CN100518909C - 调频调幅湍流式膜滤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调频调幅湍流式膜滤系统由滤膜、外壳、连接管、波纹管、直线电机、泵、清洗阀门、透过液阀门等组成，直线电机直线运动作功驱动波纹管伸缩运动、由于波纹管与连接管腔内连通，连接管腔内与滤膜溶液腔连通，波纹管伸缩运动对滤膜溶液腔内溶液作压缩运动，压缩运动使滤膜的流动溶液形成湍流，波纹管伸缩运动可以通过调节频率、调节运动幅宽，使湍流流型调节至最佳搅拌效应，以达到最佳的透过流束，提高膜滤效率。

Description

调频调幅湍流式膜滤系统

技术领域

本发明涉及过滤技术，特别是调频调幅湍流式膜滤系统。

技术背景

膜分离具有效率高，耗能低，操作简便，环境友好等优点，在重要制剂中呈现出显著的优势和广阔的应用前景，膜分离与其它常规的分离技术相比，膜分离具有一定的技术优势，但是膜分离也存在一些问题至今未能很好的得到解决，主要表现在分离膜抗污染能力差，通量衰减严重，膜污染和劣化严重，这些问题成了推广应用的瓶颈[姜忠义，膜技术在中药有效部位和有效成分提取分离中的应用，离子交换树脂，2002，18(3)]。

Jackson认为：超滤过程中操作压力，温度，物料流速和物料浓度等对超滤过程中的膜污染有突出的影响，而流速的影响最为明显，实验证明在膜表面进料速度或剪切强度对通量的下降是十分重要的，Belfort认为应尽可能使料液在膜表面能均匀分布且接近湍流[杜启云，超滤技术在中药制剂中应用现状与展望，天津纺织工学院学报，1996，15(4)]。

膜堵塞，通量锐减是阻碍推广应用最大障碍，适合于中药体系超滤用的超滤设备及操作工艺有待进一步研究和发展[欧兴长，中药制剂工艺超滤法应用进展和问题，水处理技术，1999，25(3)]。

为了解决膜通量和抗污染问题膜科学研究采用了许多方法加于研究，研究发现：膜分离法中用超滤膜分离高分子物质时，膜的透过流束和纯水透过流束相比会显著降低，这主要是膜分离中的浓度极化现象引起的，膜分离时溶质被膜截留于膜表面和积蓄在膜表面的附近，靠近膜表面的液体浓度明显高于原液浓度，这种现象称为浓度极化，膜表面上的液体浓度Cm的大小可用浓度极化式计算：

$\mathrm{Ln}=\frac{\mathrm{Cm}-\mathrm{Cp}}{\mathrm{Cb}-\mathrm{Cp}}=\frac{J}{R}$

式中：Cm—膜表面上液体浓度，mol/m³；

      Cp—透过膜的流束浓度，mol/m³；

      Cb—被分离原液体浓度，mol/m³；

      J—膜透过流束，m^s/m².s；

浓度极化和膜透过流束与浸透模式和凝胶层模式有关，在浸透模式下一般溶质的截留率接近100％时膜透过流束可用下式计算：

J＝Lp(Δp-π.Cm)

Lp—纯水透过系数cm³/m².s.pa(是指膜本身的固定值)；

Δp—操作压力pa；

π.Cm—膜面上的劲头压pa；

凝胶模式下，高分子浓度在超过某一浓度时而形成凝胶状态，这一浓度称为凝胶极化浓度Cg(是物质本身性质决定)，浓度极化式中Cm用Cg代替时(凝胶层形成时Cp几乎为零)根据这些条件可用下式表述：

$J=k\ln \frac{\mathrm{Cg}-\mathrm{Cp}}{\mathrm{Cb}-\mathrm{Cp}}=k\ln \frac{\mathrm{Cg}}{\mathrm{Cb}}$

当膜表层形成凝胶层时，凝胶层产生流束透过阻力Rg，从而透过流束降低，此时透过流束与Rg的关系为：

$J=\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{Rm}+\mathrm{Rg}}$

式中Rm—膜的透过阻力，数值为Lp的导数；

K—膜近傍的物质移动系数，m/s，mol/m³；

K表示积蓄在膜表面的溶质在渗透压的作用下，向原液中扩散的难易程度，K值越大，溶质越易于扩散，Cm也越小，在超滤法分离高分子物质时，高分子物质扩散速度极小，所于一般K值很小，Cm较大，Cm可高达Cb值的10倍，从而产生浓度极化现象。

由公式可知Cm由R值的大小而决定，因R的大小由膜附近的液体的搅拌状态决定，所以通常增加搅拌可增加溶液的流动性，从而使R值增大，Cm值减小，中尾真一采用管式膜管内振动法达到增加膜透过流束的效果，该装置应用在牛奶的浓缩中同一膜组件的过滤流束提高8倍[中尾真一，低周波振动滤过法の原理とゐ用，日本食品机械装置，1996(2)79～85]。

为了提高超滤操作的效率，人们采用了许多不同的方法，在控制膜污染方面，主要措施有：料液的预处理、选用改性膜、膜清洗和改变操作条件等[时钧，袁权，高从楷编。膜技术手册。北京：化学工业出17版社，2001.171—177]，还有采用其它技术方案如：

采用脉冲电场的电超滤技术[Tarleton E S，Wakeman RJ.Fil.&Sep.，1992，29(5)：425-432]。

使用不稳态流[Maranges C，Fonade C.J.Membr.Sci.，1977，2(1)：35～41]，在膜管内装设湍流促进器(如ABCORG公司的产品、RAYPAK公司的产品、KENICS公司的产品在管式膜内安装螺旋导流板)

脉冲流[Najarian S，Bellhouse B J.J.Membr.Sci.，1996，114(2)：245—253]在过滤流程系统中串入脉动活塞，由于脉动活塞的脉冲运动干涉使过滤流体呈脉冲效应流型，实验表明脉冲发生装置所需增加50％的动力换来提高75％的的过滤效率，其经济意义是显著的[王湛，膜分离技术与基础，化学工业出版社，北京，2000，115～117]。[Finnigam S M，Howell J A.Chem.Eng.Res.Des.1989，67(3)：278—282]。

采用载气技术方案的气液混合流[Cui Z F，Wright K IT.J.Membr.Sci.，1994，90(2)：83_189]等技术均取得一定的研究成果。

超声波强化超滤的应用研究

超声波在分离科学中的应用则是一个相对较新的研究领域，有研究表明，超声波可用于透析操作中扩散速度的提高[Floros J D，Liang.Foodtechnol，1994，48(12)：124—131]有效地提高多孔介质中流体的流速[M uralidhara H S，Senepati N，Ensminger D，etal.Filtr.Sep.，1986，23(6)：351—353]并可作为微滤操作的辅助强化手段以提高渗透通量[Felix M P，Ellir A T.Appl Phys Lett，1971，19(11)：484-487]于是利用超声波强化超滤作为一种有效且具有潜力的分离方法，已成为近阶段的一个研究热点；

超声波的作用可归纳为以下几个方面

(1)加热作用：介质总体温度的上升是由于吸收声波。

(2)结构影响：当流体放置于高强声场中时，动力搅拌和剪切应力将影响其结构特性。

(3)压缩和松弛作用：当高强声能波通过固体介质时，将会出现快速的压缩和松弛作用。

(3)声冲流：高强的超声波在液/固和气/固界面能引起比较强烈的流，称为“声冲流”。

(4)空化作用：在超声波压力场内，空化气泡的形成、增长和剧烈破裂以及由此引发的一系列理化效应[Ensm ingerD.Ultrasonics：Foundam entals.Tech—nology，Applycations，2nded，M arcel Dekker，New York，1988，184-204]。

一般认为，超声波强化超滤的是基于以下几方面的机理：

(1)声冲流能产生类似机械搅拌的作用，超声波功率愈高，声冲流愈强，而由此导致的搅拌作用也愈强。这种搅拌作用一方面可减缓膜表面沉积层的形成速度，另一方面又对已经形成的膜表面沉积层有冲洗和破坏作用，使其重新分散于料液中。

(2)存在于料液中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速变大，然后突然闭合，由此产生瞬时高压和冲击波。由于存在跨膜压力差和液体自重，空化气泡的闭合后，可形成一个指向膜表面的射流，喷射速度可达到1000m/s[Felix M P，Ellir A T.Appl Phys Lett，1971，19(11)：484-487]。这种效应与高压喷射的效应相类似，能对膜表面产生巨大的冲击作用，显著减少膜的边界层的厚度，并提高溶液的渗透通量，但过强的作用又可能损伤超滤膜。

(3)存在于膜孔内及膜与表面沉积层之间的缝隙内的微气泡，在声场的作用下振动和突然闭合，可直接击碎沉积层。溶液的渗透通量也因此得以提高，综上分析，可见声冲流和空化作用在超声波强化超滤中起到主要作用。

超声波对超滤的强化的研究，目前仍停留在探索阶段，一方面，超声波确可破坏边界层，减轻浓差极化现象，因而大大强化超滤过程，使透过通量显著提高；另一方面，超声波对膜和高分子溶质本身可能会带来破坏，研究发现若将超声波探头直接放置于溶液中，可导致葡聚糖的降解；若将相同功率的超声波探头放置于超滤装置外壁，使超声波穿过外壁辐射到超滤组件中的葡聚糖溶液，则葡聚糖分子量几乎不变，这可能是由于超滤组件的不锈钢和塑料材料对超声波有一定掩蔽作用，使超声波实际作用强度有所下降[Xijun Chai，Takaomi Kobayashi，Nobuyuki Fujii.J.Membr.Sci.1998，148(1)：129-135].因而，为了获得安全和高效的超声强化超滤方法，大量的基础性研究工作仍有待进一步开展。

发明内容

本发明的任务是要提供一种克服浓度极化，减轻膜堵塞提高透过量的调频调幅湍流式膜滤系统。

本发明是这样实现的：根据膜滤系统是由压力推动工作的，膜系统的压力推动通常由液体泵的输送压力决定，由于膜透过溶液总是需要保持一定的压力差(微滤推动压力差为100kpa，超滤推动压力差为100～1000kpa，纳滤推动压力差为500～1500kpa，反渗透推动压力差为1000～10000kpa，气体分离膜推动压力差为1000～10000kpa)，造成液体泵的输送的液体在膜腔内滞流，滞流现象加剧了溶质在膜层表面沉积和堵塞，由于滞流现象加剧了膜层表面沉积，溶质被膜截留于膜表面和积蓄在膜表面的附近，靠近膜表面的液体浓度明显高于原液浓度，这种现象又加剧了浓度极化的趋势，克服溶质在膜层表面沉积和提高R值，降低Cm，改善浓度极化，从而达到提高膜滤效率。实现提高R值的目的是通过采用交替压缩的方式，使流体泵泵出至膜腔的溶液出现交替的湍流流型，压缩的频率和压缩的幅宽可以调节，在实际使用中通过调节压缩频率和调节压缩幅宽达到最佳透过流束，湍流流型对沉积物的剪切作用减轻了膜层表面沉积起到减轻膜污染的作用，达到提高使用寿命的效果。

以下结合附图作进一步详细说明：

附图1是本发明调频调幅湍流式膜滤系统单级切向流膜滤系统示意图；

附图2是本发明调频调幅湍流式膜滤系统单级切向流膜滤系统示意图；

附图3是本发明调频调幅湍流式膜滤系统单级切向流膜滤系统示意图；

附图4是本发明调频调幅湍流式膜滤系统多级串联膜滤系统示意图；

附图5是本发明调频调幅湍流式膜滤系统多级并联膜滤系统示意图；

附图6是本发明调频调幅湍流式膜滤系统直线电机驱动调频调幅压缩装置结构示意图；

附图7是本发明调频调幅湍流式膜滤系统曲柄连杆驱动调频调幅压缩装置结构示意图；

附图8是本发明调频调幅湍流式膜滤系统单级死端式膜滤系统示意图；

附图9是本发明调频调幅湍流式膜滤系统活塞隔膜驱动调频调幅压缩装置结构示意图；

实施例1

参照附图1，滤膜(1)安装在外壳(2)管内，滤膜(1)的一端是连接管(6)轴向与波纹管(7)连接，波纹管(7)连接直线电机(8)，连接管(6)径向与泵(5)连接，滤膜(1)的另一端与浓液阀门(4)连接，外壳(2)的径向连接透过液阀门(3)，当泵(5)向滤膜(1)泵液时直线电机(8)同步工作，直线电机(8)的轴向往复运动驱动波纹管(7)轴向伸缩运动，波纹管(7)与滤膜(1)内腔相通，滤膜(1)内腔的液体被波纹管(7)轴向伸缩运动压缩，液体被压缩的作用形成与压缩频率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到搅拌效应，搅拌效应提高了R值，降低Cm达到了提高膜滤效率，不同的过滤物质可以通过调节直线电机(8)的频率和调节直线电机(8)轴的步长(调幅)以达到最佳的透过流束。

实施例2

参照附图2，滤膜(1)安装在外壳(2)管内，滤膜(1)的一端是连接管(6)轴向与波纹管(7)连接，波纹管(7)与连杆(8b)连接，连杆(8b)与摇杆(9b)连接，原动力驱动的曲柄(10b)拉动摇杆(9b)随曲柄(10b)圆周运动作摆幅运动拉动连杆(8b)作轴向运动，连杆(8b)作轴向运动驱动波纹管(7)轴向伸缩运动，波纹管(7)与滤膜(1)内腔相通，连接管(6)径向与泵(5)连接，滤膜(1)的另一端与浓液阀门(4)连接，外壳(2)的径向连接透过液阀门(3)，当泵(5)向滤膜(1)泵液时，滤膜(1)内腔的液体被波纹管(7)轴向伸缩运动压缩，液体被压缩的作用形成与压缩频率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到搅拌效应，搅拌效应提高了R值，降低Cm达到了提高膜滤效率，不同的过滤物质可以通过调节驱动曲柄(10b)的频率和调节摇杆(9b)对曲柄(10b)中心距(调幅)以达到最佳的透过流束。

实施例3

参照附图3，滤膜(1)安装在外壳(2)管内，滤膜(1)的一端是连接管(6)，连接管(6)管内安装高分子隔膜(7a)，连接管(6)被高分子隔膜(7a)隔断的另一端是液腔(8a)，液腔(8a)与活塞套(9a)连接，活塞套(9a)内的活塞(10a)由往复运动机构(11a)驱动，当活塞(10a)受往复运动机构(11a)驱动时，活塞(10a)压缩液腔(8a)的液体，液腔(8a)的液体受压隔膜(7a)在液体压力作用产生变形，变形的隔膜(7a)压缩与隔膜(7a)相隔的需过滤的溶液，连接管(6)径向与泵(5)连接，滤膜(1)的另一端与浓液阀门(4)连接，外壳(2)的径向连接透过液阀门(3)，当泵(5)向滤膜(1)泵液时，滤膜(1)内腔的液体被高分子隔膜(7a)在连接管(6)管内轴向变形运动压缩，液体被隔膜(7a)压缩的作用形成与压缩频率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到搅拌效应，搅拌效应提高了R值，降低Cm达到了提高膜滤效率，不同的过滤物质可以通过调节往复运动机构(11a)的频率和调节活塞(10a)的行程长度(调幅)以达到最佳的透过流束。

实施例4

参照附图4、附图6、附图7、附图9，储液罐(11)与串联的n级滤膜(12)之间连接泵(5)，泵(5)与第1级滤膜(12)之间的管路安装由波纹管(7)直线电机(8)组成的调频调幅湍流发生器(13)，第2级滤膜(12)与第1级滤膜(12)之间的管路安装调频调幅湍流发生器(13)，第3级滤膜(12)与第2级滤膜(12)之间的管路安装调频调幅湍流发生器(13)，串联的n级滤膜(12)之间的管路安装调频调幅湍流发生器(13)，泵(5)工作时，泵出的溶液在泵(5)与滤膜(12)之间和n级滤膜(12)之间的调频调幅湍流发生器(13)压缩的作用形成与压缩频率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到搅拌效应，搅拌效应提高了R值，降低Cm达到了提高膜滤效率，不同的过滤物质可以通过调节往复运动机构(11a)的频率和调节活塞(10a)的行程长度(调幅)以达到最佳的透过流束，浓缩液(xc)从滤膜(12)前端流出，滤过液(yc)从滤膜(12)前端的后端流出。

实施例5

参照附图5、附图6、附图7、附图9，储液罐(11)与并联的滤膜(12)之间连接泵(5)，滤膜(12)与泵(5)之间管路安装调频调幅湍流发生器(13)，滤膜(12)与下级滤膜(12)之间管路安装调频调幅湍流发生器(13)，泵(5)工作时，泵出的溶液在泵(5)与滤膜(12)之间和n级滤膜(12)之间的调频调幅湍流发生器(13)压缩的作用形成与压缩频率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到搅拌效应，搅拌效应提高了R值，降低Cm达到了提高膜滤效率，不同的过滤物质可以通过调节往复运动机构(11a)的频率和调节活塞(10a)的行程长度(调幅)以达到最佳的透过流束，浓缩液(xc)从滤膜(12)前端流出，滤过液(yc)从滤膜(12)前端的后端流出。

参照附图7，调频调幅湍流发生器(13)还可以由波纹管(7)与连杆(8b)连接，连杆(8b)与摇杆(9b)连接，原动力驱动的曲柄(10b)与摇杆(9b)连接组成，原动力驱动的曲柄(10b)拉动摇杆(9b)随曲柄(10b)圆周运动作摆幅运动拉动连杆(8b)作轴向运动，连杆(8b)作轴向运动驱动波纹管(7)轴向伸缩运动，波纹管(7)轴向伸缩运动压缩溶液，使溶液形成与波纹管(7)压缩频率同步的一浪一浪的湍流，调节原动力机的转速可达到调节压缩频率，调节摇杆(9b)对曲柄(10b)的圆心距离可达到调幅功能。

参照附图9，调频调幅湍流发生器(13)还可以由连接管(6)管内安装高分子隔膜(7a)，连接管(6)被高分子隔膜(7a)隔断的另一端是液腔(8a)，液腔(8a)与活塞套(9a)连接，活塞套(9a)内的活塞(10a)与往复运动机构(11a)连接组成，活塞(10a)由往复运动机构(11a)驱动，当活塞(10a)受往复运动机构(11a)驱动时，活塞(10a)压缩液腔(8a)的液体，液腔(8a)的液体受压隔膜(7a)受液体压力作用产生变形，变形的隔膜(7a)压缩与隔膜(7a)相隔的连接管(6)内的需过滤的溶液，使溶液形成与隔膜(7a)变形压缩频率同步的一浪一浪的湍流，调节往复运动机构(11a)的工作频率可以调节活塞(10a)压缩频率，调节活塞(10a)的行程可以调节压缩时间幅宽。

实施例6

参照附图8，滤膜(1)安装在外壳(2)管内，外壳(2)的一端是连接管(6)轴向与波纹管(7)连接，波纹管(7)连接直线电机(8)，连接管(6)径向与泵(5)连接，外壳(2)的另一端与反冲清洗阀门(4)连接，外壳(2)的轴向连接透过液阀门(3)，当泵(5)向滤膜(1)外周、外壳(2)内泵液时直线电机(8)同步工作，直线电机(8)的轴向往复运动驱动波纹管(7)轴向伸缩运动，波纹管(7)与滤膜(1)内腔相通，滤膜(1)内腔的液体被波纹管(7)轴向伸缩运动压缩，液体被压缩的作用形成与压缩频率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到搅拌效应，搅拌效应提高了R值，降低Cm达到了提高膜滤效率，不同的过滤物质可以通过调节直线电机(8)的频率和调节直线电机(8)轴的步长(调幅)以达到最佳的透过流束。

本发明技术方案与ABCORG公司的产品和RAYPAK公司的产品在膜管内装设湍流促进器相比结构更为简单，湍流流型可调性范围宽，系统清洗性能更好。

本发明技术方案与KENICS公司的产品在管式膜内安装螺旋导流板相比溶液的搅拌效应更为显著，湍流流型与螺旋流型相比湍流流型对沉积在膜面上的积层物剪切效应更强。

本发明技术方案与中尾真一采用管式膜管内振动法技术方案相比振动的膜管易造成材质疲劳性损伤，导致滤过性能改变，而本技术方案克服了上述问题。

本发明技术方案与超声强化超滤方法相比避免了超声波对膜和高分子溶质本身带来破坏，避免了超声波的热效应给溶液中物质的破坏。

本发明技术方案与Torray公司生产的载气促透PEC1000海水淡化用复合膜相比，克服了载气特别是含氧气体产生溶解氧对膜材质的改变。

Claims (1)

1、一种调频调幅湍流式膜滤系统，由滤膜(1)、外壳(2)、连接管(6)、波纹管(7)、直线电机(8)、泵(5)、清洗阀门(4)、透过液阀门(3)组成，其特征在于：外壳(2)内安装滤膜(1)，滤膜(1)的一端与连接管(6)和波纹管(7)的一端顺序轴向连接，波纹管(7)的另一端连接直线电机(8)，连接管(6)的径向与泵(5)连接，外壳(2)径向安装透过液阀门(3)，外壳(2)轴向安装清洗阀门(4)，相通滤膜(1)的连接管(6)与直线电机(8)之间是波纹管(7)。

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