CN100509121C - 一种多通道膜管及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多通道膜管，其特征在于渗透侧在膜管多通道中，膜管外表面作为原料侧或封闭，不需附加封闭式壳状外套即可制成膜组件使用。在相同外形尺寸情况下，该新型结构的多通道膜管可以具有不同比例的渗透侧面积和原料侧面积，从而提高膜管表面积的利用效率。应用于将膜元件或膜组件浸入原料流体进行膜分离的过程，具有制造简便、设备成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种多通道膜管及其应用，特别涉及一种具有高膜表面积利用效率的多通道膜管及其在气升式膜处理装置中的应用。
背景技术
膜装置可以实现微滤、超滤的膜过滤分离过程，用以分离含有大分子或大尺寸颗粒的流体，流体中的溶剂和小分子溶质透过膜，大分子或大尺寸颗粒被膜截留。与常规过滤相比，膜过滤具有过滤精度高，节能的特点。
实际应用中膜管以多通道的为主，因为多通道形式的膜管结构紧凑，膜面积比较大，错流实现比较容易。为提高单位体积内的膜面积，膜管中的通道可以被做成圆形、椭圆形、花瓣形或多边形，以及专利US5873998、US5853582所给出的不规则形状。
在用于反渗透和超滤过程时，专利US4032454、US4222874提出了压力平衡式的膜过滤系统，使膜管外表面受压，以解决内压式膜管因受力不均而产生的破裂等机械强度问题。由于所处理料液是高压流体，因此设计的焦点集中在膜管受力分布和设备密封上，这使得膜管通道结构单调、使用时过滤系统须为膜管配制专门的壳状封闭压力容器。
为降低透过流体的渗透阻力，专利US5009781和US5108601将渗透侧引入了蜂窝状结构膜管的通道中，设计出了通道连通管路。但该蜂窝状结构膜管的通道数目多、结构复杂，还存在专利US6939522所述的因温度分布不均而破裂的问题。其应用设备如专利US4781831和US6126833所示，需要特定的壳状封闭容器与之相适应。
目前工业化应用的多通道结构膜管基本上都如专利US5607586那样，膜管外表面不覆盖膜层作为渗透侧，膜管内的通道表面则覆盖膜层作为原料侧。其多通道结构中的各个通道都是贯通的，在功能上是相同的。如专利US5494577、US6767455、US6921483及Chang In-Soung等(Air sparging of asubmerged MBR for municipal wastewater treatment.Process Biochemistry.2002，37：915-920)所描述的设备那样，在使用普通多通道膜管构建浸入式膜反应器(submerged membrane reactor)时，膜组件都采用与专利US6958120类似的结构，膜管必须附加封闭的外壳以构成渗透侧腔，这样才能收集和导出膜管外表面透出的流体，才能避免原料流体和透过流体混和。但这就限制了透出液的渗透路径和膜管表面积的分配比例，并且增大了膜组件的复杂程度和制造成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了有效利用膜管表面积，降低浸入式膜组件制造和使用成本，本发明提出了一种新型多通道结构，在不改变膜管外形和总表面积情况下，可以针对不同的物料方便地通过调整渗透侧面积和原料侧面积的比例来提高膜表面积利用效率，并且制成膜组件时不必附加封闭式外套。本发明的另一目的是提供一种应用上述多通道膜管的气升式膜处理装置。
本发明的技术方案为：在在相同传质推动力作用下的膜过滤过程中，由于原料侧膜层被污染，膜表面形成凝胶层或滤饼层，膜通量会迅速衰减。此时撑体和渗透侧通道的结构没变，透过液渗出路径相同，这说明单位时间内渗透侧的透过流体透出量受渗透侧表面积影响不大，但却受到原料侧膜面积的控制。因此在不改变撑体结构和总表面积的情况下，针对不同物料适当调整渗透侧面积和原料侧面积比例将会提高膜元件的透过流体透过效率。这与此前以降低透出液渗出阻力为目的的设计思路是不同的。
本发明将膜管外表面覆盖膜层或用覆盖釉层等方式封闭，将多通道中的一个或几个通道作为渗透侧，把其它覆盖膜层的内通道和覆盖膜层的膜管外表面一起作为原料侧，使膜管内的多通道中同时具有了渗透侧通道和原料侧通道。通过分别控制原料侧通道和渗透侧通道的数目、形状和尺寸，可以有效调整原料侧膜面积与渗透侧膜面积的比值。由于渗透侧位于膜管内，渗透侧腔由膜管内的通道构成，渗透液通过引流管导出，膜管外表面可以覆盖膜层作为原料侧或用覆盖釉层等方式封闭，因此使用该结构的膜管制作的膜组件可以直接浸入原料液中使用，不必附加封闭式的外套。
具体的技术方案为：一种多通道膜管，其特征在于渗透侧只在膜管多通道中，膜管外表面作为原料侧或封闭，膜管不需附加封闭式壳状外套即可制成膜组件浸入原料流体进行膜分离应用。
其中渗透侧2由膜管中的一个或多个通道构成；原料侧3为覆盖膜层的非渗透侧的管状通道和/或是未被封闭的膜管外表面(如图1)；所述的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(如图2)；膜管的外表面使用覆釉层或有机材料封闭，所述的有机材料为聚丙烯、PVC、聚四氟乙烯或环氧树脂；渗透侧的膜管通道可以是贯通的，两端用外接头或内插头与外部连接(如图3)；也可以是一端为盲端，另一端用外接头或内插头与外部连接(如图4)；渗透侧通道端口的外接头材料可以为聚丙烯、PVC、聚四氟乙烯或不锈钢，可以使用环氧树脂胶粘剂、热固性或热塑性材料将其粘结在渗透侧通道一端；渗透侧通道端口的外插口可使用聚丙烯、PVC、聚四氟乙烯或环氧树脂进行表面处理，外插口与外插头之间可以使用O形圈密封。多通道膜管可通过支架定位，不需附加封闭式壳状外套即可制成膜组件使用。
当用于膜过滤过程时，多通道膜管中的流体渗透路线如图5所示。用符号a表示膜管外表面，b表示作为原料侧的通道表面，c表示作为渗透侧的通道表面。原料侧的流体通过膜管外表面a和作为原料侧的通道b进入膜撑体，然后由作为渗透侧的通道的表面c渗出，并通过该通道的接口流出。这样膜管外表面不作为渗透侧，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形状、数量、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。
只将膜管内的一根或几根通道作为渗透侧，膜管外表面作为原料侧，可以不用附加封闭式外壳构成膜组件，如图6所示。即使膜管外表面不作为原料侧，通过覆盖釉层或有机物方式封闭，虽然放弃了膜管外表面的膜管面积，但是也可以不用附加封闭式外壳构成膜组件，如图7所示。通过分别控制原料侧通道和渗透侧通道的形状、尺寸和数目，可以有效调整原料侧膜面积与渗透侧膜面积的比值。
本发明中渗透侧通道的形状和尺寸可与原料侧通道的相同，也可不同；覆盖膜管外表面的膜层和覆盖每个通道表面的膜层的材料、结构、膜孔径尺寸可以是相同的，也可以是不同的；所有通道表面都覆盖膜层的，也可以只有部分通道表面覆盖膜层。
膜元件的主体结构可以采用挤压或浇注方式一次成型。该膜元件可以用作膜分离、无泡供气、膜萃取元件。支撑体和膜层的材料可以为纯的氧化铝、氧化锆、氧化钛或上述材料的混合物以及堇青石、莫来石，也可以为纯的聚四氟乙烯，聚砜等有机材料或其复合物。
本发明主要应用于将膜元件或膜组件浸入原料流体进行膜分离的过程。
本发明的另一个技术方案提供了上述新型结构的膜管在气升式膜处理装置中的应用。将该新型结构的多通道膜管按阵列均匀间隔排列固定，做成组件，垂直浸入原料流体，通过管路将渗透侧通道连接至透出液收集管。在多通道膜管下端曝气，以气升流体为动力来源；用抽吸泵在透出液收集管路上抽吸，以引出透出液。这样可以实现错流膜过滤过程，该过程如图8所示：多通道膜管阵列排列式膜组件f浸没在料液池e中；原料液通过进料管d打入料液池e；压缩空气经曝气管路h从位于膜组件下方的曝气头曝出，由此产生的气升式错流流体会冲刷原料侧膜表面，从而降低膜污染状况；膜过滤渗透液经抽吸管路g由抽吸泵i打出。其中气升式错流示意图如图9所示，气升式错流流体可通过密度差实现料液在料液池内部的流体循环。
有益效果：
1、在相同外形尺寸情况下，该新型结构的多通道膜管可以具有不同比例的渗透侧面积和原料侧面积。本发明仅把多通道膜管内的一根或多根通道作为渗透侧，其它通道作为原料侧，膜管外表面作为原料侧或封闭。通过调整渗透侧通道的数目、外形和尺寸或盲端封堵方式，可以调整渗透侧面积和原料侧面积比例。这样，对于不同原料流体，可以采用具有不同渗透侧面积和原料侧面积比例的膜管来处理，从而提高膜管面积的利用效率。
2、与普通多通道膜管相比，本发明将膜管的外表面作为了原料侧或封闭，可通过原料容器内部的流体循环如气升式流体循环实现错流，不仅可以提高膜管表面积的利用效率，还能使膜管不附加封闭式外套进行膜过程处理。
3、与普通多通道膜管相比，本发明的新型结构多通道膜管在外形上没有太大变化，但因为避免了封闭式外套的束缚，降低了生产成本和运行成本。
附图说明
图1膜管端面结构图；图中1—多通道管式膜元件，2—渗透侧通道，3—原料侧通道和膜管外表面。
图2单个通道形状图；图中4—圆形通道，5—椭圆形通道，6—花瓣形通道，7—多边形通道。
图3渗透侧通道形状图；图中8—贯通的渗透侧通道，9—一端封闭的渗透侧通道。
图4渗透侧通道接口图；图中10—外接头，11—内插口。
图5多通道膜管中的流体渗透路线图(径向)；图中a—膜管外表面，b—作为原料侧的通道表面，c—作为渗透侧的通道表面。
图6膜管外表面作为原料侧的多通道膜管透过流体流向图(轴向)；图中a—膜管外表面(覆盖膜层)，b—作为原料侧的膜管内通道表面，c—作为渗透侧的膜管内通道表面。
图7膜管外表面封闭的多通道膜管透过流体流向图(轴向)；图中a—膜管外表面(封闭)，b—作为原料侧的膜管内通道表面，c—作为渗透侧的膜管内通道表面。
图8多通道膜管在气升式膜过滤中的应用示意图；图中d—进料管，e—料液池，f—多通道膜管阵列排列式膜组件，g—抽吸管路，h—曝气管路(压缩空气)，i—抽吸泵
图9气升式错流示意图
具体实施方式
实施实例1
多通道膜管端面如图1所示。膜管撑体采用AL2O3陶瓷材料一次挤压成型，长度0.5m，膜管直径41mm，内有18个原料侧通道，1个渗透侧通道，原料侧通道直径6mm，通道间壁厚2mm。渗透侧通道位于膜管中间位置，一端封闭，封堵长度1cm，另一端烧结2.5cm长的一段瓷釉作为内插口，插入带O形圈的内插头管路以引出透过液。膜管外表面、两端面烧结瓷釉封闭，原料侧通道覆盖一层平均孔径为0.2μm的氧化铝膜层，撑体和膜层的空隙率为35％。将膜管浸入通量检测池内，料液为纯水，在20℃、膜两侧压差0.09MPa情况下，通量为1200L/m2h。
实施实例2
多通道膜管端面如图1所示。膜管撑体采用AL2O3陶瓷材料一次挤压成型，长度0.5m，膜管直径31mm，内有6个原料侧通道，1个渗透侧通道，原料侧通道直径6mm，通道间壁厚2mm。渗透侧通道在膜管中间位置匀布，一端封闭，封堵长度1cm，另一端烧结2.5cm长的一段瓷釉作为内插口，插入带O形圈的内插头管路以引出透过液。膜管外表面、两端面及原料侧通道覆盖一层平均孔径为0.05μm的氧化钛膜层，撑体和膜层的空隙率为35％。膜管原料侧总膜表面积为0.449m2，渗透侧总膜表面积为0.0377m2。将膜管浸入通量检测池内，料液为纯水，在20℃、膜两侧压差0.09MPa情况下，通量为780L/m2h。
实施实例3
多通道膜管端面如图1所示。膜管撑体采用氧化铝粉体挤出成型，长度0.5m，膜管直径31mm，内有6个原料侧通道，1个渗透侧通道，通道直径6mm，通道间壁厚2mm。渗透侧通道在膜管中间位置匀布，两端均涂1.5cm长的一段环氧树脂胶粘剂密封外接头，然后外接管路以引出透过液。膜管外表面、两端面及原料侧通道覆盖一层平均孔径为0.05μm的氧化锆膜层，撑体和膜层的空隙率为35％。将膜管浸入通量检测池内，气升式错流，料液为1g/L的1μm粒径的氧化铝颗粒悬浊液，在25℃、膜两侧压差0.09MPa情况下，膜管通量为680L/m2h。
实施实例4
多通道膜管端面如图1所示。膜管撑体采用氧化铝粉体挤出成型，长度0.5m，膜管直径41mm，内有17个原料侧通道，2个渗透侧通道，通道直径6mm，通道间壁厚2mm。渗透侧通道在膜管中间位置匀布，两端均涂1.5cm长的一段环氧树脂胶粘剂密封外接头，然后外接管路以引出透过液。渗透侧通道覆盖一层平均孔径为0.5μm的氧化铝膜层，膜管外表面、两端面及原料侧通道覆盖一层平均孔径为0.05μm的氧化锆膜层，撑体和膜层的空隙率为35％。将膜管浸入通量检测池内，气升式错流，料液为1g/L的1μm粒径的氧化铝颗粒悬浊液，在25℃、膜两侧压差0.09MPa情况下，膜管通量为600L/m2h。
Claims (5)
1、一种多通道膜管，其特征在于渗透侧由膜管中的一个或多个通道构成，原料侧为覆盖膜层的非渗透侧的管状通道和未被封闭的膜管外表面；通过调节渗透侧面积和原料侧面积比例来提高膜表面积的利用效率，膜管不需附加封闭式外壳即可制成膜组件使用。
2、根据权利要求1所述的多通道膜管，其特征在于所述的膜管端截面形状和通道截面形状为圆形、椭圆形、花瓣形、多边形或不规则形状。
3、根据权利要求1所述的多通道膜管，其特征在于通过调整渗透侧通道的数目、外形和尺寸或盲端封堵方式，可以调整渗透侧面积和原料侧面积比例。
4、根据权利要求1所述的多通道膜管，其特征在于渗透侧的膜管通道可以是贯通的，两端用外接头或内插头与外部连接；也可以是一端为盲端，另一端用外接头或内插头与外部连接。
5、一种如权利要求1所述的多通道膜管在气升式膜过滤器中的应用。
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