CN101721915B - 薄膜清洗方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜清洗装置，包括两个电极板与过滤单元，其中过滤单元是配置于该两个电极板之间。过滤单元包括支撑板与薄膜，而薄膜是配置于支撑板上。通过在薄膜区域产生电场，并对薄膜进行逆洗过程，可有效清除薄膜上的积垢物。本发明可使薄膜在清洗后能回复至更接近于初始状态时的通量，能有效消除薄膜结垢与生物性堵塞，并可有效排除的问题，使薄膜可有效使用以解决薄膜淘汰的不经济现象。

Description

薄膜清洗方法与装置

技术领域

本发明涉及一种薄膜清洗方法与装置，特别是涉及一种加电清洗的薄膜清洗方法与装置。

背景技术

薄膜净水处理的应用日趋广泛，为未来关键核心技术，且全球水处理应用的薄膜市场预计将于2010年超过430亿元。然而，薄膜堵塞仍为目前无法克服的技术瓶颈，造成每年薄膜淘汰率约有20％的不经济情况，使得薄膜阻塞(Membrane fouling)的问题造成市场限制与应用价值降低。

薄膜积垢的发生使通量(Flux)衰减或透膜压力(Trans-MembranePressure，TMP)增加，此时薄膜则必须进行清洗以利回复处理效能。然而，薄膜通量会随着薄膜清洗次数增加而减少，或造成薄膜清洗时间启动点之间距缩小，此乃因薄膜不可回复滤阻的比例提高所致，也即薄膜清洗技术未能充分发挥，因此导致薄膜寿命缩短、通量降低等状况发生，而增加了操作及维护成本。

图1表示薄膜通量与时间的关系图，薄膜通量会随着使用时间而逐渐降低，而当薄膜通量降低至特定值时(图中以黑点表示)，便要进行薄膜清洗以恢复薄膜通量。然而，薄膜在经过清洗后，薄膜通量的最大值会逐次降低，使得薄膜清洗的时间间距会逐次减少，薄膜效能与产能因而降低。

薄膜阻塞的原因大致可分为三种，分别为膜孔封闭(pore closure)、膜孔堵塞(pore plugging)与饼层堆积(cake formation)，其中又以膜孔堵塞最难清除而成为薄膜通的最大值逐次降低的主因。

目前薄膜清洗方法主要有水洗、化学药洗与周期性超音波震荡等等。在目前实务上，清水逆洗的方式是最为普遍，但效果较差，且对去除膜孔堵塞的现象较不具效果。此外，化学药洗的效果较佳，但会产生有毒或污染的废水，因为化学清洗剂可能包含碱、酸、清洁剂与氧化剂如次氯酸，使得会衍生有毒或污染废水问题，较不环保，且成本高。另外，超音波无法针对反应槽内所有薄膜进行清洗，均匀性较差，且较无法有效恢复由孔洞阻塞所损失的通量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种薄膜清洗装置及薄膜清洗方法，可使薄膜在清洗后能回复至更接近于初始状态时的通量，能有效消除薄膜结垢(Scalling)与生物性堵塞(Bio-fouling)，并可有效排除(pore plugging)的问题，使薄膜可有效使用以解决薄膜淘汰的不经济现象。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种薄膜清洗装置，应用于板框式净水薄膜上，此薄膜清洗装置包括两个电极板与过滤单元，其中过滤单元是配置于这些电极板之间。过滤单元包括支撑板与薄膜，而薄膜是配置于支撑板上。

本发明还提出一种薄膜清洗装置，应用于中空纤维式净水薄膜上，此薄膜清洗装置包括两个电极板与过滤单元，其中过滤单元是配置于这些电极板之间。过滤单元包括电极线与薄膜，而薄膜是卷绕于电极在线。

本发明还提出一种薄膜清洗装置，应用于卷式净水薄膜上，包括第一电极片、第二电极片、第三电极片、第一薄膜以及第二薄膜，其中第一薄膜是迭合于第一电极片与第二电极片之间，而第二薄膜是迭合于第二电极片与第三电极片之间，且第一电极片、第一薄膜、第二电极片、第二薄膜与第三电极片是卷绕成筒状。

本发明还提出一种薄膜清洗方法，包括下列步骤：提供薄膜，并于薄膜的区域产生电场，以及对薄膜进行逆洗程序。

综上所述，在本发明的薄膜清洗装置与薄膜清洗方法中，通过对薄膜所在的区域通入电场，可暂时改变薄膜的状态，甚至增大薄膜的孔隙，借此大幅提高清水逆洗的效果，以有效清除膜孔堵塞(pore plugging)等积垢物，解决生物性堵塞(Bio fouling)及薄膜结垢(Scalling)问题。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1表示薄膜通量与时间的关系图；

图2A、图2B为依据本发明一实施利的薄膜清洗装置的剖面侧视示意图；

图3A～3C为依据本发明另一实施例的薄膜清洗装置的剖面侧视示意图；

图4为依据本发明另一实施例的薄膜清洗装置的剖面侧视示意图；

图5A、图5B为依据本发明另一实施例的薄膜清洗装置的立体透视示意图；

图6A为依据本发明另一实施例的薄膜清洗装置的剖面示意图；

图6B为图6A的薄膜清洗装置的展开示意图；

图7为依据本发明的一实施例的薄膜清洗方法的流程示意图；

图8为电场环境下的薄膜通量与透膜压力的实验图；

图9为电场环境下的相关光度值的实验图。

其中，覆土标记：

52：原水

54：净水

56：清水

58：浊水

200、300、400、500、600：薄膜清洗装置

212、214、316、512、514：电极板

220、320、420、520：过滤单元

222、322：支撑板

222a、322a：导水沟渠面

222b、322b：集水孔

224、524：薄膜

426：间隙膜

522：电极线

530：导水管

610：第一电极片

620：第二电极片

630：第三电极片

640：第一薄膜

650：第二薄膜

S71～S72：步骤

具体实施方式

图2A与图2B为依据本发明一实施利的薄膜清洗装置的剖面侧视示意图。请先参考图2A，本发明的薄膜清洗装置200包括两个电极板212、214与过滤单元220，其中过滤单元220是配置于这些电极板212、214之间。此外。过滤单元220包括支撑板222与薄膜224，而薄膜224是配置于支撑板222上，并用于过滤原水以产生净水。

在本实施例中，薄膜224可为逆渗透(Reverese Osmosis，RO)薄膜，不过本发明并不限定薄膜224的种类，举例而言，薄膜224也可为纳米过滤(Nanofiltration，NF)薄膜、超过滤(Ultrafiltration，UF)薄膜、微过滤(Microfiltration，MF)薄膜或是其它合适种类的过滤薄膜。

承接上述，薄膜224是承靠于支撑板222的导水沟渠面222a上，而在薄膜224滤水的过程中，原水52(图中以箭号表示)会通过薄膜224过滤而进入导水沟渠面222a。支撑板222的导水沟渠面222a具有导水结构(未图示)，可将通过薄膜224后的净水54(图中以箭号表示)收集，而从支撑板222上方的集水孔222b排出。

请参考图2B，当薄膜224过滤原水一段时间后，便需进行清洗的程序。在本实施例中，首先是将电极板212、214通入电源，以使电极板212具有第一电极性，并使电极板214具有第二电极性，借此在薄膜224的区域产生电场。在本实施例中，第一电极性例如为负极性，而第二电极性例如为正极性，不过本发明也不限定第一电极性与第二电极性何者为正极性或是负极性，且于操作上可为正负极交替。

接着，将清水56自集水孔222b通入进行逆洗过程，以将薄膜224上的积垢物洗出，而通过薄膜224后的水质便是带着积垢物的浊水58。换句话说，本发明便是通过改变薄膜224区域的电场而增加清水逆洗的效果，而本发明加“电”的清水逆洗方式的效果优于传统的清水逆洗、化学药洗或是超音波震荡，且不会有任何化学物残留。以下将分段简述加“电清洗”的特点。

(1)加“电清洗”可随水质与薄膜积垢物状态，调控薄膜224表面的电斥力(Electrostatic repulsion)或表面电位(Surface potential)，可使附着颗粒或积垢物离开膜面的机会增加，此时以清水逆洗则可提高薄膜224表面的清洗效果。此外，本发明还可辅以下方扫流气泡对薄膜224表面冲刷，以更进一步提高清洗的效果。

(2)胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)为薄膜224造成有机性堵塞(Bio-fouling)的原因，加“电清洗”则可破坏胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)与薄膜224表面的连结，使积垢物通过电场环境作用下与薄膜224表面脱离，达到薄膜224清洗效果。

(3)微生物及细菌在电场环境下，会随接触时间增加而去活性化，而具杀菌消毒效果。此外，若在清水中加入氯化钠(盐NaCl)，则可电解产生次氯酸、氯气，则更具薄膜清洗杀菌功效。当然，尽管本发明不需于清水中加入任何化学洗净物便可达到优良的洗净效过，不过本发明也可于清水中加入适当的化学洗净物以进一步提高洗净效果。

(4)加“电清洗”可在电渗透效应下可增加薄膜通量，也即代表清洗通量增加，冲刷力提高而使清洗效能增加。

(5)薄膜224膜孔结构受电场作用力导致变化，借此可解决最难处理的膜孔堵塞(pore plugging)问题，卡在膜孔的颗粒因膜孔结构改变，而有较多的机会被洗出。

(6)清水逆洗无需加化学药洗，属于绿色环保技术，且清洗效果均匀性佳。

在本实施例中，支撑板222的材质例如为压克力或塑料，而电极板212、214的材质例如为石墨、复合金属或不锈钢、钻石电极等等导电材质，不过本发明并不限定支撑板222与电极板212、214的材质。

图3A为依据本发明另一实施例的薄膜清洗装置的剖面侧视示意图。请参考图3A，本实施例的薄膜清洗装置300与前述的薄膜清洗装置200(如图2A所示)相似，其差别在于过滤单元320的支撑板322的材质为导电材质，且支撑板322的两个导水沟渠面322a均可配置薄膜224。在本实施例的清洗过程中，首先是将电极板212、214与支撑板322通入电源，以使支撑板322具有第一电极性(负极性)，并使电极板212、214具有第二电极性(正极性)，借此在薄膜224的区域产生电场。

接着，将清水56自集水孔322b通入进行逆洗过程，以将薄膜224上的积垢物洗出，而通过薄膜224后的水质便是带着积垢物的浊水58。本领域的普通技术人员可轻易理解，于此便不再赘述。

此外，以前述的实施例为基础原型，还可延伸出多个过滤单元的薄膜清洗装置，而如图3B与图3C所示。在图3B中，薄膜清洗装置300a仅是在两个电极板212、214之间再配置多个过滤单元320，而在图3C中的薄膜清洗装置300b则还进一步在过滤单元320之间再配置电极板316，并将电极板316通入电源以使电极板316具有第二电极性(正极性)。本领域的普通技术人员可依据前述说明而稍加延伸变化，惟其均仍属本发明的范畴内。

在本实施例中，薄膜清洗装置可依下列启动时机进行清洗，而其分别为：

(1)固定时间：每隔固定特定时间极自动执行薄膜清洗；

(2)透膜压力(TMP)阀值：当透膜压力(TMP)超出特定阀值时，则自动执行薄膜清洗；

(3)通量阀值：当通量降低至特定阀值时，则自动执行薄膜清洗；

(4)水质阀值：水质不满足设计需求时，自动执行薄膜电清洗；

(5)手动执行

当然，本发明也不限定进行薄膜清洗的时机，而薄膜清洗装置还可包括透膜压力(TMP)自动监控、通量自动监控或自动数据纪录器等等，以于适当的时机启动薄膜清洗。

图4为依据本发明另一实施例的薄膜清洗装置的剖面侧视示意图。请参考图4，本实施例的薄膜清洗装置400与前述的薄膜清洗装置300(如图3A所示)相似，其差别在于过滤单元420还包括间隙膜(Spacer)426，以进一步提高薄膜过滤的效果，其中间隙膜426是配置于支撑板322的导水沟渠面322a与薄膜224之间，且间隙膜426的材质为导电材质。

在本实施例的清洗过程中，首先是将电极板212、214与间隙膜426通入电源，以使间隙膜426具有第一电极性(负极性)，并使电极板212、214具有第二电极性(正极性)，借此在薄膜224的区域产生电场。接着，将清水56自集水孔322b通入进行逆洗过程，以将薄膜224上的积垢物洗出，而通过薄膜224后的水质便是带着积垢物的浊水58。

值得注意的是，本发明并不限定过滤单元的种类与型式，以下将在另举实施例并配合图示说明。

图5A与图5B为依据本发明另一实施例的薄膜清洗装置的立体透视示意图。请先参考图5A，本实施例的薄膜清洗装置500包括电极板512、514与多个过滤单元520，其中这些过滤单元520是配置于电极板512、514之间。过滤单元520包括电极线522与薄膜524，而薄膜524是卷绕于电极线522上，以使过滤单元520的外观形状为圆管状。此外，本发明并不限定过滤单元520的数量。

此外，薄膜清洗装置500还可包括导水管530，而导水管530是连接这些过滤单元520。在薄膜524滤水的过程中，原水52(图中以箭号表示)会通过薄膜224过滤而进入过滤单元520的圆管中央。接着，通过薄膜524后的净水(未绘示)会顺着圆管中央流向导水管530而排出。

请参考图5B，当薄膜524过滤原水一段时间后，便需进行清洗的程序。本实施例首先是将电极512、514与电极线522通入电源，以使电极线522具有第一电极性(负极性)(未标示)，并使电极512、514具有第二电极性(正极性)，借此在薄膜224的区域产生电场。接着，将清水(未图示)自导水管530通入进行逆洗过程，以将薄膜524上的积垢物洗出，而通过薄膜524后的水质便是带着积垢物的浊水58。

图6A为依据本发明另一实施例的薄膜清洗装置的剖面示意图，而图6B为图6A的薄膜清洗装置的展开示意图。请同时参考图6A与图6B，本实施例的薄膜清洗装置600包括第一电极片610、第二电极片620、第三电极片630、第一薄膜640以及第二薄膜650，其中第一薄膜630是迭合于第一电极片610与第二电极片620之间，而第二薄膜650是迭合于第二电极片620与第三电极片630之间，且第一电极片610、第一薄膜640、第二电极片620、第二薄膜650与第三电极片630是卷绕成筒状。

此外，第一电极片610、第二电极片620、第三电极片630的表面具有导水结构，以利导引水流。在第一薄膜640与第二薄膜650滤水的过程中，原水(未图示)会由第二电极片620的导水结构进入而通过两侧的第一薄膜640与第二薄膜650进行过滤，以进入第一电极片610与第三电极片630的导水结构而被导出。

当第一薄膜640与第二薄膜650过滤原水一段时间后，便需进行清洗的程序。本实施例首先是将第一电极片610、第二电极片620与第三电极片630通入电源，以使第二电极片620具有第一电极性(正极性)(未标示)，并使第一电极片610与第三电极片630具有第二电极性(负极性)(未标示)，借此在第一薄膜640与第二薄膜650的区域产生电场。接着，将清水(未图示)自第一电极片610与第三电极片630的导水结构通入进行逆洗过程，以将第一薄膜640与第二薄膜650上的积垢物洗出。

在前述说明薄膜清洗装置的过程中，均有一并说明薄膜清洗方法。然而，为了使本技术领域普通技术人员能更加清楚前述的说明，图7另图示出依据本发明之一实施例的薄膜清洗方法的流程示意图。请参考图7，本发明的薄膜清洗方法主要包括两个步骤，首先如步骤S71所示，提供薄膜，并于薄膜的区域产生电场；接着如步骤S72所示，对薄膜进行逆洗程序。

前文已有详述如何于薄膜的区域产生电场，例如以两个电极产生电场、电极与支撑板产生电场、电极与间隙膜产生电场，或是电极与电极线产生电场等等，本技术领域普通技术人员当可轻易理解，于此便不再赘述。

本发明的薄膜清洗方法可使颗粒较容易脱离薄膜表面、破坏胞外聚合物与薄膜表面的粘附、并使微生物及细菌产生去活性化现象等等。此外，在电渗透效应下通量增加而清洗效能增加，且清洗过程不须加药，而膜孔堵塞(poreplugging)问题也会因膜孔结构改变，将会有较多的机会被水洗出。

实验测试：膜孔孔径变化

测试两种微过滤薄膜(MF)材质，并以高岭土溶液进行测试，分别测试薄膜两侧的进料端与出水端的颗粒粒径大小，通过量测通过薄膜颗粒大小来比较膜孔结构是否有所变化。结果显示，PE膜(Kubota)于无电场及有电场情况下，颗粒平均粒径从40～50nm扩大到80～90nm，而不织布膜于无电场及有电场情况下，颗粒平均粒径从20～30nm扩大到180～200nm。由此可知，电场对膜孔孔径变化有所影响，并视材质不同则变化度有所不同。膜孔结构改变可解决最难处理的膜孔堵塞(pore plugging)问题，而卡在膜孔的颗粒可因膜孔结构改变，会有较多的机会被清水洗出。

实验测试：通量与透膜压力变化

图8显示电场环境下的薄膜通量与透膜压力的实验图，此实验是以活性污泥为测试水体，反应槽运作电流为6mA/cm²，以间歇式进行操作，结果显示，薄膜于电场环境作用下，会发生电渗透效应，通量增加、透膜压力降低。

实验测试：微生物活性测试

进行电场环境下的微生物活性测试，持续以27.7V/mL之操作电压下电解水样，并定期取样进行菌落数及相关光度值(Relative Luminosity Units，RLU)分析，以证明降低生物活性而达到降低生物性积垢之功效。生物活性电解实验测试条件及结果如图9所示。

根据实验结果显示，电解后3分钟，RLU值降低至0。另外，进行菌落数分析，实验结果显示趋势也相同，于实验中0～5min，菌液CFU/ml过多无法计算，但反应10min后，菌液CFU/ml降至为0，因此，证明微生物及细菌在电场环境下，会随接触时间增加而去活性化，而减少薄膜产生生物积垢现象，对逆洗将有所帮助。

综上所述，本发明的薄膜清洗装置与薄膜清洗方法至少具有下列特点：

一、通过对薄膜所在的区域通入电场，可提高清水逆洗的效果，以有效清除膜孔堵塞(pore plugging)等等积垢物。

二、电场也可有效清除微生物与细菌，以解决薄膜生物性积垢问题。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种薄膜清洗装置，包括：

二电极板；

一过滤单元，配置于该电极板之间，而该过滤单元包括：

一支撑板；以及

一薄膜，配置于该支撑板上，

其中，该过滤单元还包括一间隙膜，而该间隙膜是配置于该支撑板与该薄膜之间，且该间隙膜的材质为导电材质。。

2.如权利要求1所述的薄膜清洗装置，其特征在于，该支撑板的材质为导电材质。

3.一种薄膜清洗装置，包括：

两个电极板；

一过滤单元，配置于该电极板之间，而该过滤单元包括：

一电极线；以及

一薄膜，卷绕于该电极线。

4.如权利要求3所述的薄膜清洗装置，其特征在于，还包括一导水管，而该导水管是连接该过滤单元。

5.一种薄膜清洗装置，包括：

一第一电极片；

一第二电极片；

一第三电极片；

一第一薄膜，迭合于该第一电极片与该第二电极片之间；以及

一第二薄膜，迭合于该第二电极片与该第三电极片之间；

其中该第一电极片、该第一薄膜、该第二电极片、该第二薄膜与该第三电极片卷绕成筒状。

6.一种薄膜清洗方法，包括：

提供一薄膜，并于该薄膜的区域产生一电场；以及

对该薄膜进行逆洗程序，

其中，该薄膜的区域产生该电场的步骤包括：

提供一支撑板，而该薄膜是配置于该支撑板上；

提供一间隙膜，而该间隙膜是配置于该薄膜与该支撑板之间，且该间隙膜的材质为导电材质；

提供两个电极板，而该支撑板是位于该两个电极板之间；以及

对该两个电极板与该间隙膜通入电源，以使该间隙膜具有一第一电极性，而该两个电极板是具有一第二电极性。

7.一种薄膜清洗方法，包括：

提供一薄膜，并于该薄膜的区域产生一电场；以及

对该薄膜进行逆洗程序，

其中，该薄膜的区域产生该电场的步骤包括：

提供一电极线，而将该薄膜卷绕于该电极线；

提供二电极板，而该电极线是位于该两个电极板之间；以及

对该两个电极板与该支撑板通入电源，以使该电极线具有一第一电极性，而该两个电极板是具有一第二电极性。

8.如权利要求7所述的薄膜清洗方法，其特征在于，该第一电极性与第二电极性不限定何者为正极性或是负极性，且于操作上可为正负极交替。

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