котором сопротивление постоянному давлению простой фильтрации используют как начальную характеристику. Описание для других начальных характеристик мембранной фильтрации будет дано позже.
Фиг.1 является схематическим изображением аппарата для измерения начальной характеристики мембранной фильтрации. Мембранный модуль, который является центральным в аппарате, представляет собой минимодуль 1, в котором единичное полое волокно 2 длиной 20 см смонтировано в корпусе. В качестве полого волокна используют неиспользованное полое волокно такое же, как полое волокно, которое применят в мембранном модуле, который планируют использовать в новой мембранной фильтрационной установке, несмотря на то, что длина полого волокна сделана соответствующей корпусу. Один конец полого волокна 2 закрыт заглушкой 5, а другой конец сделан открытым концом 6 так, что жидкость, которая проникла сквозь мембрану, может вытекать. Жидкость, подлежащая очистке, поступает в корпус из входного отверстия 3 со стороны минимодуля и только жидкость, которая проникает сквозь мембрану, вытекает из открытого отверстия 6. Выходное отверстие 4 на стороне минимодуля ведет к закрытому концу 63 по линии 62. Очищаемую в новой мембранной фильтрационной установке жидкость 70, которая находится в емкости 11, засасывают из емкости 11 по линии 60 при помощи ролика экструдера 21 насоса 20, которую перемешивают мешалкой 10, подают к входному отверстию 3 на стороне мини-модуля по линии 61. Давление фильтрации прикладывают к минимодулю 1 через вращение насоса 20. Датчики давления 50 и 51 установлены в линии 61 и линии 62 соответственно, и при условии, что измерение выполняется нормально, давления, показываемые двумя датчиками давления, имеют по существу одинаковое значение.
Емкость 31 для получения проникающей через мембрану жидкости 71, вытекающей из открытого конца 6 мини-модуля 1, расположена ниже открытого конца 6. Емкость 31 расположена на электронных весах 30, могущих последовательно измерять массу проникающей через мембрану жидкости 71 для каждой емкости 31. Суммированные данные по массе, измеренной электронными весами 30, посылаются на компьютер 40 и подвергаются обработке, посредством чего вычисляется сопротивление постоянному давлению простой фильтрации - К.
2
Теперь здесь будет описано сопротивление постоянного давления простой фильтрации - К. К также известно как коэффициент Рута (Ruth) фильтрации под постоянным давлением, который является коэффициентом, полученным при исследовании осадка на фильтре в условиях фильтрации под постоянным давлением. Принимая время фильтрации с начала фильтрации как θ и количество фильтрата как V, K определяют как градиент θ/V прямой линии, полученной нанесением точек на график θ/V на вертикальную ось относительно V на горизонтальной оси на обычной миллиметровой бумаге. Этот график θ/V на вертикальной оси относительно V на горизонтальной оси показывается на части компьютера 40 на Фиг.1. Программа вычисления К заложена в компьютере 40. При определении К, при условии, что датчики давления 50 и 51 находятся при постоянном давлении, измерение предпочтительно проводят при условии постоянства скорости вращения ролика 21. Измерение сопротивления постоянному давлению простой фильтрации может быть легко закончено через приблизительно 10 минут. Таким образом, получено измеренное значение А сопротивления постоянному давлению простой фильтрации - К для применения мембраны и жидкости, подлежащей очистке, которые будут использованы в мембранном модуле новой мембранной фильтрационной установки.
Отмечено, что может быть изготовлена любая из различных модификаций аппарата для измерения начальной характеристики мембранной фильтрации, при этом аппарат не ограничивается тем, который показан на Фиг.1. Например, нет ограничения по одному полому волокну, которое размещают в мини-модуле, но вместо него скорее может быть использован минимодуль с плоской мембраной. Более того, измерение можно провести, измеряя изменение давления вместо создания постоянной скорости потока.
Далее, кроме действующих мембранных фильтрационных установок, выбирают ряд мембранных фильтрационных установок, каждая из которых имеет мембранный модуль и рабочие условия такие же, или подобные им, как для новой мембранной фильтрационной установки (на практике мембранный модуль и рабочие условия для новой мембранной фильтрационной установки выбирают, принимая во внимание действующие мембранные фильтрационные установки). При выборе действующих мембранных фильтрационных установок нет необходимости в том, чтобы природа жидкости, подлежащей очистке, была похожа на природу жидкости, подлежащей очистке, в новой мембранной фильтрационной установке.
Затем, данные по максимальному значению потока в стабильном состоянии, измеренные методом подбора, собирают для каждой из множества действующих фильтрационных установок. Обычно, для существующей мембранной фильтрационной установки поток изменяют путем изменения давления фильтрации, как предназначено для оптимизации рабочих условий на время после начала эксплуатации, затем эксплуатацию проводят в этом состоянии в течение определенного периода времени и характер изменения давления фильтрации изучают в течение времени. Примеры ситуаций, в которых это было осуществлено, показаны в таблицах 2-4.
3
2
Фиг.2 показывает результаты эксперимента, в котором поток увеличили на стадиях для определенной действующей мембранной фильтрационной установки (А), проведенного с целью определения, вплоть до того, как могли поддерживать поток фильтрации под постоянным давлением в стабильном состоянии, т.е. максимального значения потока в стабильном состоянии. Здесь поток представляет собой объем жидкости, проникшей через мембрану, полученный на единицу площади мембраны в день, причем в качестве единиц этого использовали - м/м/день=м/день. В начальном периоде эксперимента его начали с маленького потока - 4 м/день и было установлено, что в этом случае получили стабильное состояние. Поток, таким образом, далее увеличили до 6 м/день, после чего градиент давления повысился слишком высоко, и, следовательно, было установлено, что стабильная эксплуатация не является возможной. Может быть видно из этого, что при 6 м/день было превышено максимальное значение потока, при котором может быть получено стабильное состояние. В действительности, последующими испытаниями установили, что максимальное значение потока составляет 4,7 м/день.
Фиг.3 показывает результаты эксперимента по определению максимального значения стабильного потока для другой действующей мембранной фильтрационной установки (B). Эксплуатацию в начале осуществляли при 2,9 м/день, после чего повышение градиента было слишком высоким, как было установлено - 200 кПа, которое является верхним пределом рабочего давления для установки, превышало перед окончанием периода рабочего времени вплоть до запланированной химической очистки. То есть, стабильное состояние не было получено. Таким образом, мембрану затем подвергли химической очистке для возвращения мембраны к состоянию, подобному как в новом изделии, и эксплуатацию осуществляли опять с потоком, уменьшенным до 2,4 м/день, после чего было установлено, что с небольшим градиентом повышения давления могли получить стабильное состояние. Следующее, мембрану опять подвергли химической очистке так, чтобы вернуть мембране состояние, подобное состоянию нового изделия, и эксплуатацию осуществляли с потоком, уменьшенным до 2,6 м/день, после чего было установлено, что стабильное состояние может быть получено даже при таком потоке. К тому же, из результатов экспериментов (не показано), в которых поток регулировали более высококачественно между 2,6 м/день и 2,9 м/день, подтвердили, что максимальное значение потока для действующей мембранной фильтрационной установки (B) составляет 2,7 м/день.
Фиг.4 показывает результаты эксперимента по определению максимального значения потока в стабильном состоянии еще для другой действующей мембранной установки (C). Первое, эксплуатацию осуществляли при условии потока в 1,5 м/день, определив, что в этом случае может быть получено стабильное состояние. Следующее, поток увеличили до 3 м/ день, после чего быстро повысили давление фильтрации, 200 кПа, которое является верхним пределом для давления при эксплуатации установки, что превышалось время от времени. То есть, стабильное состояние не было достигнуто. Из дополнительных экспериментов (не показано), подразделенных на более мелкие стадии, было подтверждено, что максимальное значение потока, при котором может быть достигнуто стабильное состояние для этой мембранной фильтрационной установки, составляет 2,8 м/день.
То есть, максимальное значение стабильного потока определяют эмпирически в стадиях методом подбора, т.е. первую фильтрационную эксплуатацию осуществляют в течение определенного периода времени при значении потока, предполагаемого стабильным, исследуют степень повышения давления и делают вывод, достигнуто или нет повышение градиента давления внутри желательных пределов; в случае достижения желательного градиента, это считается как стабильное состояние, затем поток еще изменяют и делают вывод, достигнуто или нет стабильное состояние. Таким образом, собирают данные по максимальному значению потока в стабильном состоянии, измеренные индивидуально для каждой из действующих фильтрационных установок (на практике, при установлении условий для новой мембранной фильтрационной установки выбирают ряд действующих мембранных фильтрационных установок, которые можно принять во внимание, кроме действующих мембранных фильтрационных установок, для каждой которой были собраны данные).
Следующее, используя мембрану мембранного модуля, примененного в одной из действующих мембранных фильтрационных установок, и жидкость, очищаемую в действующей мембранной фильтрационной установке, измеряют сопротивление постоянному давлению простой фильтрации - К, как описано выше со ссылкой на фигуру 1. Применяемая мембрана является мембраной, будучи неиспользованной, имеющей такие же технические характеристики (или ту же марку), как мембрана, размещенная в мембранном модуле, примененном в действующей мембранной фильтрационной установке. Отмечено, что нет необходимости в таких же по длине мембране или числе таких мембран. Для каждой из остающихся действующих мембранных фильтрационных установок, вне выбранного множества, также измеряют К - сопротивление постоянному давлению простой фильтрации, используя жидкость, очищаемую в той установке, и неиспользованную мембрану, имеющую такие же технические характеристики, как мембрана, размещенная в мембранном модуле той установки. Множество таким образом полученных измеренных значений берут в качестве измеренных значений B. Как в случае новой мембранной фильтрационной установки, описанной выше, это измерение может быть окончено через самое большее приблизительно 10 минут для каждой из мембран. Отмечено, что измеренное значение начальной характеристики мембранной фильтрации является присущим каждой установке, и следовательно, в случае, когда измеренное значение B уже было получено, можно использовать это измеренное значение.
Далее, значение потока в стабильном состоянии оценивают для новой мембранной фильтрационной установки из данных, полученных, как описано выше. Первое, множество измеренных значений B для К и максимальных значений потока в стабильном состоянии для действующих мембранных фильтрационных установок, полученных, как описано выше, наносят на полулогарифмический график, причем значения К - на логарифмической стороне. Следующее, рисуют прямую линию, проходящую через нанесенные точки. Как уже описано выше, было обнаружено, что независимо от природы жидкости, подлежащей очистке, если установлены мембранный модуль и рабочие условия, затем даже и точки, которые были измерены для различных мембранных фильтрационных установок, то все точки лежат на одной и той же прямой линии. То есть, можно оценить, что на этой прямой линии также существует точка для новой мембранной фильтрационной установки.
Соответственно, если измеренное значение A для K для новой мембранной фильтрационной установки, полученное как описано выше наносят на прямую линию, а значение потока мембранной фильтрации считывают по вертикальной оси, то затем это значение можно оценить как являющееся максимальным значением потока, при котором может быть получено стабильное состояние для данной новой мембранной фильтрационной установки. То есть, оценка стабильного состояния новой мембранной фильтрационной установки может быть осуществлена экстраполяцией или интерполяцией данных для действующих мембранных фильтрационных установок.
Таким образом, на основании эмпирических значений для действующих мембранных фильтрационных установок и начальной характеристики фильтрации, которую легко можно измерить, безотносительно любой разницы в природе жидкости, подлежащей очистке, можно чрезвычайно точно получить желательное максимальное значение потока. Таким образом, больше нет необходимости в долговременной испытательной эксплуатации, которая до сих пор было необходима для новых мембранных фильтрационных установок, или испытательной эксплуатации путем подбора для определения максимального значения потока после того, как установка была сконструирована.
Наоборот, если измеряют начальную характеристику мембранной фильтрации мембран, применяемых в каждом из различных мембранных модулей с жидкостью, очищаемой в новой мембранной фильтрационной установке, то затем можно заблаговременно определить мембранный модуль и рабочие условия, подобные тем, которые применяют в действующей мембранной фильтрационной установке, для применения с целью получения самого максимального потока в новой фильтрационной установке, т.е. оптимальные условия.
То есть, если создана база данных, имеющая сохраненные там данные по начальной характеристике мембранной фильтрации и максимальному значению потока для действующих мембранных фильтрационных установок при различных условиях, то затем просто измерением начальной характеристики мембранной фильтрации для каждой из различных мембран, использующих жидкость, очищаемую в новой мембранной фильтрационной установке, незамедлительно могут быть определены оптимальный мембранный модуль и рабочие условия для новой мембранной фильтрационной установки.
Затем, в качестве начальных характеристик мембранной фильтрации, которые можно использовать, отличающихся от сопротивления К простой фильтрации, описанного выше, примеры включают количественное сопротивление простой фильтрации, сопротивление постоянному давлению фильтрации, включая очистку, и количественное сопротивление фильтрации, включая очистку. Однако отмечено, что начальная характеристика мембранной фильтрации для этого не ограничивается, но еще может быть любой параметр, позволяющий определить начальную характеристику мембраны.
Например, количественное сопротивление простой фильтрации определяют из изменения по прошествии времени в проникающем через мембрану количестве рабочего давления, как измерено при использовании аппарата из Фиг.1 при условии постоянной скорости потока, как градиент прямой линии, полученной в случае нанесения суммированной величины V, объема проникающего через мембрану (который соответствует времени), на горизонтальную ось и рабочего давления P на вертикальную ось графика на обычной миллиметровой бумаге. Это показано на Фиг.5. Это количественное сопротивление простой фильтрации является действительным с точки зрения того, что мембранную фильтрационную установку на практике эксплуатируют при количественных рабочих условиях. Однако, с другой стороны, аппарат для измерения начальной характеристики мембранной фильтрации становится сложным, так как возникает необходимость операции регулирования насоса посредством сигналов от датчиков давления.
Более того, в качестве начальной характеристики мембранной фильтрации можно также использовать такую, которая включает до двух-трех стадий очистки, хотя измерение становится более сложным. На К, при условии постоянного давления с добавленными условиями очистки, ссылаются, как на сопротивление постоянному давлению фильтрации, включая очистку. Это показано на Фиг.6. Сплошная линия представляет собой реальные данные измерений, причем возможно использовать градиент сплошной линии, показанный ломаной линией, в качестве начальной характеристики мембранной фильтрации.
Аналогично, при измерении также можно использовать количественное сопротивление простой фильтрации с добавлением до приблизительно двух-трех стадий очистки. На это сопротивление при количественном условии с добавленными условиями очистки ссылаются как на количественное сопротивление фильтрации, включая очистку. Это показано на Фиг.7. Сплошная линия представляет собой реальные данные измерений, включая очистку, причем возможно использовать градиент прямой линии, показанный ломаной линией, в качестве начальной характеристики мембранной фильтрации.
К тому же, что касается температуры во время эксплуатации, то предпочтительно заблаговременно установить стандартную температуру из рабочей температуры для действующей мембранной фильтрационной установки, и сделать изменение оттуда путем преобразования, используя температурное изменение вязкости жидкости, подлежащей очистке. Далее следует более подробное описание настоящего изобретения посредством действующего образца; однако объем настоящего изобретения не ограничивается этим действующим образцом.
Пример 1
2
Перед конструированием новой мембранной фильтрационной установки для фильтрования сточных вод во время обратной промывки оценили максимальное значение стабильного потока для определенной установки песчаной фильтрации речной воды. Мутность сточных вод была относительно высокой - 100. Было решено выбрать полуволокнистый тип мембранного модуля тонкой фильтрации, изготовленного Asahi Kasei Chemicals Corporation (модель номер UNA-620A, площадь мембраны 50 м) в качестве мембранного модуля, который полагали пригодным по требуемой пропускной способности и так далее, и стабильный рабочий период времени вплоть до химической очистки был задан в 6 месяцев. Более того, сумма в 30 минут, включающая в себя 28,5 минут процесса фильтрации, 1 минуту очистки воздухом с обратной промывкой, а также 30 сек промывки, была взята как элементарный акт, причем это составляет стандартные рабочие условия, и эксплуатацию осуществляют путем повторения этого элементарного акта. Во время очистки воздухом с обратной промывкой добавили гипохлорит натрия до концентрации 1-5 мг/л к фильтрату воды, использованного в обратном промывании. Было измерено сопротивление мембраны постоянному давлению фильтрации - К, используя неиспользованную мембрану, которую следует применить в мембранном модуле, аппарат, показанный на Фиг.1, и сточные воды для проведения обратной промывки при песчаной фильтрации. Измеренное значение было относительно высоким - 0,35. Это было взято за измеренное значение А.
Следующее, были выбраны три установки, которые использовали мембранный модуль, имеющий такой же номер модели, как мембранный модуль, выбранный выше, и такие же рабочие условия. Одна была мембранной фильтрационной установкой (A), осуществляющей фильтрацию речной воды с мутностью 0,03, для которой некоторые из экспериментальных результатов показали на Фиг.2. Используя неиспользованную мембрану, такую же как мембрана, примененная в мембранном модуле мембранной фильтрационной установки (A), и речную воду, очищаемую мембранной фильтрационной установкой (A), было сделано измерение сопротивления мембраны постоянному давлению фильтрации - К при температуре 20°C с использованием аппарата Фиг.1 - 0,00033. Это было взято как одно из измеренных значений B.
Вторая установка была мембранной фильтрационной установкой (B), осуществляющей фильтрацию промышленной воды с мутностью 1, некоторые экспериментальные результаты для которой показали на Фиг.3. Мембранный модуль и рабочие условия, использованные в этой мембранной фильтрационной установке (B) были такими же, как для мембранной фильтрационной установки (A). Было сделано опять измерение сопротивления мембраны постоянному давлению простой фильтрации - К, используя аппарат Фиг.1, промышленную воду и мембрану для мембранной фильтрационной установки (B), - 0,022. Это было взято как второе из измеренных значений (B).
Третьей установкой была мембранная фильтрационная установка (C), некоторые данные для которой показали на Фиг.4, осуществляющая фильтрацию речной воды, которая была сделана имеющей мутность 0,14 посредством добавления предварительной очистки, включающей в себя коагулирующую седиментацию и песчаную фильтрацию неочищенной (необработанной) воды. Мембранный модуль и рабочие условия, использованные в этой мембранной фильтрационной установке (C) были такими же, как для мембранной фильтрационной установки (A). Используя предварительно очищенную воду и мембрану для мембранной фильтрационной установки (C), опять сделали измерение сопротивления постоянному давлению простой фильтрации - К, используя аппарат Фиг.1, - 0,0187. Это было взято как третье из измеренных значений (B).
Максимальное значение стабильного потока, которое предварительно было определено, и сопротивление постоянному давлению простой фильтрации - К для каждой из мембранных фильтрационных установок A-C показаны в таблице 1.
Таблица 1
Значение К
Поток мембранной фильтрации (м/день)
0,00033
4,7
0,022
2,7
0,0187
2,8
График с этими значениями, нанесенными в виде белых кружков (○) на полулогарифмический график, сопротивления постоянному давлению простой фильтрации - К на логарифмической стороне показан на Фиг.8. Можно видеть, что в результате три точки лежат на одной прямой линии, как показано на Фиг.8. Точка для измеренной величины A, описанной выше (значение К=0,3500), нанесена на прямую линию как черный квадратик (), и считывание значения потока в этой точке дает 1,4 м/день. Это представляет собой предполагаемую величину максимального значения стабильного потока.
Затем, после того как была сконструирована новая мембранная фильтрационная установка на основе выбранного мембранного модуля и рабочих условий, во время осуществления процесса фильтрации речной воды, сделанной с мутностью замутнением в 100 посредством добавления предварительной очистки, поток изменяли синхронно, так чтобы измерить максимальное значение стабильного потока. Пример поведения фильтрационного процесса во время измерения показан на Фиг.9. Можно видеть, что стабильное состояние было достигнуто при вплоть до 1,39 м/день, но при 1,74 м/день повышение давления было слишком быстрым, и, следовательно, стабильное состояние не достигнуто. Измеренная величина максимального значения стабильного потока из более подробных экспериментов была 1,4 м/день, и, следовательно, возможно было получить результат, который хорошо соответствовал предполагаемому значению в пределах погрешности измерения.
Базисный пример
0
15
Была сделана попытка оценить максимальное значение потока в стабильном состоянии с использованием метода измерения SDI. Были подвергнуты фильтрации жидкости, подлежащие очистке в мембранных фильтрационных установках (A), (B) и (C) из рабочего примера 1, используя фильтр тонкой очистки с размером пор 0,45 мкм (изготовленного фирмой Millipore, торговая марка HAWP 47 mm ϕ) в качестве фильтра. В качестве условий фильтрации давление фильтрации было сделано зафиксированным при 210 кПа, и интервал времени для измерения скорости потока фильтрации был сделан равным 15 минутам. Первое, было измерено время, требуемое для фильтрования 500 мл жидкости, подлежащей очистке, в начале фильтрации. Оно было взято как t. Затем, фильтрация была продолжена и до истечения периода измерений в 15 минут от начала фильтрации, опять было измерено время, требуемое для фильтрования 500 мл жидкости, подлежащей очистке. Оно было взято как t. SDI был вычислен из этих измеренных значений по следующей формуле:
SDI в случае использования жидкости, подлежащей очистке, в мембранной фильтрационной установке (A) был 0. Более того, SDI в случае использования жидкости, подлежащей очистке, в мембранной фильтрационной установке (B) был 3,8. К тому же, SDI в случае использования жидкости, подлежащей очистке, в мембранной фильтрационной установке (C) был 6,5. Даже при близости друг к другу максимальных значений стабильного потока для мембранной фильтрационной установки (B) и мембранной фильтрационной установки (C) результатом было то, что значения SDI сильно различались. Более того, используя жидкость, очищаемую в новой мембранной фильтрационной установке действующего примера 1, подобно был измерен SDI, но не было получено жидкости, проникшей через мембрану, так как мутность была высокой. То есть, скорость потока фильтрации была нулевой и, следовательно, измерение было невозможно.
Согласно настоящему изобретению при конструировании новой мембранной фильтрационной установки может быть легко оценено максимальное значение потока в течение долговременной стабильной эксплуатации, включая кратковременную очистку мембранной фильтрационной установки, без проведения долговременной испытательной эксплуатации, из измеренных данных характеристики мембранной фильтрации во время начальной мембранной фильтрации, которые могут быть определены за короткое время.