一種間歇螺旋錯流膜過濾裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種間歇螺旋錯流膜過濾裝置及方法，該裝置包括膜組件和水循環(huán)系統(tǒng)，膜組件包括殼體、中空纖維外壓膜和螺旋擋板，在殼體內(nèi)設(shè)有螺旋擋板，在螺旋擋板之上設(shè)有預(yù)留儲水區(qū)，螺旋擋板與殼體之間形成螺旋通道；中空纖維外壓膜貫穿螺旋擋板，殼體下、上端分別設(shè)有錯流進、出水口，錯流進水口對應(yīng)螺旋通道的入口，螺旋通道的出口通過預(yù)留儲水區(qū)與錯流出水口連通；水循環(huán)系統(tǒng)包括依次管路連通的儲水池、循環(huán)水泵和脈沖水流發(fā)生器，脈沖水流發(fā)生器與錯流進水口管路連通，儲水池的進水端與錯流出水口管路連通。過濾方式為錯流過濾和死端過濾交替進行。本發(fā)明操作方便、降低能耗，易于自動化控制，有效減緩膜污染累積，延長膜使用壽命。
【專利說明】一種間歇螺旋錯流膜過濾裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種膜分離方式，特別是涉及一種膜分離技術(shù)中的膜過濾方法及其裝置:錯流過濾和死端過濾交替進行，運行過程中脈沖進水流過螺旋器、引起料液產(chǎn)生螺旋流并與膜面污染物發(fā)生切向和縱向兩個方向的運動，完成料液的進入和膜面的清洗，恢復(fù)膜通量。
【背景技術(shù)】
[0002]膜分離技術(shù)是一種借助外界能量或化學(xué)位的推動，以選擇性透過多孔膜為分離介質(zhì)，對混合液體進行分離、分級和富集的。具有無相變、常溫或低溫操作、能耗小等優(yōu)點。然而，膜分離過程中所伴隨的膜污染問題，膜污染將導(dǎo)致膜通量的下降，降低產(chǎn)水量，縮短膜的使用壽命，導(dǎo)致運行費用和制水成本的增加，因此濾膜應(yīng)用推廣的一個關(guān)鍵性問題就是由污染物造成的膜污染和清洗恢復(fù)的問題。
[0003]在膜分離中，溶質(zhì)及微粒通過膜時，同時存在著截留、吸附、膜孔的堵塞、濾餅層的形成以及濃差極化的產(chǎn)生等現(xiàn)象，產(chǎn)生膜污染，導(dǎo)致膜阻力隨過濾時間增大，膜滲透通量下降。一般認為當(dāng)料液與膜一接觸，污染就發(fā)生了，也即是說膜過濾過程中濃差極化和膜污染現(xiàn)象是不能避免的，那么維持較高的過濾通量就需要對膜污染進行控制。
[0004]通過有效的技術(shù)手段可以盡量延緩膜污染的進程，降低膜污染的程度，提高系統(tǒng)處理能力，降低運行費用。
[0005]在防控膜污染方面的方法主要集中在改變原水性質(zhì)、改良膜性質(zhì)、優(yōu)化操作條件及膜清洗等方面:(I)改變原水性質(zhì)，在原水過濾前向其中加入適當(dāng)?shù)乃巹?，通過改變?nèi)軇┗蛉苜|(zhì)的性質(zhì)，可以減輕膜負荷和污染。(2)膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、親水性或疏水性、荷電性、極性或非極性、表面能等都會影響膜的分離性能。(3)通過優(yōu)化膜分離操作條件，如溫度、pH值、流速、操作壓力、過濾方式等可減少膜污染產(chǎn)生，強化過濾過程。(4)膜清洗是現(xiàn)在最常用的方式之一，常用的清洗方法包括物理清洗和化學(xué)清洗，物理清洗的效果一般要差于化學(xué)清洗的效果，但是頻繁的化學(xué)清洗會造成膜材料的破壞，嚴重影響膜的壽命，也可能造成二次污染。
[0006]膜過濾的一般方式為錯流過濾和死端過濾兩種:
[0007]死端過濾是指在膜兩邊壓力差的驅(qū)動下，溶質(zhì)和溶劑垂直于分離膜方向運動，溶質(zhì)被膜截留，溶劑通過膜而被分離。死端過濾中主體料液與透過液運動方向相同。它隨著操作時間的增加，膜污染會越來越嚴重，過濾阻力越來越大，膜的滲透速率將下降，必須周期性的停下來進行膜表面的清洗或者是更換膜，所以全程過濾是間歇式的。
[0008]錯流過濾過程中，主體料液與膜表面相切流動，料液中的溶質(zhì)被截留，透過液垂直與膜面通過膜流出，因而錯流過濾也稱為切向流過濾。在錯流過濾過程中，料液流經(jīng)膜表面時產(chǎn)生的剪切力會把膜面上的滯留顆粒帶走，使污染層保持在一個較薄的水平上，能有效的控制濃差極化和濾餅層堆積，所以長時間操作仍可以保持較高的膜通量。錯流過濾方式相比于死端過濾方式，膜污染累積速率減緩，但是能量消耗較大、水量要求較高。[0009]上述的過濾方式的效果受到本身條件的限制，需要一種相對高效、簡單、易操作的膜過濾方式方法，使膜維持較高的通量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種克服現(xiàn)有中空纖維式膜的過濾方式易產(chǎn)生且難處理污染的缺點的方法和裝置，其具有較高的處理效果和較簡單的清洗操作。
[0011]為了實現(xiàn)本上述發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0012]一種間歇螺旋錯流膜過濾裝置，包括膜組件和水循環(huán)系統(tǒng)，所述膜組件包括豎立的殼體、中空纖維外壓膜和螺旋擋板，在殼體內(nèi)緊貼其內(nèi)壁設(shè)有螺旋擋板，在螺旋擋板之上設(shè)有預(yù)留儲水區(qū)，螺旋擋板的中部設(shè)有支撐管，在螺旋擋板與殼體之間形成圍繞支撐管的螺旋通道；所述中空纖維外壓膜貫穿螺旋擋板豎直設(shè)于殼體內(nèi)，中空纖維外壓膜的下端固定在螺旋擋板的底部，上端由膜頭固定，并與殼體上的濾液出口相連通，殼體下、上端分別設(shè)有錯流進、出水口，所述錯流進水口對應(yīng)螺旋通道的入口，螺旋通道的出口通過預(yù)留儲水區(qū)與錯流出水口連通；所述水循環(huán)系統(tǒng)包括依次管路連通的儲水池、循環(huán)水泵和脈沖水流發(fā)生器，所述脈沖水流發(fā)生器通過流量閥與錯流進水口管路連通，儲水池的進水端與錯流出水口管路連通。
[0013]所述的脈沖水流發(fā)生器包括水箱和控制脈沖水流發(fā)生間隔的電磁閥，所述電磁閥與水箱出水口連接。
[0014]本發(fā)明的裝置中，為獲得較好的螺旋效果，所述錯流進水口的進水方向與殼體內(nèi)壁相切。
[0015]所述螺旋擋板與殼體內(nèi)壁間隙為I?3mm。
[0016]膜組件內(nèi)上部設(shè)置一定的預(yù)留空間，即預(yù)留儲水區(qū)，用以確保脈沖間隙期間的死端過濾用水。
[0017]本發(fā)明中螺旋流產(chǎn)生裝置為螺旋擋板。中空纖維膜穿過螺旋擋板，為保持中空纖維膜與螺旋擋板無摩擦破損，采用環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)連接處，起到穩(wěn)定抗沖擊的作用。
[0018]螺旋擋板一次成型，中心有空心支撐管，螺旋擋板內(nèi)部形成特定螺旋流道。葉片寬度與筒狀殼體半徑相當(dāng)，葉片內(nèi)沖擊有若干孔洞，用于中空纖維膜的貫穿。通過調(diào)整螺旋擋板葉片圈數(shù)，可調(diào)整水力停留時間和水流速度。
[0019]利用螺旋擋板是因為它具有使水流產(chǎn)生螺旋流的特點，螺旋流在與中空纖維膜膜面的水平和垂直兩個方向上都存在作用力，垂直方向和水平方向的力給于膜面污染物切向上的力，促使膜面的污染物脫離膜面，另外水平方向的水流將污染物帶出膜過濾器，從而減緩膜污染的速度并有效去除累積的污染物。上述裝置進行間歇螺旋錯流膜過濾的方法，是由錯流過濾和死端過濾交替進行的，錯流過濾時，脈沖水流發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖水流沖入膜組件，當(dāng)水流流過螺旋通道時，產(chǎn)生螺旋流，對膜面進行切向和豎向上的液流擾動；在脈沖水流發(fā)生后，利用預(yù)留儲水區(qū)內(nèi)的料液進行死端過濾。循環(huán)周期包括一次脈沖開啟到下一次脈沖開啟之間的時間。
[0020]中空纖維膜正常過濾時:脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖水流以較快的速度沖入膜過濾器，當(dāng)水流流過螺旋器時，產(chǎn)生螺旋流，對膜面進行清洗，同時將污染物帶出膜過濾器。整個過程與正常過濾階段不分離，在進水的同時使膜通量得以恢復(fù)。并且進水與膜清洗同時進行，不存在單獨的清洗階段，有效的提高了膜處理效率。
[0021]本發(fā)明中進水方式采用脈沖進水，實際情況下也可以采用連續(xù)錯流進水。
[0022]本發(fā)明的裝置中，為獲得周期性的脈沖效果，并考慮到簡便操作方面的要求，所述的脈沖發(fā)生器利用電磁閥控制開關(guān)達到脈沖的效果，具有簡單、易操作的特點。啟動時間可以根據(jù)進水水質(zhì)、膜污染狀況，啟動周期從5?30分鐘可調(diào)，整個脈沖過程可電腦自動控制。采用的脈沖水流較為緩和，防止了劇烈水沖擊對中空纖維膜的造成的破損。
[0023]本發(fā)明以脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖水流，以螺旋器產(chǎn)生螺旋流，采用間歇螺旋錯流過濾方式，利用螺旋流與膜面污染物發(fā)生切向和縱向兩個方向的運動，延緩膜污染，與現(xiàn)有的膜處理裝置相比，具有以下優(yōu)點:
[0024]( I)與現(xiàn)有裝置相比，本發(fā)明的間歇螺旋錯流的過濾方式是利用螺旋器產(chǎn)生的，進水的同時將死端過濾階段累積的膜污染沖出。相比于全程死端過濾方式，本發(fā)明的間歇螺旋錯流過濾方式可以間歇的將膜池的濃液排出，消除或減少濃差極化現(xiàn)象，延緩膜污染。相比于錯流過濾，本發(fā)明的間歇螺旋錯流過濾方式可以提高錯流水流路程，減少沖洗水的用量；脈沖螺旋錯流在膜面產(chǎn)生兩個方向的切向力，并具有一定的沖擊作用，效果好于錯流過濾單一的水平切向力。同時，本發(fā)明裝置可以通過調(diào)節(jié)錯流過濾和死端過濾各自所占用的時間使得能耗大為降低，并易于實現(xiàn)自動化控制。
[0025](2)與現(xiàn)有裝置相比，本發(fā)明的間歇螺旋錯流的過濾方式利用旋轉(zhuǎn)分離技術(shù)，大分子污染物在離心力的作用下，易遠離膜過濾進水的中心區(qū)域，造成中心的溶質(zhì)分子較少、較小，不易產(chǎn)生膜污染。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的間歇螺旋錯流過濾裝置的示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明膜組件的示意圖。
[0028]圖3為本發(fā)明膜組件中螺旋擋板的三維放大示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進行。
[0030]一種間歇螺旋錯流膜過濾裝置，包括膜組件2和水循環(huán)系統(tǒng)，所述膜組件2包括豎立的殼體18、中空纖維外壓膜19和螺旋擋板20，在殼體內(nèi)緊貼其內(nèi)壁設(shè)有螺旋擋板20，螺旋擋板與殼體內(nèi)壁間隙為2mm ;在螺旋擋板之上設(shè)有預(yù)留儲水區(qū)21，螺旋擋板20的中部設(shè)有支撐管22，在螺旋擋板20與殼體18之間形成圍繞支撐管22的螺旋通道；所述中空纖維外壓膜19貫穿螺旋擋板20豎直設(shè)于殼體18內(nèi)，中空纖維外壓膜19的下端固定在螺旋擋板的底部，上端由膜頭固定，并通過出水管23與殼體上的濾液出口相連通；殼體下、上端分別設(shè)有錯流進、出水口，所述錯流進水口對應(yīng)螺旋通道的入口，其進水方向與殼體內(nèi)壁相切；螺旋通道的出口通過預(yù)留儲水區(qū)21與錯流出水口連通；所述水循環(huán)系統(tǒng)包括依次管路連通的儲水池1、循環(huán)水泵6、水箱5和電磁閥10 (水箱5和電磁閥10組成脈沖發(fā)生器)，電磁閥10與水箱出水口連接，用于控制脈沖水流發(fā)生間隔，所述電磁閥10出口通過進水管路3與錯流進水口連通，進水管路3上設(shè)有流量閥9 ;儲水池I的進水端通過回流管路4與錯流出水口連通。
[0031]螺旋擋板20由塑料一次成型，中心設(shè)有空心支撐管，螺旋擋板內(nèi)部形成特定螺旋流道。葉片內(nèi)沖壓有若干孔洞，用于中空纖維膜的貫穿。通過調(diào)整螺旋擋板葉片圈數(shù)，可調(diào)整水力停留時間和水流速度。
[0032]儲水池I內(nèi)安裝有機械攪拌器8，用于混合脈沖回水和進水，定期將儲液循環(huán)中的液體從泄空閥12排出，減少進水污染物含量。在中空纖維膜正常運行中儲水池I中的料液周期性供應(yīng)給中空纖維膜。儲水池I用于脈沖出水的儲存，以便循環(huán)水泵6可以將料液均勻充入水箱5內(nèi)。
[0033]殼體上的濾液出口處設(shè)有壓力表7和出水泵11。
[0034]下面參照圖1、2、3對間歇螺旋錯流過濾方式和裝置進行更詳細的說明。
[0035]上述裝置進行間歇螺旋錯流膜過濾的方法，是由錯流過濾和死端過濾交替進行的。錯流過濾時，膜組件正常運行:啟動脈沖發(fā)生器的電磁閥10，將進水管路3、回流管路4上的閥門打開；當(dāng)電磁閥10開啟，水箱5中的脈沖水流經(jīng)過進水管路3進入膜組件2，當(dāng)水流通過膜組件2中的螺旋擋板20，水流形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從直流變?yōu)槁菪?。螺旋流繞整個螺旋擋板20運動，期間與膜面發(fā)生切向交錯，沖洗膜面，對膜面進行切向和豎向上的液流擾動，并將污染物沖出膜組件2，延緩膜污染，維持膜通量。螺旋流出水經(jīng)回流管路4進入儲水池1，通過循環(huán)水泵泵6將儲水池I中液體輸入到水箱5，完成整個循環(huán)。在脈沖水流發(fā)生的間隔時間內(nèi)，利用預(yù)留儲水區(qū)內(nèi)的料液進行死端過濾。
[0036]本發(fā)明的裝置中，脈沖進水的過程中，水流具有一定的沖擊作用，帶有一定的清洗效果。本發(fā)明的裝置可以在脈沖進水的同時將上一周期死端過濾所積累的膜污染有效的去除，從而使中空纖維膜維持較高的膜通量。
[0037]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種間歇螺旋錯流膜過濾裝置，其特征在于，包括膜組件和水循環(huán)系統(tǒng)，所述膜組件包括豎立的殼體、中空纖維外壓膜和螺旋擋板，在殼體內(nèi)緊貼其內(nèi)壁設(shè)有螺旋擋板，在螺旋擋板之上設(shè)有預(yù)留儲水區(qū)，螺旋擋板的中部設(shè)有支撐管，在螺旋擋板與殼體之間形成圍繞支撐管的螺旋通道；所述中空纖維外壓膜貫穿螺旋擋板豎直設(shè)于殼體內(nèi)，中空纖維外壓膜的下端固定在螺旋擋板的底部，上端由膜頭固定，并與殼體上的濾液出口相連通，殼體下、上端分別設(shè)有錯流進、出水口，所述錯流進水口對應(yīng)螺旋通道的入口，螺旋通道的出口通過預(yù)留儲水區(qū)與錯流出水口連通；所述水循環(huán)系統(tǒng)包括依次管路連通的儲水池、循環(huán)水泵和脈沖水流發(fā)生器，所述脈沖水流發(fā)生器通過流量閥與錯流進水口管路連通，儲水池的進水端與錯流出水口管路連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的脈沖水流發(fā)生器包括水箱和控制脈沖水流發(fā)生間隔的電磁閥，所述電磁閥與水箱出水口連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述錯流進水口的進水方向與殼體內(nèi)壁相切。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述螺旋擋板與殼體內(nèi)壁間隙為I?3mm o
5.利用權(quán)利要求1或2或3或4所述裝置進行間歇螺旋錯流膜過濾的方法，其特征在于，該方法是由錯流過濾和死端過濾交替進行的，錯流過濾時，脈沖水流發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖水流沖入膜組件，當(dāng)水流流過螺旋通道時，產(chǎn)生螺旋流，對膜面進行切向和豎向上的液流擾動；在脈沖水流發(fā)生后，利用預(yù)留儲水區(qū)內(nèi)的料液進行死端過濾。
【文檔編號】B01D65/02GK103638818SQ201310608126
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】牛曉君, 閆新秀, 王彩虹 申請人:華南理工大學(xué)