凯膜及陶瓷膜技术应用比较

胡艳刚，钟永铎，刘进波

（四平昊华化工有限公司，吉林 四平 136001）

盐水精制是氯碱生产的第一道工序,其主要任务是去除盐水中的 Ca2+、Mg2+、SO2-4、有机物、水不溶物及其他悬浮物等杂质,制成精盐水供离子膜烧碱生产使用。盐水的质量直接关系到后续工段的安全、稳定、高效运行,也影响着产品质量。

1 凯膜及陶瓷膜的工艺特点、工艺流程

1.1 凯膜技术的工艺特点及流程

HVM膜盐水精制工艺是通过对粗盐水的预处理和一次膜分离后得到合格的精盐水。在精制过程中固液分离一次完成，无需砂滤器、精滤器，省去了纤维素预涂的工作，也避免了硅的二次污染。同时HVM膜过滤器过滤精度高、盐水质量稳定，处理能力大，是盐水精制膜过滤工艺的最大保障。

淡盐水加氯化钡除硝与工艺水配水后进入化盐桶，化盐后饱和食盐水进入折流槽，在槽中加入次氯酸钠和氢氧化钠，粗盐水进入反应槽，然后打入加压溶气罐，溶气后加入三氯化铁，进入预处理器去除镁和有机物。预处理后，其粗盐水按工艺要求加入碳酸钠，进入反应槽，反应后盐水溢流进入HVM凯膜过滤器，精盐水通过凯膜自过滤器清液腔排出，加入适量亚硫酸钠除净游离氯即可进入电解工序螯合树脂塔。

1.2 陶瓷膜的工艺特点

陶瓷膜工艺处理一次盐水是一项新的盐水过滤工艺技术。该技术利用了无机陶瓷膜独有的物理化学特性，采用高效的“错流”过滤方式，使原盐经化盐溶解和加入精制剂纯碱、烧碱并充分反应后生成悬浮粒子，直接送入膜过滤器进行三段过滤分离，达到盐水精制的效果。相比有机膜过滤,省去了预处理器去Mg2+的工艺，具有工艺流程短，占地少和投资省等优势，有可能成为未来一次盐水处理技术的发展方向。

陶瓷膜工艺相比凯膜工艺省去了预处理器去除Mg2+这一环节，利用自身的优点进行三段过滤分离，实现了盐水过滤技术的进一步优化。

2 膜的结构

2.1 HVM凯膜过滤器的结构

凯膜技术源自于人造血管技术，凯膜是膨化聚四氟乙烯管式多孔膜，该过滤膜孔径小，只有0.22～0.5 μm，过滤方式为微孔膜筒式过滤器。膜上有分布均匀，开孔率极高的微孔，滤膜具有优良的耐腐蚀性和耐热性，具有较高的强度和伸缩性，本身摩擦系数低，对滤饼有不粘性，表面易清理，清膜省时，过滤过程基本可连续运行，但该方法对粗盐水中Mg2+含量要求高，如果原盐中Mg2+含量高时，预处理器能力不足，会造成凯膜运行不正常。

HVMTM膜完全以纯聚四氟乙烯为原材料，具备了聚四氟乙烯的化学及物理性质。是一种强度很高的材料，使滤料寿命大大高于常规滤料。质密、多孔、光滑的膨化聚四氟乙烯膜使固体颗粒的穿透接近零，它的低摩擦系数，化学稳定性及表面光滑的特点使过滤压力极低，适用范围极广。膜的表面极为容易清理，可实现完全的表面过滤。HVM膜具有独特的管式整体结构，长期使用没有膜剥离、撕裂、腐蚀等现象，高效长寿。

2.2 陶瓷膜过滤器的结构

陶瓷膜是一种固态膜，由无机材料加工而成，强度高，陶瓷膜支撑体是采用高纯度进口材料在1 600℃以上的高温下烧结而成，其使用温度一般可达400℃，最高可达800℃，其pH值适应范围为0～14，不受酸、碱、氧化剂影响。在氯碱行业，一般采用50 nm孔径的陶瓷超滤膜，饱和氯化钠盐水通量大于 600 L/（m2·h），过滤盐水 SS＜0.5 mg/L。 膜管上有1个或多个通道，每根膜管的通量很大。采用错流过滤方式操作，又称为切线流操作，与传统的过滤方式（包括凯膜）比较，克服了滤饼层过滤的缺陷。这种方法对悬浮粒子的大小、密度、浓度的变化不敏感，即对盐质中Ca2+、Mg2+含量要求较宽，系统运行时间长，无需频繁进行反冲洗及排出渣料。

2.3 两种膜结构的比较

两种膜外形类似，都具有管式结构，但二者存在本质区别。

（1）材质不同。凯膜是一种有机膜，属于软性材料，滤膜具有优良的耐酸、碱腐蚀性和耐热性能，具有较高的强度和伸缩性，采用的是垂直过滤；陶瓷膜属于无机膜，是一种高强度膜，机械强度高，有良好的耐磨、耐冲刷性能，及耐酸、碱、氧化、腐蚀性能，过滤方式采用错流过滤方式（又称为切线流过滤）。膜的材质不同，会使设备的耐腐蚀性及使用寿命有所区别，凯膜的使用寿命一般为3.5年，陶瓷膜的使用寿命为5年以上。

（2）孔径不同。微孔径的区别及过滤方式的不同，会对过滤物分子大小和物质黏度产生不同影响，其过滤压力也不同。凯膜孔径500～1 000 nm，过滤压力0.05～0.10 MPa；陶瓷膜孔径≤50 nm，平均孔径40 nm，过滤压力为0.15～0.30 MPa，最大工作压力1 MPa，可耐受一定的压力，并在1 MPa的工作压力下长期工作，特别是不会有因膜孔径拉伸导致盐水质量下降等现象发生。

3 成本分析

3.1 投资对比

陶瓷膜使用的工艺是直接将反应桶内的盐水打到过滤器过滤，不需要分步反应，减少了预处理器、后反应桶和盐水厂房面积。凯膜工艺因为在预处理环节加入了三氯化铁，可对盐泥产生絮凝作用，相对陶瓷膜工艺可减少压滤机的投资。总体对比投资费用，陶瓷膜工艺比较有优势。

3.2 运行费用对比

一般氯碱企业所用原盐中主要杂质为Mg2+、Ca2+及其它有机物。氢氧化镁是絮状物,当它含量高时,采用终端过滤方式的有机膜会被堵塞膜孔，导致过滤压力升高、膜通量下降。因此，凯膜工艺必须考虑原盐中的镁含量和钙镁比值，并配备预处理器提前去除氢氧化镁。陶瓷膜工艺采用错流过滤方式，氢氧化镁絮状物以一定的流速在膜表面流动，不会堵塞膜孔，所以对原盐中的镁含量、钙镁比值及水不溶物含量无严格要求。但更小体积的有机物却能够污染膜孔，生产中比凯膜工艺需加入更多的次氯酸钠，消除有机物对膜使用性能的影响。

对比10万t/a离子膜烧碱规模的两种盐水精制工艺的电机运行功率，凯膜按自流工艺计算，陶瓷膜按内循环工艺计算，二者均为120 kW左右，基本相同。

基于以上分析，由于陶瓷膜工艺对Mg2+和水不溶物等杂质宽松的要求，如果企业能够采购到质量指标低于凯膜要求的廉价原盐，陶瓷膜工艺会有非常明显的的运行成本优势，甚至1年节省的原盐采购费用就能够收回一次盐水工艺的投资。如果均采用达到凯膜工艺标准的原盐，则凯膜工艺需要加入三氯化铁和压缩空气，陶瓷膜工艺需要加入更多次氯酸钠和亚硫酸钠，二者运行费用基本相同。

4 两种膜在使用工程中存在的问题及处理方法

4.1 凯膜过滤器在实际生产中存在的问题

4.1.1 凯膜过滤器不反冲

凯膜过滤器控制柜程序经过泄压后直接跳过反冲进入沉降。问题发生后要重点检查液位开关，可能是液位开关被盐结晶卡住，使其不能灵活上下，而导致液位开关一直处于低位，导致其不反冲。

解决方法：将去配水桶的阀门打开，使液面降低，用手上下活动液位开关浮球，使其灵活，然后关闭去配水桶的阀门。可以在PLC控制面板上按FUNC2，再上下拨动浮球，看I00灯是否动作。浮球在高位时灯灭，低位时灯亮。

4.1.2 过滤压力过高

凯膜一般压力升到0.06 MPa水量就很小了。（正常的过滤压力一般0.01 MPa），这种情况可能是原盐出现问题导致有机物含量高，直接把凯膜堵死，这个时候进液高位槽液位一直是满的，膜通量减少，时间长导致气动阀内胆破损。

分析是氢氧化镁还是有机物堵膜，一般加少量的FeCl3或NaClO可以解决。

4.1.3 仪表显示错误

（1）面板上显示设定时间为Er01。出现此现象说明反冲时间超过设定值。首先检查液位开关浮球是否灵活，能不能正常动作。因为正常情况下，当液面下降导致浮球在低位的信号传来后，反冲就应该停止。但在实际运行中会发生很多意外现象,就是浮球到低位，但指示灯没有亮，一直在反冲。这种情况，一般是气动阀的快速排气阀出现问题。

（2）面板出现Er02显示，是因为过滤压力高，设备会停机。直接表现为进液高位槽液位迅速上升并装满，随后预处理器液位上涨导致自动上排泥，再接下来就是渣池液位满。

一般而言，只要认真负责观察，上述事情是不会发生的。很多时候过滤压力并不高，此时出现这种问题主要是线路问题。需要检查电接点压力表的接线是否灵活。同时现场人员巡检要注意观察RUN和STOP指示灯是否正常。

4.1.4 膜管破损导致大量气泡

正常运行时，出现一些小气泡问题不大，当然最好是没有气泡。但出现大量气泡时则需要更换膜管。一般是把上面的孔盖拿下，进行进液观测，看那个孔冒泡大。一般酸洗后会有这种情况发生，因此，要求酸洗时压缩空气不要开太大。

4.2 陶瓷膜过滤器在实际生产中存在的问题

目前，陶瓷膜精制盐水工艺是一种正在发展中的工艺。精简的工艺，较少的设备是到陶瓷膜使用厂家的统一感受。使用此工艺需要进一步了解以下几个方面的问题：

4.2.1 需要明确陶瓷膜的使用寿命

据了解，陶瓷膜过滤管中真正起过滤作用的部件是烧结在陶瓷管壁上的一层氧化锆。氧化锆的使用寿命直接影响到陶瓷膜管的寿命。氧化锆层是否会随着不断的酸洗、反冲以及盐水冲刷而逐渐变薄甚至脱落。在这一点上厂家保证膜的使用寿命为5年，其位于江西湖口新康达化工实业公司的第一套装置运行已经超过5年，目前未换膜。

4.2.2 如何发现膜断裂以及处理时间

在第一二代陶瓷膜设备使用过程中，均发生过膜断裂的情况。陶瓷膜厂家解释的原因主要是第一二代设备采用钢衬PO作为过滤器组件材质，当PO衬层与桶壁剥离起鼓时，会挤断膜管。而膜管与过滤组件中花板连接处使用的是两密封圈密封，当有一根膜管断裂后，如果没有及时的发现，继续大流量流入过滤器中，造成膜管在组件中晃动，将相邻的膜管敲断。这样相互作用，断膜数量变成多支。因此，及时的发现断膜和控制处理时间对膜管和系统的安全具有很重要的影响。目前，主要是通过在清液出口安装在线浊度仪进行监测，以此判断是否发生膜管断裂。

在第三代陶瓷膜盐水精制工艺中，厂家将组件材质改为钛合金，不会再发生膜管被挤断的情况。据了解，其第三代工艺中依然配备了在线浊度仪，但多数氯碱使用厂家搁置不用，说明厂家不再担心有断膜情况发生。

4.2.3 对盐泥液的处理

由于陶瓷膜盐水精制工艺不加入絮凝剂，盐泥颗粒较小，对板框压滤机的要求较高，需要选用合适的滤布，配备更多的压滤机台数。如果板框压滤机配置了水洗和空气吹干工艺，则可达到更好的压滤效果。

4.2.4 膜管的运输问题

现在陶瓷膜厂家供应成套设备时均是在工厂安装好后运输到使用厂家。因此，在运输过程中容易造成膜管的损坏。因此建议厂家安装过滤膜管时能做到现场安装。

5 关于凯膜过滤器与预处理器的问题

凯膜工艺也可以不使用预处理器，但其前提是镁含量相当低。个别氯碱生产企业所使用的真空制盐，盐的品质是没有问题的，完全可以不使用预处理器。但是一旦用盐发生变化，就会出现问题。另外真空制盐的成本相对于其他盐种来说是相当高的，如果在某一时刻真空制盐的价格上涨，迫于成本的压力而使用其他盐种，这时没有预处理器的系统将无法运行。

目前HVM凯膜技术在越来越多的实际生产装置中投入运行,已经为其用户在生产经营中带来了显著的经济效益。同时从众多用户生产实践中获得的宝贵实践经验也必将促进盐水精制工艺技术不断的推陈出新。而陶瓷膜过滤工艺新技术的出现，为氯碱行业提供了全新的盐水精制技术，从理论和实际运行结果看，陶瓷膜工艺确实具有一定的优势，并且随着近几年第三代陶瓷膜工艺的推出和完善，该技术的推广应用，将为企业带来更为显著的经济效益。同时，两者的发展也将为中国氯碱行业的技术创新做出重大贡献。