内压管式超滤膜装置浓缩硅溶胶.pdf

新型内压管式超滤膜装置在硅溶胶生产中的应用新型内压管式超滤膜装置在硅溶胶生产中的应用 本文介绍了内压管式 PVDF 超滤膜装置在硅溶胶浓缩上的应用状况实际运行表 明: 内压管式 PVDF 超滤膜装置作为一项新的化工产品浓缩装置，与传统外压管式超 滤膜装置相比投资费用低、浓缩率高、能耗少、占地面积小、节省劳动力,具有经济 竞争力 硅溶胶由于大的比表面积、高吸附性、高分散度（数纳米到数十纳 米）、高耐火绝热性而成为一种非常重要的无机精细化工产品，在精密 铸造、毛纺工业、造纸技术、硅钢涂层、无机涂料、催化剂载体以及硅 片加工等领域有着广泛应用 我国硅溶胶浓缩的加工起步于 60 年代初期，但在硅溶胶品种、质 量方面还远远不及发达国家，特别是在高浓度、大粒径硅溶胶和快干增 强硅溶胶的生产和应用上还刚刚起步，随着膜分离等新技术的采用正进 一步研究与开发 硅溶胶生产的浓缩阶段,是一项耗能大、周期长的工艺环节传统 的浓缩手段,一般采用减压蒸馏法脱水,现在硅溶胶行业基本淘汰了，而 目前我国硅溶胶浓缩加工设备绝大部分采用 W4型外压管式超滤器，使用 寿命短、能耗高、效率低、劳动强度高随着硅溶胶需求量的不断增长， 传统型号的 W4型超滤器已严重制约了生产规模的扩大以及高浓度多品种 硅溶胶的生产，硅溶胶加工企业希望改进超滤膜装置的呼声很高，因而 新型内压管式 PVDF 超滤膜装置研发具有很大的经济和社会价值。

一、内压管式 PVDF 超滤膜及其组件的特点 一、内压管式 PVDF 超滤膜及其组件的特点 膜分离技术是新型高效的分离技术，它是多学科交叉的前沿产物， 具有高效、节能、安全环保、无相变、无二次污染、操作简单、分子级 分离、环境温和，经济高效，适宜于化工产品浓缩 1.1 新型的内压管式超滤膜通过机械化连续生产，选用特殊高分子 聚酯材料为基材经特殊工艺卷制成 1/2 英寸管式支撑体，耐压达 1MPa， 支撑体和膜同时成型，膜附着力强，成膜性能优良，膜厚度均匀，膜性 能稳定，制成的超滤膜的孔径比较均匀、尺寸分布窄，因而能保证硅溶 胶产品的收率；采用 PVDF 作为超滤膜基材，具有较优良的耐化学性，耐 高温，耐氧化，耐酸碱；针对硅溶胶特别制作的超滤膜，表面光洁度高， 不易污染、通量稳定；光滑而致密的膜表面使膜清洗过程变得极为简单 内压管式 PVDF 超滤膜在硅溶胶浓缩中测定的透水速度、截留率、硅 溶胶各项性能（表 1）说明：该膜对硅溶胶浓缩，透水速度（膜通量）与 截留率方面，优于 W4型外压管式超滤膜采用此膜浓缩的硅溶胶各项性 能检测均达到工艺要求，使用内压管式超滤膜浓缩的硅溶胶粒子大小均 匀、外观规整。

表 1：内压管式 PVDF 超滤膜在部分厂家浓缩硅溶胶运行中数据 操作压力（MPa） 硅溶胶性能 项目 用户 进口 出口 Tmax (℃) PH 值 膜通量 L/m2·h 截留率 (%) SiO2(%) Na2O(%) 江门 XX 厂 0.35 0.05 65 1-1280-23099.2% 30.5 ≤0.13 仙桃 XX 厂 0.40 0.05 70 1-1290-23599.0% 28.4 ≤0.13 青州 XX 厂 0.35 0.05 80 1-1290-23098.5% 26.5 ≤0.15 北京X研究院 0.40 0.06 55 1-1260-22599.5% 38 ≤0.10 1.2 内压管式超滤膜组件 GCG 型内压管式超滤膜组件(见图 1、2)是将多支内压管式超滤膜管 集中成束直接装入特定不锈钢外壳，经过环氧树脂胶封后形成的一种单 立的膜组件，组装密度大，单膜元件膜面积 2.23M 2,相当于一台 W 4型外 压管式超滤器的膜面积； 每支 GCG 型内压膜组件两端用胶密封,形成一个整体(见图 1)， 只需 两个橡胶圈密封，不易泄漏而每台 W4型有 48 支元件,每台需 48 个锥 形圈密封，再加上下部导流槽、上部储槽密封，很易泄漏； 内压管式超滤膜组件单膜元件直径 12.5MM，待浓缩物料在直径 12.5MM 圆形通道内通过，物料流动状况好，不易污堵，因而浓缩倍数也 高，而 W4型膜元件流道只是一个不到 1 MM 的环形空间，流道窄，压力 损失大，硅溶胶浓缩到 25%以上时，压降很大，流动性变差 ，很难继续 浓缩； W4型外压膜受支撑管本身刚性和其内孔圆度的影响，再加上手工制 膜，制备均匀膜的难度较大，而机械化成膜的内压管式超滤膜均匀、表 面光滑，清洗恢复性好； 内压管式超滤膜刮在 0.5MM 厚的特制聚酯微孔布上， 而 W4型外压 膜刮在 5MM 厚的 PE 烧结微孔管上，跨膜压力加大，也增加了能耗， 同时膜通量相对减少。

图 1、GCG 型内压管式超滤膜组件 图 2、GCG 膜组件内的膜管 图 3 内压管式超滤膜与外压管式超滤膜管工作对比图图 3 内压管式超滤膜与外压管式超滤膜管工作对比图 原料液--稀硅溶胶（1）通过膜管--PVDF（2）被分离成渗透物--水（4） 和浓缩物（3）--浓缩硅溶胶 图 4 新一代节能高效 GCG 型内压管式超滤膜组件工作示意图 图 4 新一代节能高效 GCG 型内压管式超滤膜组件工作示意图 工艺参数 工艺参数 2.1 的管道连接件、阀 门、 个 通道 一起， 液出口装有玻璃视镜和透明乳胶管，便于观察各支 膜组件的使用情况 二、内压管式 PVDF 超滤膜装置的组成及二、内压管式 PVDF 超滤膜装置的组成及 内压管式 PVDF 超滤膜装置的组成 内压管式超滤膜装置是由管式超滤膜组件，相关 循环泵、压力、流量仪表、清洗系统等组成 超滤主机由各膜组件管的并、串联排列所组成，膜组件管安装在特 定的支架上 U 型管把这些膜组件管串联起来， 串联起来的膜管就是一 ，并可连接到的进出口集合管上根据产量选择并联几个通道 透过液的收集方法是：把一个通道上所有膜管的透过液出口串联在 导引到 2 个透过液收集总管内。

每只膜组件透过 每只膜组件透过液出口装有隔离阀和透过液阀， 单根膜管如出现泄 漏，只需关掉隔离阀，设备照常运行 管式超滤装置具有占地面积小，膜面积大，结构紧凑，易于排列组 合、操作方便等优点 2.2 内压管式 PVDF 超滤膜装置的工艺流程 将储液槽与水泵、预滤器、超滤器用管道连接，形成一套闭路循环 系统，浓缩液全部返回储液槽，与原液混合后进一步浓缩，被浓缩物在 系统内反复循环，溶剂水透过膜从透过液收集总管排出，循环直至达到 所需浓度要求（见图 5） 根据膜浓缩会导致膜面浓差极化而使膜面污染的状况，在系统中泵 的进口处加装了清洗箱及相应管以便于定期对膜面进行清洗 图 5 新型内压管式超滤装置浓缩硅溶胶工艺流程图图 5 新型内压管式超滤装置浓缩硅溶胶工艺流程图 2.3 内压管式 PVDF 超滤膜装置浓缩硅溶胶性能影响因素、膜污染及 对策 2.3 内压管式 PVDF 超滤膜装置浓缩硅溶胶性能影响因素、膜污染及 对策 2.3.1 影响膜超滤性能的几个主要因素 硅溶胶浓度：硅溶胶浓度：随着硅溶胶浓度的提高，透过通量逐渐下降 图 6、硅溶胶浓度对透过速度的影响 料液温度：料液温度： 一般来说，膜通量随着温度的升高会增加，原因在于温度升 高，物料粘度下降，溶质在溶剂中的扩散系数增大，从而有利于 减轻浓差极化的影响，使超滤膜通量增大。

超滤温度升高，膜通 量随之增大，然而在 70℃时，截留率和平均通量均有所下降，可 能是由于温度升高在提高水与小分子透过速率的同时，膜表面的 硅溶胶浓度增大且有少量通过，使得浓差极化和膜污染加重，导 致截留率和平均通量有所降低， 故推荐 60℃为最适宜的超滤温度 图 7、硅溶胶温度对透过速度和脱盐率的影响 超滤压力：超滤压力：超滤压力增加，可适当提高膜通量，但是提高幅度逐渐减 少压力是超滤进行的动力，一般压力越大，膜通量越大但是随着超滤 的进行，膜表面硅溶胶浓度不断增大，由此引起的浓差极化和膜污染加剧， 膜表面的凝胶层逐渐形成并不断增厚，膜通量减慢，而且使小于膜截留分 子量的小分子物质也可能被截留 图 8、超滤压力对透过速度的影响 2.3.2 导致膜污染的原因导致膜污染的原因 料液低流速运行料液低流速运行：一般超滤膜面流速易控制在 2.5-3M/S ，每组 GCG 型内压管式超滤膜通道需要 25M3/H 的循环流量，如果流量低， 流速慢，超滤膜面会附着凝胶层，透过速度会快速降低 超滤停机时置换不完全超滤停机时置换不完全：停机时需要把膜组件内硅溶胶顶出，并 进行保护或化学性清洗 如不及时完全置换， 硅溶胶会沉积在膜面上， 形成一层胶膜，影响透过速度。

料液自身带来的影响料液自身带来的影响 ：反应不彻底，胶体稳定性差，也容易导致 超滤膜的污染 2.3.3 膜污染的对策膜污染的对策 清洗的必要性：清洗的必要性： 超滤膜在运行一个阶段后，经常出现膜的堵塞和浓差极化现 象 膜的堵塞是某些组分在膜表面和网孔内沉积而导致膜的孔隙孔径 大小发生变化； 浓差极化现象是指截留组分在膜表面形成与过滤方向 相反的浓度梯度这两种现象在硅溶胶浓缩过程中是同时存在的，并 致使膜的过滤能力显著下降为保证膜具有较高的渗透性（即单位表 面的膜积传递溶剂的容量）和明显的截留率（即膜具有截留分子质量 定值以上溶质的能力），超滤系统作业一个周期（一般是浓缩一罐物 料）后用透过水进行一次保护性清洗，运行一定时间后或进口流量低 于参数范围时，就必须及时进行化学清洗 清洗的作用：清洗的作用： 清除沉积在膜网孔内、影响膜渗透率的组分；清除膜网孔内 低分子量盐类物质；未能形成足够粒径的硅溶胶；清除沉积在超滤膜 管内的产品颗粒物；进行管道消毒，控制细菌生长繁殖；清洁管路阀 门、泵和其它部位 清洗的方法：清洗的方法： 每浓缩一个批次（一罐料液）用透过水保护性清洗 15 分钟；连 续生产运行 50 小时， 化学清洗一次 （一般用 5%的 NaOH 水溶液为清洗剂） ， 断续生产则需每天清洗一次。

清洗剂可反复使用多次 2.3.3 预防措施减轻膜污染预防措施减轻膜污染 注意循环泵流量，压力符合超滤器的需要； 膜长时间不用时注意防腐和水密封 ； 建立超滤器运行档案； 配备精密过滤系统，经常性清理过滤袋； 保证通过超滤器的硅溶胶有正常的压降及膜面流速； 关停机一段时间时要及时清洗、水封，保证膜面湿润 三、内压管式超滤膜与 W三、内压管式超滤膜与 W4 4型外压膜浓缩硅溶胶的比较 型外压膜浓缩硅溶胶的比较 3.1. 在能耗上：内压管式超滤膜用于硅溶胶浓缩，最主要的特 点是大幅度降低能耗费用 湖北仙桃某厂采用一套 GCG-SI310-16 型内压管式超滤系统替 换原有 14 台 W4型超滤系统， 14 台 W4型超滤系统原配备 50M 3/H， 38M,15KW 离心泵 2 台，新上 GCG-SI310-16 利用原来其中一台超滤泵 超滤系统 起始硅溶 胶料液 （5.2%） 终点浓缩 硅溶胶料 液（26.3%） 透过水 从起点 浓缩终 点用时 膜平均 通量 (m2/h.l） 浓缩一个 周期耗电 （KWH） 单位产品耗电 （KWH/ M3） W4—14 （原有） 17M3 3.5M3 13.5M35.1h 75.6 15×2× 5.1=153 43.71 GCG-SI310-16 （新上） 17M3 3.5M3 13.5M32.6h 145.5 15×1× 2.6=39 11.14 同样的产能， 节省时间近一半， 而电耗只有原来的约 1/4,节电明显。

该公司年产 3000M 3计算， 使用新设备替代原有设备， 年节省的电费 用为：（43.71-11.14）×3000×1.0 元/度电≈97710 元. 3.2、在设备投资、占地面积方面： 由于新一代 GCG-SI310 型节能高效超滤膜管单位膜面积大、 体积小、 膜及膜壳一体式结构，一支膜管即可代替一台 W4型超滤器并且布置灵 活，可根据实际产能任意排列组合、管道简洁、环境卫生、无泄漏。