CN100428982C - 一种浸入式膜组件及其膜过滤装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浸入式膜组件以及使用了该组件的气升式膜过滤装置。所述的浸入式膜组件采用渗透液从内通道中引出的膜管为膜元件，通过阵列排布和辅助阵列排布装置，使原料流体能够在膜元件阵列中分布均匀。所述的气升式膜过滤装置包括浸入式膜组件、原料池、曝气系统和渗透液负压抽吸系统，将该组件垂直浸入底部具有曝气系统的原料池中，气升流体沿膜管轴向运动，渗透液沿膜管径向透出，从而实现错流过滤，渗透液可通过负压抽吸系统引出。
Description
技术领域
本发明涉及一种浸入式膜组件以及使用了该组件的膜过滤装置。特别是一种采用渗透液从内通道中引出的膜管为膜元件的浸入式膜组件以及使用了该组件的气升式膜过滤装置，该装置可用于污水处理过程。
背景技术
膜是实现流体中不同物质分离的选择性屏障，用以实现膜过滤、曝气、膜萃取等膜处理过程。尤其在膜过滤过程中，大分子或大尺寸颗粒可被膜有效截留。与常规过滤相比，膜过滤具有过滤精度高，节能的特点。
应用中膜元件要整合成膜组件，以使原料流体和透出流体能被有效隔离和引出，使膜元件原料侧的原料流体分布均匀、流体能量被有效利用。实际应用中不加封闭外套的浸入式膜组件多采用板式或中空纤维帘布式膜组件，膜组件间等间距排列，可以实现原料侧流体在膜元件中均匀分布。
目前以膜管为膜元件的浸入式膜组件有两种形式：1)直接将膜管浸入原料流体，以膜管外表面为原料侧，膜管内通道表面为渗透侧(如专利CN03822704.5)；2)将膜管封装在包裹状壳式外套中，以膜管外表面为渗透侧，内通道表面为原料侧(如专利CN 01108189.9)。由于膜元件中作为原料侧的膜表面形状和结构相同，因此为保证原料流体的均匀分布，对于第一种形式的膜组件只需将膜元件匀布即可，对于第二种形式的膜组件只要保证每个膜元件的原料流体速度相同即可。
由于需要包裹状壳式外套，采用第二种膜组件构建浸入式膜处理装置具有设备复杂，制造成本高，维护不方便的缺点。当浸入式膜组件采用的膜元件为多通道膜管，且有部分通道和膜管外表面一起作为原料侧时，只能采用第一种形式的膜组件。当使用第一种形式的膜组件时，原料流体将从膜管排布时产生的间隙和膜管内的原料侧通道中流过，由于所遇到的阻力不同，原料流体在膜管外表面和膜管内通道表面的速度分布是不同的，过大的速度分布差异将会影响膜过滤的错流效果、降低膜面积的利用效率和增大能耗。
目前见于文献报道的使用管式膜组件的气升式膜过滤装置有分体式和浸没式两种，所采用的膜组件基本上都是第二种形式的将膜管封装在包裹状壳式外套中的膜组件，这使得设备复杂，还存在密封、膜管检修更换等一系列的问题，并且设备制造成本也高。也有文献报道了采用第一种形式直接将单通道膜管浸入原料流体的气升式膜过滤装置，但只停留在小试阶段，存在着放大困难、装填面积小等问题，此外由于单通道膜管强度低、易折断，这使得应用中单通道膜管长度有限，并且关于阵列式排布中流体速度分布问题没有解决。
在应用过程中，使用第二种膜组件的气升式膜过滤装置在检修和维护过程中只能面向组件进行，任何一根膜管发生泄漏或损坏都将表现为整个组件的问题，只有卸下和拆开组件才能具体到单根膜管，这使得检修和维护过程变得复杂和困难，甚至会因此影响到生产进度。
发明内容
本发明为了克服以上管式膜组件设备复杂、制造成本高、维护不方便等缺点，解决原料流体在膜管外表面和膜管内通道表面的速度分布问题，而提出了一种使用渗透液从内通道中引出的膜管为膜元件，通过辅助阵列排布装置使膜管在阵列中按规则排列的浸入式膜组件。
本发明的另一个目的是提出了一种使用上述膜组件的气升式膜过滤装置，用于解决上述密封、膜管检修更换等问题。
本发明的技术方案为：一种浸入式膜组件，由渗透液从内通道中引出的膜管和辅助阵列排布装置组成，膜管分布在辅助阵列排布装置中。
其中所述的辅助阵列排布装置具有套筒，膜管被顶部的透过液收集管和底部的支架定位和分布在套筒中；或者具有套筒和肋板，肋板位于套筒内，膜管位于由肋板分隔成的管状空间中。所采用的膜管为多通道膜管或单通道膜管，膜管为陶瓷、不锈钢、金属、钛铝合金、碳或有机材料制成。膜管的端面形状和膜管内部通道的径向截面形状可以为圆形、椭圆形、花瓣形或多边形。通过辅助阵列排布装置，膜管的列阵排布形状可以为圆形、椭圆形、花瓣形或多边形。辅助阵列排布装置采用不锈钢、聚丙烯、PVC或聚四氟乙烯制造。为更好地达到集气目的，套筒的下端可以附有裙边。裙边和套筒的长度为膜管长度的0.1～2倍。
膜组件1中膜管g摆放方向与气升流体运动方向平行，组件1中膜管外表面2到其周围辅助阵列排布装置3表面的距离和膜管间的外表面间距可控制在0～100倍膜管内通道直径，从而使原料流体在膜管原料侧的速度分布均匀。
辅助阵列排布装置3可以为膜管g提供支撑、定位、导出透出液和分布原料侧流体的功能。作为渗透侧的通道一端与位于辅助阵列排布装置上部的透过液收集管j连接，另一端封闭，并置于位于辅助阵列排布装置底部的支架上。透过液收集管j在导出透过液的同时，与底部的支架k一起对膜管排布起到定位作用。在辅助阵列排布装置3中可以具有肋板，这些肋板填充在膜管g排布的间隙中，支撑和分隔膜管，并起到均匀分布流体的作用。
由于膜管渗透侧位于膜管通道内，使用辅助阵列排布装置3按一定阵列排布制成的膜组件1可直接浸入原料流体，不必附加封闭式外套，因此该膜组件具有结构简单，维护方便，原料流体在膜元件原料侧表面速度分布均匀，渗透液引出方便，对不同膜元件适应性强等特点。
将该组件垂直浸入底部具有曝气系统的原料池8中，渗透液管路连接上负压抽吸系统，可组成一个气升式膜过滤装置。曝气系统包括输气管路7和曝气头9，所用气体为压缩空气。负压抽吸系统包括渗透液导出管路6、负压贮液罐10和抽吸泵11。气升流体沿组件中膜管的轴向运动，渗透液沿膜管的径向透出，从而实现错流过滤，渗透液可通过负压抽吸系统引出。在所述的气升式膜过滤装置中，所采用的膜组件可以有1组或1组以上。
本发明的膜组件和气升式膜过滤装置主要应用于将膜组件浸入料液进行膜处理的过程，特别适合用于气升式膜反应器(Airlift membrane reactor)，或用于以气升流体作为错流动力的化学或生物反应的在线分离过程。
有益效果：
1、通过辅助阵列排布装置，该新型结构的膜组件可以使用以膜管内通道表面和膜管外表面为原料侧的膜元件，可以解决多通道膜管在浸入式膜组件中的支撑、定位和透出流体引出的问题。
2、通过阵列排布和使用辅助阵列排布装置，使膜管外表面到其周围辅助阵列排布装置表面的距离和膜管间的外表面间距与作为原料侧的膜管内通道尺寸相当，可以解决原料流体在膜管原料侧表面速度分布的均匀性问题。
3、通过添加或减少膜管根数，该组件可以方便地实现膜面积的增加与减少。并且，通过选用不同结构的膜管，可以方便地控制膜组件中膜管渗透侧表面与原料侧表面的比例。
4、该浸入式膜组件可以采用多通道膜管或单通道膜管，并且不用外加封闭式壳状外套，降低了组件生产成本。
5、该气升式膜过滤装置可以通过增加或减少膜组件的数量来有效控制膜过滤面积。
6、由于使用了本发明的浸入式膜组件，该气升式膜过滤装置既具有了高的膜装填面积，还增大了原料池的有效容积。
7、该气升式膜过滤装置使用压缩气体为动力，利用气升式流体同时实现了膜表面的错流过滤和原料池内的流体循环搅拌，从而降低了能耗，并且结构简单，降低了设备制造成本。
8、由于使用了本发明的浸入式膜组件，该气升式膜过滤装置可以直接面向单根膜管进行检修和维护。
9、本发明的浸入式膜组件和气升式膜过滤装置结构简单，维护方便，节能，工业放大容易。
附图说明
图1浸入式膜组件正视图；图中a-包括套筒的膜组件，b-包括套筒和裙边的膜组件。
图2插有膜管的浸入式膜组件I-I方向截面图；图中1-膜组件，2-膜管外表面，3-辅助阵列排布装置，4-作为原料侧的膜管内通道，5-作为渗透侧的膜管内通道。
图3抽去膜管的浸入式膜组件I-I方向截面图；图中c-无肋板，d-简单支撑和分隔肋板，e-连体支撑和分隔肋板，f-填塞支撑和分隔肋板。
图4采用浸入式膜组件的膜过滤装置；图中1-膜组件，6-渗透液导出管路，7-输气管路，8-原料池，9-曝气头，10-负压贮液罐，11-抽吸泵。
图5浸入式膜组件的原料流体循环路线图；图中g-膜管，h-作为原料侧的膜管表面，i-作为渗透侧的通道表面，j-透过液收集管，k-支架。
图6浸入式膜组件的透过液流动路线图；图中g-膜管，h-作为原料侧的膜管表面，i-作为渗透侧的通道表面，j-透过液收集管，k-支架。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的实施方式：
实施例1
一种浸入式膜组件1，其特征在于膜管外表面2到其周围辅助阵列排布装置3表面的距离和膜管间的外表面间距与作为原料侧的膜管内通道4尺寸相适应，间距为膜管内通道4直径的0～100倍。图2所示为装有膜管时四种组件的截面图，四种组件依次为正六边形膜管无肋板组件、圆形膜管附不规则棒状肋板组件、正六边形膜管附开槽板式肋板组件、正六边形膜管附波纹板式肋板组件；抽去膜管后组件的截面图如图3所示。其中所述的阵列排布形状可以为圆形、椭圆形、花瓣形或多边形；多通道膜管的膜管端截面形状可以为圆形、椭圆形、花瓣形或多边形；单个通道形状也可以为圆形、椭圆形、花瓣形或多边形。膜管内渗透侧通道通过管道连通到透过流体收集管。辅助阵列排布装置可以具有支撑和分隔肋板，也可以无肋板(如图3)。分隔肋板可以为开槽板、波纹板、丝网或栅板。辅助阵列排布装置3外部可以具有套筒a，也可以具有套筒a和裙边b(如图1)。
使用该浸入式膜组件1构成的气升式膜过滤装置如图4所示，包括膜组件1、原料池8、曝气系统和渗透液负压抽吸系统。曝气系统包括输气管路7和曝气头9，所用气体为压缩空气。负压抽吸系统包括渗透液导出管路6、负压贮液罐10和抽吸泵11。将该组件垂直浸入底部具有曝气系统的原料池8中，压缩空气经输气管路7在曝气头9曝出，所形成的气升流体进入膜组件并沿膜管轴向运动；在抽吸泵11的抽吸作用下，负压贮液罐10保持负压在-0.1MPa左右，并与渗透液导出管路6连通，渗透液沿膜管径向透出，从而实现错流过滤。其中浸入式膜组件1的原料流体循环路线如图5，透过液流动路线如图6，符号h表示膜管原料侧的表面，i表示作为渗透侧的通道表面，j表示透过流体收集管。
由于控制了膜管g外表面到其周围辅助阵列排布装置3表面的距离和膜管g间的外表面间距，当原料流体在流经膜组件1时，其在各间隙和通道内遇到的阻力是相当的，这样就保证了原料流体在膜管原料侧速度分布的均匀性。
原料流体通过作为原料侧的膜管外表面2和作为原料侧的膜管内通道4外表面进入膜撑体，然后由作为渗透侧的通道5的表面渗出，并通过该通道的接口管路流入渗透液导出管路6。这样膜管外表面2不作为渗透侧，而是作为原料侧，那么原料侧的面积可以提高，通过调整膜管内作为渗透侧的通道的数量、外形尺寸或盲端封堵长度可以有效控制渗透侧面积和原料侧面积的比例。
为更好地集中原料流体动量和能量，对流体提供更好的导向作用，作为辅助阵列排布装置3的一部分，可以在膜管阵列周边附加套筒或裙边，与膜管一起构成包括套筒的膜组件a或具有裙边套筒的膜组件b。
实施实例2
正六边形辅助阵列排布装置(装填膜管长05m，不锈钢材质，无套筒，无肋板)，内部匀布
4×19正六边形氧化锆陶瓷膜管7根，膜孔径200nm，膜管外表面间距6mm。将膜管浸入通量检测池内，料液为纯水，在20℃、渗透侧抽负压(膜两侧压差0.09MPa)、底部鼓气1M3/h情况下，通量为1100L/m2h。
实施实例3
圆形辅助阵列排布装置(装填膜管长0.5m，有机玻璃材质，有套筒，无肋板)，内部匀布
6×19圆形氧化钛陶瓷膜管19根，膜孔径50nm，膜管外表面最小间距6mm。将膜管浸入通量检测池内，料液为纯水，在20℃、渗透侧抽负压(膜两侧压差0.09MPa)、底部鼓气2.5M3/h情况下，通量为800L/m2h。
实施实例4
正六边形辅助阵列排布装置(装填膜管长0.5m，有机玻璃材质，无套筒，无肋板)，内部匀布
4×19正六边形氧化锆陶瓷膜管7根，膜孔径200nm，膜管外表面间距6mm。将膜管浸入通量检测池内，料液为1g/L的1μm粒径的氧化铝颗粒悬浊液，在25℃、渗透侧抽负压(膜两侧压差0.09MPa)、底部鼓气1M3/h情况下，通量为750L/m2h。
实施实例5
圆形辅助阵列排布装置(装填膜管长0.5m，有机玻璃材质，有套筒，有肋板)，内部匀布
6×19圆形氧化铝陶瓷膜管19根，膜孔径500nm，膜管外表面间距6mm。将膜管浸入通量检测池内，料液为1g/L的1μm粒径的氧化铝颗粒悬浊液，在25℃、渗透侧抽负压(膜两侧压差0.09MPa)、底部鼓气2.5M3/h情况下，通量为1500L/m2h。
Claims (10)
1.一种浸入式膜组件，由渗透液从内通道中引出的膜管和辅助阵列排布装置组成，膜管分布在辅助阵列排布装置中；其中膜管外表面到其周围辅助阵列排布装置表面的距离和膜管间的外表面间距控制在0～100倍膜管内通道直径，从而使原料流体在膜管原料侧的速度分布均匀。
2.根据权利要求1所述的膜组件，其特征在于辅助阵列排布装置具有套筒，膜管被顶部的透过液收集管和底部的支架定位和分布在套筒中；或者是辅助阵列排布装置具有套筒和肋板，肋板位于套筒内，膜管位于由肋板分隔成的管状空间中。
3.根据权利要求2所述的膜组件，其特征在于套筒的下端附有裙边。
4.根据权利要求1所述的膜组件，其特征在于膜管为多通道膜管或单通道膜管；膜管的端面形状和膜管内部通道的径向截面形状可以为圆形、椭圆形、花瓣形或多边形。
5.根据权利要求1所述的膜组件，其特征在于膜管分布在辅助阵列排布装置中形状可以为圆形、椭圆形、花瓣形或多边形。
6.根据权利要求1所述的膜组件，其特征在于所采用的辅助阵列排布装置采用不锈钢、聚丙烯、PVC或聚四氟乙烯制造。
7.根据权利要求3所述的膜组件，其特征在于所述裙边和套筒的长度为膜管长度的0.1～2倍。
8.根据权利要求1所述的膜组件，其特征在于所述的膜管为陶瓷、不锈钢、金属、钛铝合金、碳或有机材料制成。
9.一种气升式膜过滤装置，由权利要求1所述的浸入式膜组件、原料池、曝气系统和渗透液负压抽吸系统组成，浸入式膜组件垂直浸在底部具有曝气系统的原料池中，气升流体从膜管原料侧通道和辅助阵列排布装置的肋板与膜管间的通道流过，渗透液管路与负压抽吸系统连接，渗透液经负压抽吸引出。
10.根据权利要求9所述的气升式膜过滤装置，其特征在于所采用的膜组件可以有1组或1组以上。
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- 2006-05-24 CN CNB2006100405520A patent/CN100428982C/zh not_active Expired - Fee Related
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