专利名称：温度响应性膜、温度响应性膜组件、及使用它们的膜过滤系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种温度响应性膜、一种温度响应性膜组件以及使用它们的膜过滤系统，该膜过滤系统适用于处理水例如，淡水，如江水、地下水和湖水；废水，如存储的雨水、工业废水和污水；及海水如压载水。
背景技术：
在水处理领域中，例如，微滤膜、超滤膜、纳滤膜、和反向渗透膜是目前为止一直用来过滤原水(淡水如江水、地下水和湖水；废水，如存储的雨水、工业废水和污水；及海水如压载水)从而获得家用水、工业用水和农业用水的方法。
这些膜在分离固体成分如微生物、藻类、和原水中粘土方面具有高的性能。近些年，亲水材料通常被用作膜材料。而且认为即使在使用亲水材料时，对每个膜的表面用重镉酸钾的硫酸溶液进行亲水处理也会提高膜的过滤性能(参考，例如，日本特开平5-23553)。
然而，当为净化水连续流过膜时，因为净化水中固体成分在膜表面及内部的积聚，过滤阻力会增加。相应地，随着操作时间的流逝，膜的过滤性能可能会因(1)膜本身质量的变化及(2)外界因素而下降。膜本身质量的变化包括物理劣化如膜的压紧和损坏，因水解、氧化等而造成的化学劣化、及生物学劣化如膜被微生物同化。外界因素包括在膜表面积聚微细颗粒及悬浮物质。此时，为了获得所需要量的处理水，需要提高膜压差。因此，操作膜过滤系统所需的能量就可能需要增加。
相应地，在这样的一个膜过滤系统中，进行物理洗涤以除去粘结在膜表面或在膜内部的物质中的可逆物质。该物理洗涤包括在预先确定的时间周期或当发现膜压差已经达到了预先确定的升高值时，使经过滤处理过的水从处理水一侧流过膜和从原水一侧输送压缩空气。
另一方面，不能够用这样的物理洗涤办法除去的物质逐渐积聚在膜的表面及其内部。为此，当膜压差超过预先确定的上限时，膜过滤处理就会被停止，并对膜实施化学洗涤以除去所粘附的、不能用物理洗涤除去的物质。
在这样的一个膜过滤系统中，在重复物理洗涤的同时，还重复下述洗涤循环以尽可能地延长同一过滤膜的使用寿命。在洗涤循环中，当膜压差超过预先确定值时，进行化学洗涤。在粘附在膜表面及在膜内部的物质不能够通过化学洗涤除去，并因此无法恢复膜压差的情况下，或在膜的使用寿命超过了一定时期的情况下，该膜就被断定为已经达到了它的使用寿命并被更换。在这些情况下，膜过滤处理就必须在每次过滤膜被化学洗涤或被更换时被停止。因此，有必要尽可能地降低对膜进行化学洗涤和更换的频率。同时还需要提高膜过滤系统的操作速率，并降低化学洗涤和更换膜的成本。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的一个目标就是提供一种温度响应性膜、一种温度响应性膜组件，以及一个使用它们的、用于处理水的膜过滤系统。在该膜过滤系统中，可以通过提高处理水的量来提高操作速率，同时化学洗涤和更换膜的成本也可以被降低。相应地，整个运行的成本可以被降低。
为了实现上述目标，本发明的温度响应性膜具有如下特性。该温度响应性膜配有一个膜基底和孔径调节构件。该膜基底由聚合物材料制成并且其中具有许多孔。每个孔径调节构件的形成都是通过将聚合物材料加到膜基底的外表面上而实现的。该聚合物材料在预先确定的温度下可逆地膨胀/收缩。在25-60℃的温度下，形成在膜基底中的孔的最大直径为不大于100μm。另外，聚合物材料至少是由选自以下(1)到(7)材料中的一种形成的。
(1)通过N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸、2-羧基异丙基丙烯酰胺、和3-羧基正丙基丙烯酰胺共聚而形成的聚合物，(2)N-乙烯基异丁酸酰胺聚合物，(3)聚-N-烷基丙烯酰胺衍生物，(4)以聚异丙基丙烯酰胺为代表的聚丙烯酰胺衍生物与聚乙烯基衍生物的共聚物，(5)N-乙烯基C3-9酰胺如N-乙烯基异丁酸酰胺与N-乙烯基C1-3酰胺如N-乙烯基乙酰胺的共聚物，(6)聚丙烯酰胺衍生物和聚-N-乙烯基酰胺，及(7)由N-异丙基丙烯酰胺构成的单体的聚合物和由N-乙烯基异丁酸酰胺构成的单体的聚合物。
另外，本发明温度响应性膜组件的特征在于上述温度响应性膜成形为平面或圆筒的形式，并被填充到容器中。
另外，本发明温度响应性膜组件的特征在于多个上述温度响应性膜成形为平面或圆筒的形式，并浸入到原水流入的槽中。
而且，本发明的膜过滤系统的特征在于包括一种上面所述的温度响应性膜组件。
依照本发明，在所述膜上可以实现非常好的洗涤效果，且压差的增高可以在长时期内被抑制。从而，化学洗涤和膜更换的周期可被降低。这使得该膜过滤系统的操作速率提高，且所需化学洗涤或膜更换的成本降低，进而造成整个运行成本的降低。
图1A和1B为本发明温度响应性膜的横截面构造示意图。
图2是本发明温度响应性膜的孔径的膨胀和收缩比例同流体温度之间关系的说明3是温度响应性膜组件类型的说明4是作为本发明温度响应性膜组件的实例的圆筒形膜组件的外套容纳构造示意图。
图5A和5B是作为本发明温度响应性膜组件的实例的平面膜组件的构造示意图。
图6是本发明温度响应性膜过滤系统的第一实施方案的结构图。
图7是本发明膜过滤系统的第一实施方案的另一实例的结构图。
图8是本发明膜过滤系统的第二实施方案的结构图。
图9是本发明膜过滤系统的第三实施方案的结构图。
图10是本发明膜过滤系统的第四实施方案的结构图。
图11是本发明膜过滤系统的第五实施方案的结构图。
图12是本发明膜过滤系统的第六实施方案的结构图。
图13是本发明膜过滤系统的第七实施方案的结构图。
图14是本发明膜过滤系统的第八实施方案的结构图。
图15是本发明膜过滤系统的第九实施方案的结构图。
图16是本发明膜过滤系统的第十实施方案的结构图。
具体实施例方式
(温度响应性膜的实施方案)图1A和1B显示了本发明温度响应性膜的实施方案。
本发明温度响应性膜10由膜基底1和孔径调节构件2组成。该膜基底1由聚合物材料制成。该孔径调节构件2是通过将聚合物材料加到膜基底1的外表面侧上形成的。该聚合物材料在给定的温度下可逆地膨胀/收缩。N-异丙基丙烯酰胺是孔径调节构件2的实例。N-异丙基丙烯酰胺本身对温度没有响应。但是，通过聚合N-异丙基丙烯酰胺而得到的聚合物对温度具有响应性。
如图1A所示，含有固体成分3的原水(淡水如江水、地下水和湖水；废水，如存储的雨水、工业废水和污水；及海水如压载水)通过带有直径不大于100μm的孔的温度响应性膜10过滤。利用温度响应性膜10的筛选作用，直径大于孔的直径的、原水中的物质就会被膜表面和孔径调节构件2截留。包含在原水中的固体成分3除包括无机材料如二氧化硅胶体、班脱土和粘土外，还包括细菌如大肠杆菌(Escherichia coli)、原生动物如似隐孢菌(cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia)和浮游生物(plankton)。这些固体成分3含有羧基、氨基、羟基等。
在本实施方案中，过滤和反洗是利用聚合物链相应于温度变化的膨胀和收缩而实施的。也就是说，通过使用温度响应性膜10，当原水从膜的上面流至膜的下面时，固体成分3会被截留在膜的上表面。
在反洗时，如图1B所示，当进行从膜表面下至膜表面上方向的反洗时，通过将停滞于膜表面上的原水或从膜的表面下供给的反洗水加热到25至60℃的温度，而使得聚合物材料膨胀/收缩。
如上所述，N-异丙基丙烯酰胺本身对温度没有响应性。但是，通过聚合N-异丙基丙烯酰胺而得到的聚合物对温度具有相应性。
过滤和反洗是利用N-异丙基丙烯酰胺聚合物链相应于这样的一个温度变化而产生的膨胀和收缩而实施的。具体而言，通过使用本发明的温度响应性中空纤维膜，原水从中空纤维膜的外表面侧流至膜的内表面。结果，原水中的固体成分会被截留在膜的外表面上。随后，在进行从中空纤维膜的内表面至外表面的反洗时，滞留在中空纤维膜外表面的原水被从25℃加热到60℃。结果，N-异丙基丙烯酰胺聚合物链收缩。此时，温度响应性膜10的孔径随着聚合物链因脱水收缩而被增大(开口)。
由N-异丙基丙烯酰胺制备的孔径调节构件2带有酰胺基团作为侧链。如图2所示，在大约25℃或更低温度下，孔径调节构件2通过水合而膨胀，在大于25℃时，通过脱水而收缩。在近40℃时，收缩几乎达到平台。相应地，反洗最好在25至60℃的温度范围内加热来收缩聚合物材料。
另外，此时膜压差通常为大约5至30 kPa。由Japan WaterResearch Center发布的SYOUKIBO-SUIDOU NI OKERU MAKU-ROKA-SISETSU DOUNYU GAIDORAIN(小规模水管线路膜过滤设备介绍指南)规定了对于微滤膜，膜压差应最大为150kPa，对于超滤膜，最大为300kPa或更小。因此希望膜压差应保持在与那些值相同或更小的数值上。
如上所述，在传统的膜中，带有羧基、氨基、羟基及类似基团的固体成分3通过氢键粘附在膜的表面。因此，固体成分3难于仅仅用简单的反洗来除去。固体成分3与膜表面之间的粘合力的减弱可以通过在进行反洗时将截留固体成分3的膜表面上的原水和处理水在25至60℃的温度区间加热而实现。除上述效果外，这使得固体成分的除去变得简单。
作为聚合物材料，考虑的是(1)通过N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸、2-羧基异丙基丙烯酰胺和3-羧基-N-丙基丙烯酰胺共聚而形成的聚合物，(2)N-乙烯基异丁酸酰胺共聚物，(3)聚-N-烷基丙烯酰胺衍生物，(4)以聚异丙基丙烯酰胺为代表的聚丙烯酰胺衍生物与聚乙烯基衍生物的共聚物，(5)N-乙烯基C3-9酰胺如N-乙烯基异丁酸酰胺与N-乙烯基C1-3酰胺如N-乙烯基乙酰胺的共聚物，(6)聚丙烯酰胺衍生物和聚-N-乙烯基酰胺，及(7)由N-异丙基丙烯酰胺构成的单体的聚合物和由N-乙烯基异丁酸酰胺构成的单体的聚合物。注意的是，温度响应性膜不限于这些聚合物。温度响应性膜可以是任何在预先确定的温度下可以可逆膨胀/收缩的聚合物材料。
(温度响应性膜组件的实施方案)下文对本发明温度响应性膜组件的一个实施方案进行说明。
膜和膜组件的形状可如图3所示进行分类。注意的是，该分类引用Japan Water Research Center发布的SUIDOU-YOU MAKU-ROKA-GIJUTSU NO ATARASHII TENKAI(水管线路膜过滤技术的新发展)。
如图3所示，膜组件的形状可以大致分成外套容纳型和槽浸渍型。此外，在每个膜组件中待被装填的组件的形状可被分成圆筒形膜和平面形膜。外套容纳型中的圆筒形膜可以分成中空纤维型、管道型和整块型。外套容纳型中的平面膜分成螺旋型、板和框型、振动盘型和折叠片型。槽浸渍型中的圆筒形膜可分成中空纤维型和管道型。槽浸渍型中的平面形膜可分成板和框型及旋转盘型。
(温度响应性膜组件的第一实施方案)图4显示的是本发明温度响应性膜组件的第一实施方案。
如图4所示，大量的温度响应性膜沿着圆筒轴向方向装载在圆筒形外套内。原水在流经该温度响应性膜时将被过滤，分成膜滤液(处理水)和浓缩水(废水)。
此时，含有固体成分3(参见图1A和1B)的原水(淡水如江水、地下水和湖水；废水，如存储的雨水、工业废水和污水；及海水如压载水)通过每个都带有直径为100μm或更小的孔的温度响应性膜而被过滤。利用该温度响应性膜的筛选作用，原水中直径大于孔的直径的物质就会被膜的表面和直径调节构件2截留。当膜和容器成为一体时，该原水就会沿着膜表面流动。处理水沿着垂直于原水流动方向的方向流动。这样过滤就可能通过其中部分原水被循环的交叉流动过滤方法来进行过滤，或者用其中所有原水都被过滤而不进行循环的封闭堵头过滤方法进行过滤。
(温度响应性膜组件的第二实施方案)图5A和5B显示的是本发明温度响应性膜组件的第二实施方案。
如图5A和5B所示，此实施方案中的温度响应性膜组件通过叠加每个都是平面形的多个温度响应性膜组件而成。当如图5A所示，原水从膜组件的平面表面流到组件的内部时，该原水通过膜的内部而变成膜滤液(处理水)，如图5B所示。这个温度响应性膜组件可以在被浸入到有原水流入的槽(敞开型或封闭型)中的状态下使用。
如上所述，在温度响应性膜组件的第一和第二实施方案中，该温度响应性膜被制成圆筒形或平面形，并被填充到容器中或与容器结成一体。另外，该温度响应性膜被制成圆筒形或平面形，并浸渍在有原水流入的槽(敞开的或封闭的)中。这些使得简化系统成为可能，从而有利于膜的更换。相应地，即使当供给膜的原水具有高混浊度时，该系统也能够稳定运行。
在本发明中，该温度响应性膜被制成平面形或圆筒形，且膜被填充到容器中或与容器连成一体，但其构造不限于此。作为连成一体型的例子，有很多形式，如中空纤维型、管道型、整块型、螺旋形、板和框型、振动盘型、和折叠片型。但是，连成一体的形式不限于上述这些形式。
此外，在本发明中，该温度响应性膜被制成平面形或圆筒形。另外，该膜被浸入到有原水流入的槽(敞开型或封闭型)中。作为该形式的例子，有中空纤维型、管道型、板和框型、和旋转盘型。然而，并不限于这些类型。
(膜过滤系统的第一实施方案)图6是本发明膜过滤系统的第一实施方案的结构图。
作为一个例子，在此实施方案的膜过滤系统100中，两个温度响应性膜组件15-1和15-2被平行排列。该膜过滤系统配备有原水导入泵11、原水槽12、原水泵13-1和13-2、流量计14-1和14-2、温度响应性膜组件15-1和15-2、和处理水槽16。原水槽12临时存储由原水导入泵11导入的原水。原水泵13-1和13-2用于将原水槽12中的原水分别供给给温度响应性膜组件15-1和15-2。流量计14-1和14-2分别测量用相应的原水泵13-1和13-2导入的原水的流量。温度响应性膜组件15-1和15-2通过膜分别过滤由相应的原水泵13-1和13-2导入的原水。处理水槽16储存温度响应性膜组件15-1和15-2通过膜过滤得到的处理水。另外，该系统还配有浊度计17和压差表18-1和18-2。该浊度计17测量膜过滤后得到的处理水的浊度。压差表18-1和18-2分别配备给温度响应性膜组件15-1和15-2，每个都分别测量在相应的温度响应性膜组件中流入侧和流出侧的压差。而且，该系统配备有温度计19和加热器20。温度计19测量原水槽12中原水的温度，加热器20在预先确定的温度下加热原水槽20中的原水。此外，该系统还配备有反洗水槽21、温度计26、加热器22、反洗水泵23和流量计24。在反洗水槽21中，部分储存在处理水槽16中的处理水被导入到其中，并储存起来用作反洗水。温度计26测量反洗水槽21中反洗水的温度。加热器22用来加热储存在反洗水槽中的反洗水，使其达到预先确定的温度。反洗水泵23将储存在反洗水槽21中的反洗水供给到温度响应性膜组件15-1和15-2中。流量计24测量供给到温度响应性膜组件15-1和15-2中的反洗水的流量。另外，该系统配备有压缩机25，其用来在洗涤过程中提供压缩空气。附带地，在图6中，符号V1和V22分别表示配备在管道上的阀门。
(过滤期间)在如图6所示的膜过滤系统100中，原水用原水导入泵11导入到原水槽12中。该原水分别用原水泵13-1和13-2导入到温度响应性膜组件15-1和15-2中。通过温度响应性膜组件15-1和15-2的处理水流入到处理水槽16中。
(洗涤期间)在如上描述的膜过滤系统100中，当原水连续流过时，原水中的固体成分3积聚在膜表面上，从而使得其过滤阻力提高。这个阻力提高会造成膜压差的增加。为此，要进行物理洗涤以除去粘附在膜表面或膜内部的物质中的可逆物质。当达到预先确定的时间周期时或当膜压差达到预先确定的增值时，进行物理洗涤。物理洗涤的进行是当已经达到预先确定的时间周期时或当膜压差达到预先确定的增值时，通过使过滤后得到的处理水从处理水侧流回，或用压缩机25从原水侧供给压缩空气而实现的。
此外，在膜表面上和在膜的内部，不能用物理洗涤除去的物质逐渐聚集。为此，当膜压差超过某一预先确定的上限时，膜过滤处理就要停止，且要对其进行化学洗涤以除去不能用物理洗涤除去的物质。
在本发明中，除了上述的物理和化学洗涤外，还通过使用加热的原水和加热的处理水进行了热水洗涤。
热水洗涤同物理洗涤和化学洗涤一样，是在预先确定的时间周期时或当膜压差达到预先确定的增值时实施的。
加热原水和处理水的方法是通过分别将加热器20和22安装到原水槽12和反洗水槽21中而实现的。原水通过加热器20被加热到25至60℃，并被供给到温度响应性膜组件15-1和15-2中。
另一方面，在温度响应性膜组件15-1和15-2的反洗期间，处理水被加热器22加热到25至60℃，并被供给到温度响应性膜组件15-1和15-2中。反洗后的所用水被释放到系统外。
此时，原水的温度用温度计19测量，供给到温度响应性膜组件15-1和15-2的原水的流量分别用流量计14-1和14-2测量。另外，温度响应性膜组件15-1和15-2的压差分别用压差表18-1和18-2测量。处理水的浊度也用浊度计17测量。
在此实施方案中，进行物理和化学洗涤的间隔被延长了。为此，物理和化学洗涤成本以及更换膜的成本可能会被降低。另外，还可以减少对化学洗涤时所产生废液的处理。这使得除降低成本外，还可以降低环境负担。
附带地，在此实施方案的构造中，加热器22被安装在反洗水槽21中，从而只有要被用来洗涤的量被加热。该加热器22也可以被安装在处理水槽16中而不是在反洗水槽21中。当加热器22被安装在处理水槽16中或反洗水槽21中时，可以用与下文所述的物理洗涤同样的操作进行反洗。反洗的频率是基于膜表面的污染程度而定的。
另外，对于加热原水或处理水的方法，例如，也可以采用如下构造，该构造配备有温度响应形膜组件15-1和15-2及加热器。温度响应性膜组件15-1和15-2中的每一个都是通过将由多个温度响应性膜组成的膜束安置在容器中而制成的。加热器分别通过相应的原水循环管与温度响应性膜组件15-1和15-2的原水侧相连。一个具体构形如图7所示。附带地，温度响应性膜组件15-1和15-2的构造相同。另外，他们的操作和效果也相同。为此，在下面的对图7的说明中，主要对温度响应性膜组件15-1进行说明。
在图7所示的膜过滤系统100的构造中，温度响应性膜组件15-1(15-2)被安置在容器101-1(101-2)中。该温度响应性膜组件15-1(15-2)包括温度响应性膜束102，每个束都是通过将多个温度响应性膜捆绑到一起而制成的。另外，该温度响应性膜组件15-1(15-2)配备有加热器105-1(105-2)，该加热器通过原水循环管104-1(104-2)与下文所述的温度响应性膜组件15-1(15-2)的原水侧103-1(103-2)相连。
图7所示的温度响应性膜组件15-1(15-2)用固定构件106-1(106-2)大致分成了原水侧103-1(103-2)和处理水侧107-1(107-2)。该固定元件106-1(106-2)由填充试剂制成。原水侧103-1(103-2)与每个膜的外表面相接触，并带有原水入口，通过该原水入口可以供给原水。处理水侧107-1(107-2)与每个中空纤维膜的内表面侧通过其开口端而相连通，并带有处理水出口，通过该处理水出口可以排出处理水。在原水侧103-1(103-2)和处理水侧107-1(107-2)之间的物质转移只能通过温度响应性膜的膜表面进行。附带地，在原水侧103-1(103-2)上，在原水侧103-1(103-2)的较低部位配备有空气释放管108-1(108-2)(第空气供给系统)。
温度响应性膜束102中的每个都是通过将多个温度响应性膜弯成U形，以使多个温度响应性膜每一个的两端都捆绑在一侧(图7中的上面)。温度响应性膜束102的开口端用固定元件106-1(106-2)支撑并固定，该开口端与温度响应性膜的内表面侧相通。对固定该温度响应性膜的方法没有特别限定。
加热器105-1(105-2)的配备方式是将该加热器105-1(105-2)与原水侧103-1(103-2)相连。加热器105-1(105-2)在25至60℃将与温度响应性膜组件15-1(15-2)中膜的外表面相接触的原水加热。具体而言，压缩空气被从压缩机25通过第二空气管109(第二空气供给系统)输送到加热器105-1(105-2)。相应地，在温度响应性膜组件15-1(15-2)中的原水被加热器105-1(105-2)在25至60℃加热，原水是通过原水循环管104-1(104-2)输送的。原水按图16中箭头所示方向循环。结果，在温度响应性膜组件15-1(15-2)中的原水的温度被控制为25至60℃。
附带地，供给到加热器的过量压缩空气被释放到空气释放管线116-1(116-2)。
下面，对一个使用膜过滤系统100的方法的一个实例进行说明，该膜过滤系统100使用本发明温度响应性膜组件。
装载有温度响应性膜的温度响应性膜组件15-1(15-2)首先被用来过滤原水。原水通过作为驱动源的原水转移泵110供给。原水用原水转移泵110通过原水管道111在一定压力下转移，并从温度响应性膜的外表面流至膜的内表面侧。相应地，原水中的固体成分被截留在温度响应性膜的外表面侧。经温度响应性膜处理过的处理水被转移到处理水管道112。当温度响应性膜的膜压差与起始值相比提高到例如大约50kPa时，过滤处理停止。
注意的是，在图7所示的膜过滤系统100中，被截留并积聚在膜表面的固体成分在随后的步骤中被洗掉和除去。压缩空气被从压缩机25通过第二空气管道109输送到加热器105-1(105-2)。相应地，从原水侧103-1(103-2)通过原水循环管道104-1(104-2)被供给到加热器105-1(105-2)的原水被加热器105-1(105-2)在25至60℃加热。随后，该原水被输送到原水侧103-1(103-2)。通过重复上述过程，原水被加热并循环，从而控制原水的温度为25至60℃。
然后，通过第一空气管道113，压缩空气被从空气释放管道108-1(108-2)释放，通过振动剥离粘附和积聚在温度响应性膜的外表面上的固体成分。同时，进行下面的反向压力洗涤手段。压缩空气(例如，300kPa)从压缩机25通过第三空气管道114供给到处理水侧107-1(107-2)。利用该供给的压缩空气，滞留在处理水侧107-1(107-2)的处理水以与过滤操作相反的方向流入到原水侧103-1(103-2)。相应地，反洗从每个温度响应性膜的内表面侧到外表面侧进行。这时，在处理水侧107-1(107-2)的处理水在原水侧103-1(103-2)混合，因此原水侧的液体的温度会暂时降低到25℃以下。然而，通过第二空气管道109向加热器105-1(105-2)供给压缩空气，加热并循环原水侧103-1(103-2)使该温度升高到25至60℃。附带地，在反洗时供给的过量压缩空气被释放到空气释放管线115-1(115-2)。
下文提供的是温度响应性膜组件15-1和15-2的物理和化学洗涤的附加说明，主要应用在用于水管线的膜过滤系统100。
随着操作时间的流逝，粘附在膜上物质的除去可以采用下列物理洗涤中的一种或多种的结合。
物理洗涤包括反向压力洗涤、反向空气压力洗涤、空气刮擦、原水或空气冲流洗涤、机械振荡洗涤、机械旋转洗涤、超声洗涤、加热水洗涤、海绵球洗涤、化学注射洗涤、和臭氧注射洗涤。相应于原水的质量，每隔10至120分钟周期性地进行该洗涤处理。洗涤时间是，对于反向水压力洗涤为不超过一分钟，对于空气刮擦为不超过几分钟，对于反向空气压力洗涤为几秒。
(膜组件的化学洗涤)不能通过物理洗涤除去的、粘附在膜上的物质可以通过使用化学洗涤除去，该化学洗涤利用下面的化学品的一种或多种的组合。用于化学洗涤的化学品包括氧化剂如次氯酸钠，碱性清洁剂、酸性清洁剂或类似物的表面活性剂，无机酸如盐酸和硫酸，以及有机酸如草酸和柠檬酸。洗涤系统包括线上系统(其中洗涤的实施无需将膜组件同系统分离)和一个离线方法(其中洗涤是在膜组件和系统分离的情况下实施的)。化学清洗是当在恒定流量控制系统中或在恒定压力控制系统中，膜压差(100至200kPa)或过滤速率达到预先确定值时分别实施的，频率为大约一个月至几个月。
(膜过滤系统的第二实施方案)图8所示的是本发明膜过滤系统的第二实施方案。
此实施方案的特点在于在原水槽12和温度响应性膜组件15-1和15-2的组之间提供了预处理设备。预处理设备31可以对将要被供给到温度响应性膜组件15-1和15-2中的原水进行预处理，使用的设备包括污染物除去设备、絮凝剂注射设备、凝结沉淀设备、凝结和沙过滤设备、凝结沉淀和沙过滤设备、氯化物注射设备、通气设备、生物处理设备、粉末活性炭设备、球形活性炭设备、臭氧发生器或它们的结合。
预处理设备31的普通效果如下。这使得温度响应性膜组件15-1和15-2有可能表现出它们在水的数量和质量两个方面具有最高效率的稳定性能。这还可防止诸如因进料到膜的原水中的悬浮物质而造成的膜的损坏和堵塞等问题的发生。
(膜过滤系统的第三实施方案)图9显示的是本发明膜过滤系统的第三实施方案。
此实施方案的特点是废水处理设备32配备在膜过滤系统100所在的同一系统中或在系统外。
该废水处理设备32配置有絮凝剂注射设备、凝结沉淀设备、凝结和沙过滤设备、浓缩设备、脱水设备、干燥机、微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反向渗透膜、紫外辐照设备、pH调节设备、和厌氧消化器、或它们的结合。通过利用从例如上述设备中的干燥机和厌氧消化器所释放的热量，原水和处理水可被加热。
根据本实施方案，通过有效地利用在膜过滤系统100内和系统外所提供的热源，可以降低加热原水和处理水所需的能量。
(膜过滤系统的第四实施方案)图10显示的是本发明膜过滤系统的第四实施方案。
此实施方案的特点是包括了冷却从膜过滤系统100释放出来的洗涤水的热交换器。
一些地方政府基于水污染防止法(Water Pollution PreventionLaw)在他们的规章中确定了更为严格的排放标准。例如，东京城政府环境局(Environmental Bureau of the Tokyo MetropolitanGoverment)规定排放到公共水域的水温应不高于40℃。为了遵守这一标准，已经用过的、加热的洗涤水用热交换器26冷却，回收的热量用于加热原水和处理水。
根据本实施方案，通过有效地利用膜过滤系统100中或系统外所提供的热源，可以降低加热原水和处理水所需的能量。
(膜过滤系统的第五实施方案)图11显示的是本发明膜过滤系统的第五实施方案。
此实施方案的特点在于包括了监视器和控制设备41和膜损坏探测设备42。监视器和控制设备41连续监视和控制膜过滤系统100的膜压差、水的流量(原水、处理水和洗涤水)、水的温度和浊度。膜损坏探测设备42确保膜的完整性。特别是，用浊度计17探测的浊度是特定监测原生动物如似隐孢菌(cryptosordium)和贾第鞭毛虫(giardia)的一个重要指示。为此，希望利用激光浊度计和透射光型浊度计对浊度进行全时监视。
在本发明膜过滤系统100中，需要监视膜压差和水的流量，因为随着时间的流逝，膜不断被原水中的微细颗粒和悬浮物质所堵塞。监视和控制设备41用来控制膜过滤系统100中的设备。当与膜压差、水(原水、处理水和洗涤水)的流量、水的温度、或浊度相关的测量信号被输入到监视器和控制器41时，基于输入的信号，监视器和控制器缩1输出控制信号以控制设备。当膜损坏探测器设备42探测到温度响应性膜组件15-1和15-2的损坏时，被证实是破损的温度响应性膜组件15-1和15-2的操作就会被暂时停止。希望利用激光浊度计或透射光型浊度计对浊度进行全时监视，以探测膜的损坏。还希望利用更为高度敏感的扩散空气探测系统对浊度进行每天一次的监视。
根据本实施方案，通过连续监视膜过滤系统100，可高效地运行设备。相应地，因膜的损坏而泄漏病原微生物的危险性被降低。
(膜过滤系统的第六、七和八实施方案)原水和处理水可以用图12、13和14所示的实施方案加热。
在图12所示的实施方案中，提供了加热器50-1和50-2和加热器51-1和51-2。加热器50-1和50-2对马上要被导入到温度响应性膜组件15-1和15-2中、管道中的原水进行加热。加热器51-1和51-2对马上要被导入到温度响应性膜组件15-1和15-2中、管道中的处理水进行加热。
原水在被加热器50-1和50-2加热时被导入到温度响应性膜组件15-1和15-2中。原水泵13-1和13-2在温度响应性膜组件15-1和15-2中水温达到25至60℃时被停止。然后，用加热器51-1和51-2加热的处理水通过用反洗水泵23被导入到温度响应性膜组件15-1和15-2中，进行反洗。
注意的是，在原水侧的加热器50-1和50-2或在处理水侧的加热器51-1和51-2可以被省略掉。原水侧的加热器50-1和50-2被省略掉的系统的运行和效果同图6所示的系统相同。另一方面，当处理水侧的加热器51-1和51-2被省略时，常温处理水在反洗时被导入到温度响应性膜组件15-1和15-2中。温度响应性膜组件15-1和15-2中水的温度因此降低到不超过25℃。此时，反洗的效率下降，但是，设备变得更简单，因此，构造变得成本有利。
如13所示的实施方案的特点在于为膜过滤系统100配备有洗涤水槽60，其被安置在原水泵13-1和13-2之前，和配备有加热器61，用来加热洗涤水槽60中的洗涤水。
当加热原水时，原水槽12的出口阀被关闭。加热的洗涤水然后通过原水泵13-1和13-2而被导入到温度响应性膜组件15-1和15-2中，并在温度响应性膜组件15-1和15-2与洗涤水槽60之间循环。当温度响应性膜组件15-1和15-2中水的温度达到25至60℃时，原水泵11被停止。然后通过将用加热器22加热的处理水用反洗水泵23导入到温度响应性膜组件15-1和15-2中而进行反洗。在原水侧的加热器61或在处理水侧的加热器22可以被省去。当原水侧的加热器61被省略时，系统的运行和效果同图6所示的系统相同。当处理水侧的加热器22被省略时，在反洗时，处于常温的处理水被导入到温度响应性膜组件15-1和15-2中。相应地，温度响应性膜组件15-1和15-2中的水的温度降到不超过25℃。此时，反洗的效率下降，但是设备变得更简单，因此该构造变得成本有利。
图14所示的实施方案的特点在于，在原水泵13-1和13-2与温度响应性膜组件15-1和15-2之间提供了洗涤水槽70。
此时，原水泵13-1和13-2不停止。通过向温度响应性膜组件15-1和15-2中供给原水，同时推入被热水泵72在60-100℃下加热的洗涤水，使温度响应性膜组件15-1和15-2的内部在25至60℃的温度下被加热。从洗涤水槽70出来的洗涤水可以在原水泵13-1和13-2前面的位置被导入。原水侧的加热器71或处理水侧的加热器22可以被省略。当原水侧的加热器71被省略时，系统的运行和效果同图6所示的系统相同。另外一方面，当处理水侧的加热器22被省略时，在反洗时，处于常温的处理水被导入到温度响应性膜组件15-1和15-2中。相应地，温度响应性膜组件15-1和15-2中的水的温度降到不超过25℃。此时，反洗的效率下降，但是设备变得更简单，因此该构造变得成本有利。
附带地，在上述每个实施方案中，系统构造中都使用了两个温度响应性膜组件15-1和15-2。但是，也可以采用三个或更多组件以并联或串联的形式安置的构造。
上述构造可以用来处理大量的过滤。
(膜过滤系统的第九实施方案)图15显示的是膜过滤系统的第九实施方案。
在此实施方案中，显示的构造中温度响应性膜被浸入到有原水流经的槽(敞开型或封闭型)中。
如图15所示，系统配置有膜浸入槽82，用于过滤通过原水泵81导入的原水，和浸在膜浸入槽82中的温度响应性膜组件83。经过滤的处理水通过安置在槽外面的一个抽气泵84吸到处理水槽16中。此时，通过利用由水位差系统、抽气系统、或他们的组合而产生的膜压差，使原水透过温度响应性膜。
该系统还包括加热器85、加热器20、87及加热器22、86和88。加热器对膜浸入槽82中的原水进行加热。加热器20和87对要被导入到膜浸入槽82中的原水本身进行加热。加热器22、86和88在反洗过程中对反洗水进行加热。
洗涤以如下的方式进行。用加热器20、85和87中任何一个或他们的组合对膜浸入槽82中的原水进行加热。随后，用反洗水泵23供给的反洗水被加热器22、86和88中的任何一个或他们的组合在25至60℃加热。反洗水然后被供给到温度响应性膜组件83中以进行洗涤处理。也就是说，在原水侧的加热是用加热器20、85和87中的任何一个或他们的组合进行的，而在处理水侧的加热是用加热器22、86和88中的任何一个或他们的组合进行的。
如上所述，由于由温度响应性膜构成的温度响应性膜组件83浸在引起原水流动的膜浸槽82中，可配置简单的系统且利于膜的更换。相应地，即使当供给膜的水的浊度高的情况下，也可以实现系统的稳定操作。
注意的是，在图15中，在原水侧加热系统配置有加热器20、87和85，在处理水侧配置有加热器22、86和88，但并不限于此。即在原水侧，加热系统可以以提供至少一个如下加热器的方式来配置用于加热原水槽12中的原水的加热器20、用于加热由原水槽12供给膜浸槽82的原水的加热器87、和用于加热膜浸槽82中原水的加热器85。在处理水侧，加热系统可以以提供至少一个如下加热器的方式来配置用于加热反洗水槽中处理水的加热器22、用于加热处理水槽16中处理水的加热器86、和用于加热待供给膜浸槽82的处理水的加热器88。
(膜过滤系统的第十实施方案)图16显示具有热控制器的膜过滤系统的构造。
在该实施方式中，提供温度控制设备90以控制相应于原水温度的加热器22的温度。
该温度控制设备90包括温度计算部分91和温度控制部分92。温度计算部分91从温度测量值和上次的目标温度值计算本次的目标温度值。温度控制部分92基于本次的目标温度值控制加热器22的温度。此外，温度控制设备90包括温度计93和温度计94。温度计93测量在原水槽12中原水的温度，温度计94测量反洗水的温度。
在以上构造中，原水槽12中原水的温度由温度计93测量。然后将测得的温度值T1提供给温度计算部分91。另一方面，在反洗期间，流过管道的反洗水温度由温度计94测量。然后将测得的温度值T2提供给温度计算部分91。温度计算部分从目标温度值TSV和测量的温度值T1及T2来计算本次操纵变量TMV，所以在本次可使T1小于T2。
具体而言，温度控制设备90通过如下示出的PID控制加热器22，从而调节反洗槽21内部的温度。
T1＜T2TMV＝TMV(n-1)+ΔTMVΔTMV＝Kp((en-en-1)+enΔt/Ti+Td(en-2en-1-en-2)/Δten＝Tsv-T2(n)其中，Tsv目标温度值TMV本次的操纵变量TMV(n-1)上次的操纵变量
ΔTMV本次操纵变量的差值T2(n)本次控制循环中反洗水的温度en本次控制循环中的输入变化en-1上次控制循环中的输入变化en-2上次之前的控制循环的输入变化Kp比例增加Ti积分时间Td微分时间如上所述，该实施方案中，可在精确的温度控制下通过温度控制设备90对加热器22实行温度控制来进行反洗。
权利要求
1.一种温度响应性膜，其包括由聚合物材料形成的并且其中具有孔的膜基底；和孔径调节构件，每个孔径调节构件通过将聚合物材料加到所述膜基底的外表面上形成，该聚合物材料在预定的温度下可逆性地膨胀/收缩，其中所述膜基底中形成的孔在25-60℃下具有100微米或更小的最大孔径，并且所述聚合物材料由选自以下组中的至少一种材料组成(1)通过N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸、2-羧基异丙基丙烯酰胺和3-羧基正丙基丙烯酰胺共聚形成的聚合物；(2)N-乙烯基异丁酸酰胺共聚物；(3)聚N-烷基丙烯酰胺衍生物；(4)由聚异丙基丙烯酰胺代表的聚丙烯酰胺衍生物与聚乙烯基衍生物的共聚物；(5)包括N-乙烯基异丁酸酰胺的N-乙烯基C3-9酰胺与包括N-乙烯基乙酰胺的N-乙烯基C1-3酰胺的共聚物；(6)聚丙烯酰胺衍生物和聚N-乙烯基丙烯酰胺；(7)由N-异丙基丙烯酰胺构成的单体的聚合物和由N-乙烯基异丁酸酰胺构成的单体的聚合物。
2.一种温度响应性膜组件，其中，将权利要求1所述的温度响应性膜成形为平面和圆筒形状中的任何一种，并填入容器中。
3.一种温度响应性膜组件，其中，将多个权利要求1所述的温度响应性膜成形为平面和圆筒形状中的任何一种，并浸渍在原水流入的槽中。
4.一种膜过滤系统，其包括用于过滤供给的原水以将其作为处理水排出的温度响应性膜组件，其中权利要求1所述的温度响应性膜成形为平面和圆筒形状中的任何一种，并填入到容器中。
5.一种膜过滤系统，其包括用于过滤供给的原水以将其作为处理水排出的温度响应性膜组件，其中多个权利要求1所述的温度响应性膜成形为平面和圆筒形状中的任何一种，并浸渍在原水流入的槽中。
6.权利要求4所述的膜过滤系统，其包括串联或并联放置的多个温度响应性膜组件。
7.权利要求5所述的膜过滤系统，其包括串联或并联放置的多个温度响应性膜组件。
8.权利要求4-7中任何一项所述的膜过滤系统，其包括通过将全部或部分的原水和处理水中的任何一种供给所述温度响应性膜组件来进行洗涤处理的洗涤装置。
9.权利要求8所述的膜过滤系统，其中，所述洗涤装置通过物理洗涤、化学洗涤和热水洗涤中的至少一种或其组合来进行所述洗涤处理。
10.权利要求8所述的膜过滤系统，其中，所述洗涤装置具有用于将原水在25-60℃加热的原水加热装置，且通过在洗涤膜期间使用加热的原水来进行热水洗涤。
11.权利要求10所述的膜过滤系统，其中，所述原水加热装置利用废水处理设备的热源来进行热水洗涤，所述废水处理设备被设置在系统中或系统之外。
12.权利要求10所述的膜过滤系统，其中，所述洗涤装置具有用于将处理水在25-60℃加热的处理水加热装置，且通过在洗涤膜时使用加热的原水和处理水来进行热水洗涤。
13.权利要求12所述的膜过滤系统，其中，所述处理水加热装置利用废水处理设备的热源来进行热水洗涤，所述废水处理设备被设置在系统中或系统之外。
14.权利要求10-13任何一项所述的膜过滤系统，其包括用于冷却从温度响应性膜组件中排出的热排出水的热交换器。
15.权利要求12所述的膜过滤系统，其包括用于测量原水温度的原水温度测量装置；用于测量反洗水温度的反洗水温度测量装置；用于计算反洗水的目标温度值的温度计算装置，该装置通过接收原水和反洗水的温度测量值以使得反洗水的温度高于原水的温度来计算；和用于基于计算的目标温度值对处理水加热装置进行加热控制的温度控制装置。
16.权利要求4-7任何一项所述的膜过滤系统，其包括在温度响应性膜组件前面的预处理设备。
17.权利要求16所述的膜过滤系统，其中，所述预处理设备通过使用以下设备中的任何一种或其组合对原水进行预处理除污染物设备、絮凝剂注射设备、凝结沉淀设备、凝结和沙过滤设备、凝结沉淀和沙过滤设备、氯化物灌输设备、充气设备、漂浮物分离设备、生物处理设备、粉末活性二氧化碳设备、臭氧发生器、粒状活性二氧化碳设备。
18.权利要求4-7任何一项所述的膜过滤系统，其包括分别用于连续地检测和控制膜的压差、水流量、水温和浊度的压力表、流量计、水温度计和浊度计，以及用于确保膜完整性的膜破损检测装置。
全文摘要
本发明提供一种膜过滤系统，该过滤系统可通过增加处理的水量和降低用于化学洗涤和膜更换所需的成本提高了系统操作效率。因而降低了总的运行成本。该膜过滤系统配有温度响应性膜组件，其可用于过滤供给的原水并排出处理水。在每个温度响应性膜组件中，温度响应性膜被制成平面和圆筒形状中的任何一种，并随后填充到容器中。
文档编号B01D71/56GK1962040SQ20061014453
公开日2007年5月16日 申请日期2006年11月8日 优先权日2005年11月8日
发明者松代武士, 樱井学, 关秀司, 中村秀树, 日下谦一, 相马孝浩, 堤正彦 申请人:株式会社东芝