專利名稱：高梯度磁分離器及控制高壓膜表面無機污染的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水處理技術(shù)，涉及物料分離技術(shù)，尤其涉及一種膜污染控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
膜分離技術(shù)作為一項新興的分離技術(shù)，因其諸多優(yōu)點已越來越受到人們的重視。在現(xiàn)有的膜技術(shù)中，高壓膜技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于飲用水軟化、污水處理、食品加工、醫(yī)藥等領(lǐng)域。但是膜污染嚴重的制約著膜技術(shù)的進一步推廣。膜污染能破壞膜的性能并最終縮短膜的使用壽命，從而增加膜的操作和維護費用。目前控制高壓膜污染的方法大體可分為三種。一是改變進料的部分物理化學(xué)性質(zhì)；二是改變操作方式；三是對已經(jīng)污染了的膜進行清洗。(I)改變物料的性質(zhì) 在膜過濾之前，對料液進行預(yù)處理，如調(diào)節(jié)pH、加抑垢劑、超濾和離子交換樹脂
坐寸ο加酸調(diào)節(jié)pH和加抑垢劑會增大膜兩側(cè)滲透壓，使膜的有效操作壓力下降，由于購買酸和抑垢劑及人工操作等費用，會導(dǎo)致膜過程的操作費用上升。上述兩種方法由于都要向水中投加化學(xué)藥劑，對于飲用水深度處理顯然是不可行的。采用超濾或離子離換樹脂可以去除高壓膜組件進水中的一些大分子有機物或鹽類，從而抑制膜污染，但這種預(yù)處理過程往往造價較高，除此之外，超濾膜和樹脂需定期清洗或再生，操作也相對較復(fù)雜。(2)改變操作方式改變操作方式實際上是改善膜面流動方式，其主要方法有一是在膜過程中采取一定的操作策略，如引入脈動流或使膜振動等。二是優(yōu)化和改進膜組件及膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，如在流道內(nèi)設(shè)置構(gòu)件；在管式膜組件的入口處設(shè)一直徑小于管徑的噴嘴，由氣動閥來控制流體周期性地通過噴嘴或通過整個管口進入組件，從而產(chǎn)生旋渦。用這兩種方法可讓流體在膜組件中的流動呈現(xiàn)出減輕膜污染和濃差極化的理想狀態(tài)，如膜面處剪切流速的提高、流動不穩(wěn)定性的出現(xiàn)等。這些方法也存在一些缺點，比如能量損失較高、減少膜的有效利用面積、操作復(fù)雜等。⑶清洗清洗方法的選擇主要取決于高壓膜的構(gòu)型、膜種類和耐化學(xué)試劑能力以及污染物的種類，常用的方法有物理方法和化學(xué)方法兩類。物理方法包括水利方法(這種方法最簡單，但這樣處理過的膜，通量恢復(fù)值較低，經(jīng)短期運轉(zhuǎn)后透水性能再次快速下降)、氣-液脈沖(對于初期受有機物污染的高壓膜是有效的)和保護液浸泡(該法耗時太長，膜的有效利用時間縮短)?；瘜W(xué)方法包括酸堿清洗、表面活性劑清洗和酶清洗?；瘜W(xué)方法比單純的物理方法清洗效果好，但有些化學(xué)清洗劑可能會對工作人員造成一些安全危害，或同膜集合形成新的污染，因此該法在應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合高壓膜的材質(zhì)、構(gòu)型妥善選用。由于上面所說的各種抑制膜污染的方法要么比較復(fù)雜，要么成本較高，要么對操作者存在一定的安全隱患，或是不適用于飲用水處理，所以找到一種簡單易行、投資和運行費用低、無二次污染的抑制膜污染的新方法將極有利于膜技術(shù)的應(yīng)用與推廣。本發(fā)明所提出的高梯度磁分離法恰是針對于此而提出的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠抑制膜過濾過程中高壓膜表面的無機污染，提高高壓膜通量且結(jié)構(gòu)簡單的膜前預(yù)處理器件-高梯度磁分離器，同時同一種采用此種核心部件實現(xiàn)的、無二次污染且投資和運行費用低的抑制膜污染的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種高梯度磁分離器，包括多對水磁鐵、作為水流通道的有效導(dǎo)磁間隙、鋼毛和外套筒，其中，多對永磁鐵間隔排列在有效導(dǎo)磁間隙外，每對永磁鐵的N、S極相對應(yīng)，鋼毛置 于有效導(dǎo)磁間隙內(nèi)，每個永磁鐵的外面包有L形鐵靴。作為優(yōu)選實施方式，所述的永磁鐵為五對或更多對，由釹鐵硼強磁材料制成，每對永磁鐵的表磁強度為O. 5-0. 7T,多對永磁鐵排列在一起后形成的不均勻高梯度磁場為O. 3-0. 6T ;每塊永磁鐵的厚度> 10mm，L形鐵靴的厚度在20_35mm之間；鋼毛的平均直徑為30-50 μ m，填充率為10% ;有效導(dǎo)磁間隙為10mm。本發(fā)明同時提供一種采用上述的高梯度磁分離器實現(xiàn)的控制高壓膜表面無機污染的方法，進水在進行高壓膜處理前，先進行如下的預(yù)處理經(jīng)水泵以O(shè). 03-3m/s的過磁場流速的過磁場流速由下至上進入高梯度磁分離器進行磁化處理。本發(fā)明采用釹鐵硼永磁鐵構(gòu)建磁場，以不銹鋼導(dǎo)磁剛毛形成高梯度。利用高梯度磁場的磁化特性改變高壓膜進水中的結(jié)垢離子形態(tài)，從而控制膜的無機結(jié)垢污染，具有以下優(yōu)點I.采用本發(fā)明所述方法可以減少高壓膜表面無機鈣垢的沉積量，提高膜通量及截留率，膜表面已生成的無機鈣垢可以很容易的用水力沖洗方法除去，從而延長高壓膜的清洗周期和使用壽命。2.采用本發(fā)明所述方法不會改變進水水質(zhì)(不改變pH，不投加化學(xué)藥劑)，無能耗，無二次污染，簡單易行，占地少，投資及維護費用低，對操作人員不會造成危害，特別適用于飲用水(深度)處理工藝。


圖I是本發(fā)明的工藝流程圖。圖2是高梯度磁分離器的正視圖。圖3是一對永磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4 (a)是配水條件下靜態(tài)過濾時納濾膜通量變化。圖4 (b)是配水條件下錯流過濾時納濾膜通量變化。圖4 (C)是自來水條件下靜態(tài)過濾時納濾膜通量變化。圖4(d)是自來水條件下錯流過濾時納濾膜通量變化。
具體實施例方式當(dāng)水分子和水中粒子做切割磁感線運動時，水分子及粒子受到磁場力作用即被磁化。磁場力越大，被磁化的程度就越高。水經(jīng)磁化后，水分子在磁場的作用下，產(chǎn)生扭曲、變形、反轉(zhuǎn)、震動，使分子運動加強，從而使原水中締合形成的各種鏈狀、團狀的大分子(H2O)n,解離成單個水分子。單個水分子的數(shù)量增多，使水分子的活動更自由，使水的溶解度提高、黏滯力降低、滲透性增強，促使水容易滲透到塊垢的微細間隙中。另外，磁化水和膜表面上的垢接觸時，會引起水垢結(jié)構(gòu)中的聯(lián)結(jié)水(結(jié)晶水)的數(shù)量發(fā)生變化，使硬水中的硬鹽晶格結(jié)構(gòu)改變和破壞，導(dǎo)致老垢和膜表面的結(jié)合部位被浸透、破裂、剝離、脫落。再次，磁處理改變了沉淀化合物的存在形式(即生成不同的相)，而且這種來自磁場對結(jié)晶過程的影響能夠改變晶體形成和生長速度。為抑制高壓膜過濾過程中膜表面的無機污染，本發(fā)明以高梯度磁分離器為核心，提出了一種新的工藝流程，如附圖I所示。本發(fā)明對水深度處理工藝進行改進，在進水流入高壓膜組件7之前，進行膜前預(yù)處理，經(jīng)水泵9以O(shè). 03-3m/s的過磁場流速由下至上進入高 梯度磁分離器8進行磁化處理。這里的高壓膜包括納濾膜和反滲透膜。本發(fā)明的核心部件高梯度磁分離器見圖2和圖3，由五對長條形永磁鐵2、有效導(dǎo)磁間隙(水流通道)I、鋼毛3和外套筒4組成，其中五對永磁鐵2中的每塊永磁鐵5表磁強度為O. 5-0. 7T，厚度在IOmm以上，外包有Q255材質(zhì)，厚度為20_35mm的L形鐵靴6，由釹鐵硼強磁材料制成，間隔排列在有效導(dǎo)磁間隙(水流通道)外，N、S極對應(yīng)，鋼毛平均直徑為30-50 μ m，置于有效導(dǎo)磁間隙(水流通道)內(nèi)，填充率為10%，有效導(dǎo)磁間隙為10mm，從而形成O. 3-0. 6T的不均勻高梯度磁場。實驗I :配水條件下高梯度磁分離器對納濾膜運行性能的影響進水為用去離子水配制的碳酸鈣使用液，進水中碳酸鈣的含量為3. OmmoL/L。高梯度磁分離器內(nèi)磁場強度O. 3-0. 6T，進水流速O. 05m/s，運行時間10_15h，取兩份水樣，其中一份做磁化處理，另一份作對照試驗，采用靜態(tài)過濾和錯流過濾兩種方式，每30min測量一次納濾膜通量。I.靜態(tài)過濾時納濾膜通量變化如圖4(a)所示。在兩種條件下，由碳酸鈣結(jié)晶導(dǎo)致膜通量有不同程度的下降。初期膜通量下降迅速，然后下降速率趨向平緩。開始通量迅速衰減主要是由于濃差極化和碳酸鈣晶體在膜表面的沉積作用所導(dǎo)致。運行一段時間后，通量下降趨緩主要與碳酸鈣濾餅層的形成變緩有關(guān)。同時由圖可知，在運行SOOmin后，未磁化處理的膜通量是初始通量的57. 2%，磁化后的膜通量是初始通量的68. 6%。這表明，在納濾膜工藝中，加磁化處理以后，膜通量衰減變緩。2.錯流過濾時納濾膜通量變化在錯流過濾條件下進行試驗，回收率在10%。實驗數(shù)據(jù)如圖4(b)所示，由圖可知，兩次實驗的實驗效果相同。然而，在圖中本次試驗的膜通量衰減慢于上一步的實驗，這主要是在錯流過濾條件下，膜面受到水力沖刷，部分污染物被沖刷掉，導(dǎo)致濾餅層的增長率變慢；另外，錯流過濾時，濃差極化對膜的影響也弱于全過濾。運行800分鐘以后，未磁化的膜通量降為初始通量的67. 9%，磁化后的膜通量降為初始通量的76. 3%。總之，通過兩組實驗結(jié)果可知，磁化處理后膜通量改善在8 12%之間，磁化處理改善了納濾膜的運行性能。實驗2 自來水條件下高梯度磁分離器對納濾膜運行性能的影響I.靜態(tài)過濾時納濾膜通量變化實驗結(jié)果如圖4(c)所示。由圖可看出，納濾膜在運行過程中，不論磁化與否，膜通量均隨運行時間的延長而降低，在運行初期膜通量下降迅速，與配水過濾試驗結(jié)果相同，開始通量迅速衰減主要是由于濃差極化和碳酸鈣晶體在膜表面的沉積作用所導(dǎo)致。普通溶液過濾中，通量衰減速率明顯高于磁化溶液。運行約800min時，未磁化的膜通量降為初始通量的57. 9%，磁化后的膜通量降為初始通量的69. 0%。2.錯流過濾時納濾膜通量變化從圖4(d)中可以看出，隨運行時間延長，未加磁場的膜通量衰減比加磁場的快。運行SOOmin時，未磁化的膜通量降為初始通量的64. I%，磁化后的膜通量降為初始通量的 74. 6%，將磁場引入納濾過程確實可以改善納濾膜的操作性能。由于磁化膜的通量較小，料液濃縮較慢，單位時間內(nèi)被截留的溶質(zhì)相對較少，膜污染速度也較慢。在運行初期，磁化對膜性能的改善遠小于濃差極化和膜污染對膜性能的破壞，因此這時膜通量快速下降；當(dāng)運行一定時間后，磁化效果逐漸體現(xiàn)并與濃差極化和膜污染造成的負面影響相互競爭，到某一時間點，兩種作用達到動態(tài)平衡，膜通量開始穩(wěn)定下來，之后的某一時間段內(nèi)，可能兩種作用勢均力敵，通量能穩(wěn)定一段時間。這段穩(wěn)定期過后，雖然膜污染的情況可能沒發(fā)生什么改變，但因料液的濃縮導(dǎo)致滲透壓加大，有效操作壓力降低，因此通量又逐漸下降?？傊?，通過兩組實驗結(jié)果可知，磁化處理后膜通量改善在10 11%之間，磁化處理改善了納濾膜的運行性能。本發(fā)明可使膜通量提高15-20%，從而延長了高壓膜的清洗周期和使用壽命，同時，這種技術(shù)不會改變進水水質(zhì)(不改變PH，不投加化學(xué)藥劑)，無二次污染，而且由于采用永磁材料形成高梯度磁場，不存在運行能耗問題，也不會對操作人員造成危害，簡單易行，占地少、投資及維護費用低，特別適用于飲用水(深度)處理工藝，具有高壓膜其他抑垢方法所不能達到的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種高梯度磁分離器，其特征在于包括多對永磁鐵、作為水流通道的有效導(dǎo)磁間隙、鋼毛和外套筒，其中，多對永磁鐵間隔排列在有效導(dǎo)磁間隙外，每對永磁鐵的N、S極相對應(yīng)，鋼毛置于有效導(dǎo)磁間隙內(nèi)，每個永磁鐵的外面包有L形鐵靴。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高梯度磁分離器，其特征在于所述的永磁鐵為五對或更多對，由釹鐵硼強磁材料制成，每對永磁鐵的表磁強度為0. 5-0. "7T,多對永磁鐵排列在一起后形成的不均勻高梯度磁場為0. 3-0. 6T。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高梯度磁分離器，其特征在于每塊永磁鐵的厚度>10mm, L形鐵靴的厚度在20-35mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高梯度磁分離器，其特征在于鋼毛的平均直徑為30-50ym，填充率為10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高梯度磁分離器，其特征在于有效導(dǎo)磁間隙為10_。
6.一種采用權(quán)利要求I所述的高梯度磁分離器實現(xiàn)的控制高壓膜表面無機污染的方法，其特征在于進水在進行高壓膜處理前，先進行如下的預(yù)處理經(jīng)水泵以0. 03-3m/s的過磁場流速的過磁場流速由下至上進入高梯度磁分離器進行磁化處理。
全文摘要
本發(fā)明屬于水處理和膜污染控制技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種高梯度磁分離器，包括多對永磁鐵、作為水流通道的有效導(dǎo)磁間隙、鋼毛和外套筒，其中，多對永磁鐵間隔排列在有效導(dǎo)磁間隙外，每對永磁鐵的N、S極相對應(yīng)，鋼毛置于有效導(dǎo)磁間隙內(nèi)，每個永磁鐵的外面包有L形鐵靴。本發(fā)明同時提供一種采用上述器件實現(xiàn)的控制高壓膜表面無機污染的方法。本發(fā)明的裝置和方法可使膜通量提高15-20％，從而延長了高壓膜的清洗周期和使用壽命，同時，這種技術(shù)不會改變進水水質(zhì)(不改變pH，不投加化學(xué)藥劑)，無二次污染。
文檔編號B01D65/08GK102806017SQ20121030637
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月27日
發(fā)明者王亮, 張朝暉, 張宏偉, 趙斌, 張琴, 劉鑫, 張子龍, 王經(jīng)臣 申請人:天津工業(yè)大學(xué)