CN101108310A - 一种中空纤维陶瓷膜元件及其组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中空纤维陶瓷膜元件及其组件，采用陶瓷粉体、粘结剂和烧结助剂组成的封装材料对中空纤维陶瓷膜管束的两端进行封装、固化并烧结制成膜元件；中空纤维陶瓷膜组件由膜元件、壳体和两端的端盖组成，其中膜元件也可采用串联的方式安装于壳体之中，两端由端盖进行密封，膜元件之间由连接器进行连接。本发明解决了中空纤维陶瓷膜有机聚合物封头不能在高温、强酸碱、强腐蚀等苛刻条件下使用，以及采用混凝土密封的中空纤维陶瓷膜的封头不耐强酸强碱、容易开裂等问题；同时本发明膜组件采用模块化设计，简化了组件的连接和组装，有利于设备的大型化，减少了设备的加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种中空纤维陶瓷膜元件及其组件，属于材料加工和膜分离设备领域。
背景技术
近年来，膜分离作为一种新型的高精度、低能耗的分离、浓缩、提纯及净化技术，逐渐成为化学化工、食品加工、废水处理方面的重要分离过程。
目前已经应用的分离膜按材料分为无机膜和有机膜，无机膜具有有机膜所无法比拟的一些优点：
(1)化学稳定性好，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂；
(2)机械强度大，可承受几十个大气压的外压，并可反向冲洗；
(3)抗微生物能力强，不与微生物发生作用，可以在生物工程及医学科学领域中应用；
(4)耐高温，一般均可以在400℃下操作，最高可达800℃以上；
(5)孔径分布窄，分离效率高。
目前我国已实现了管式多通道陶瓷微滤、超滤膜的工业化生产，并在相关的工业过程中获得成功的应用。而现今陶瓷膜的主要不足之处在于其单位膜面积组件的造价较高，其主要原因之一是管式多通道膜自身的装填密度较小，以至于相同膜面积的设备体积较大，设备投资高于卷式有机膜和中空纤维有机膜，从而限制了陶瓷膜的应用领域。因此，开发出高装填密度、低运行成本的陶瓷膜产品十分必要，表1为不同构型陶瓷膜的最大装填密度比较，可见中空纤维陶瓷膜在节省设备投资等方面具有很大优势。
表1不同构型陶瓷膜组件装填密度比较
| 膜构型 | 型号 | 最大装填密度/(m2/m3) |
| 19通道管式陶瓷膜 | 外径Φ31mm，通道直径Φ4mm | 248 |
| 中空纤维陶瓷膜 | 外径Φ3mm，内径Φ2mm | 698 |
但是，中空纤维陶瓷膜在大规模应用过程中面临着密封头的封装和组件的组装两大问题。目前中空纤维陶瓷膜由于其膜组件的封头大多采用环氧树脂等有机聚合物材料进行密封，如专利WO2004/103532公开了一种采用聚合物进行两端密封的中空纤维陶瓷膜组件及其制作的方法，但是，有机聚合物对高温、强酸、强碱、强腐蚀的耐受性能有限，从而使得中空纤维陶瓷膜的应用领域受到了很大的限制。针对有机聚合物封头的问题，有报道(如专利WO2006/009449)采用混凝土材料对中空纤维陶瓷膜进行封装，该方法在一定程度上解决了组件耐高温的问题，但是混凝土材质仍没有能够很好解决组件耐强酸、强碱、强腐蚀的问题，而且在大规模制作和应用过程中，混凝土封头容易开裂，进一步限制了该方法的推广。对于中空纤维陶瓷膜组件的组装问题，由于单根中空纤维陶瓷支撑体自身强度相对较低，目前制得的中空纤维陶瓷膜的单根长度一般不超过600mm，这就使得目前组装的组件长度也只有600mm左右，并且每个组件对应一个壳体，这就造成了目前中空纤维陶瓷膜单位膜面积的设备投资和加工费用较高，拆卸和更换比较麻烦，成套装备的体积膜面积较小，占地相对较大，不利于中空纤维膜的大规模应用。
发明内容
本发明的目的是：提供一种适合于在各种苛刻条件下应用的中空纤维陶瓷膜元件，并在此基础上设计成一种方便连接的模块化中空纤维陶瓷膜组件，解决上述现有技术中空纤维陶瓷膜封装方法存在的不耐高温、强酸、强碱和强腐蚀环境等问题；同时也解决了上述膜组件组装方法不能模块化安装、单位膜面积的设备投资和加工费用较高、拆卸和更换比较麻烦等问题。
本发明的技术方案为：本发明提供了一种中空纤维陶瓷膜元件，其特征在于由中空纤维陶瓷膜管束和两端的封头组成，其中封头为采用陶瓷粉体、粘结剂和烧结助剂组成的封装材料经过封装、固化和烧结三个工序制。
如图1所示，膜元件由中空纤维陶瓷膜管6和两端的封头7组成，封头7的截面为圆形；
如图2所示，封头7密封的中空纤维陶瓷膜管6为开孔，封装材料填充膜管两端的外侧空间。
本发明采用专用的封装设备对中空纤维陶瓷膜管束一端灌装相应的封装材料，使封装材料填充中空纤维陶瓷膜管束外侧的空间，同时保持中空纤维陶瓷膜管两端为开孔，静置以进行固化，然后对另一端重复以上的工序，最后整个放进窑炉中进行焙烧，膜元件两端封头中的烧结助剂在高温下促进陶瓷粉体烧结成致密结构的陶瓷胶封头。
上述的封装材料各组份及各组份占封装材料总量的质量百分比分别为：无机陶瓷粉体85～98％；粘结剂0.5～5％；烧结助剂1.5～10％。
所述的无机陶瓷粉体的材料为氧化铝、氧化钛、氧化锆中的任意一种或几种的混合，是封装的主体原料。粘结剂为甲基纤维素、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、糊精、环氧树脂类、聚氨酯、聚丙烯酸、酚醛树脂或聚乙烯醇缩醛，起到填充固体粉体之间的空隙，粘结固体粉体的作用。烧结助剂为膨润土、高岭土、氧化镁、氧化钾、氧化钠、氧化锂中的任意一种或几种的混合，可显著增加封装材料在固化前的可塑性，并增加其在烧结过程的粘结性，同时有降低烧结温度的作用。
以上材料混合均匀后具有较强的粘接性，用该材料对中空纤维陶瓷膜进行封装和固化。
固化后的膜元件在400～1000℃下烧结，封头烧结形成致密结构体而最终制成中空纤维膜元件的陶瓷封头。
本发明还提供了含上述中空纤维陶瓷膜元件的一种中空纤维陶瓷膜膜组件，其特征在于该膜组件由上述的膜元件、壳体和两端的端盖组成，把膜元件安装于壳体中，两端由端盖进行密封。
本发明优选膜元件为2～5个，膜元件的安装方式为串联，膜元件之间由连接器5进行连接，统一安装于膜壳2内，膜壳体2两端由端盖3进行密封，并由挡片4进行固定。
如图3所示，由以上方法制成的中空纤维陶瓷膜元件1安装于组件壳体2内，由安装于壳体两端的端盖3和挡片4组成整个过滤单元的密封。
膜组件的壳体2为管状，沿轴向的截面如图4所示，壳体两端的内径比中间管道内径要大10～50mm，壳体两端各有一个接管8，壳体两端的内侧开有凹槽9。
端盖3为管状，轴向截面如图5所示，端盖内侧从上到下依次为圆管段、锥面段、中心管段，其中圆管段有两个凹槽，凹槽内装O型圈10，以对膜元件和端盖之间进行密封和连接；而端盖外侧同样有两个凹槽，凹槽内装O型圈11，该O型圈与组件壳体的内壁构成密封连接；端盖中心开有中心孔12，与外部相连通；端盖顶端开有2～4个螺纹孔13，起到固定挡片的作用。
挡片4为月牙形，上面开有孔，与端盖顶端的螺纹孔13相对应，通过螺钉把挡片和端盖连接起来，挡片突出部分卡在组件壳体两端的凹槽9中，起到固定膜组件的作用。
多个膜元件之间由连接器5连接串联安装于对应长度的组件壳体之中，两端由端盖3进行密封，如图6所示。其中连接器5为两个端盖的组合体，轴向截面如图7所示，连接器内侧从外到内依次为圆管段、锥面段、中心孔、锥面段和圆管段，连接器两端的圆管段有两个凹槽，凹槽内装O型圈14，该O型圈与膜元件的封头7构成密封连接。
其中壳体、端盖、连接器和档片的材质为具有一定强度的塑性材质，如玻璃钢、聚乙烯、聚丙烯、金属等。
有益效果：
(1)中空纤维陶瓷膜元件采用陶瓷胶密封的方法，可以在高温、强酸碱、强腐蚀等苛刻条件下使用，大大地拓展了中空纤维陶瓷膜的应用范围。
(2)采用陶瓷材料进行烧结密封，有效避免了混凝土材料的封头烧制及使用过程中开裂问题发生，大大提高了组件制作的成品率，并使膜组件的使用寿命得到保证。
(3)膜组件采用模块化设计，采用连接器串联安装于一个壳体中，简化了组件的连接和组装，有利于设备的大型化，并减少了设备的加工成本。
附图说明
附图1为中空纤维陶瓷膜元件示意图；
附图2为中空纤维陶瓷膜元件封头的俯视图；
附图3为单个膜元件组装的膜组件的结构示意图；
附图4为中空纤维陶瓷膜组件壳体的轴向截面图；
附图5为中空纤维陶瓷膜组件端盖的轴向截面图；
附图6为多个膜元件组装的膜组件的结构示意图。
附图7为中空纤维陶瓷膜组件连接器的轴向截面图；
其中1为膜元件，2为组件壳体，3为端盖，4为挡片，5为连接器，6为中空纤维膜管，7为膜元件封头，8为壳体接管，9为壳体凹槽，12为端盖中心孔，13为端盖螺纹孔，10、11、14为O型圈密封。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
将5g酚醛树脂加入到100g氧化铝粉体和12g膨润土中，经高速搅拌和超声分散混合均匀，制成封装材料，然后对35根长500mm，外径为3.5mm，内径为1.5mm的中空纤维陶瓷膜的一端在封装模具上进行封装，静置12h，完成中空纤维膜元件一端的固化，然后对另一端重复以上各个步骤，完成对另一端的固化。
以上固化好的组件在窑炉内900℃空气氛围中烧结1.5h，自然降温，得到膜元件，膜元件外径为31mm，长500mm。将膜元件安装于内径为35mm，长600mm的膜壳内，两端采用端盖密封，制成最终的过滤系统。
实施例2
将20g质量百分比为40％的甲基纤维素水溶液加入到130g氧化钛粉体、70g氧化铝粉体、4g高岭土和1g氧化镁中，经高速搅拌和超声分散混合均匀，制成封装材料，然后对35根长250mm，外径为3.5mm，内径为1.5mm的中空纤维陶瓷膜在封装模具上进行封装，静置8h，完成中空纤维膜元件一端的固化，然后对另一端重复以上各个步骤，完成对另一端的固化。
以上固化好的组件在窑炉内500℃空气氛围中烧结4h，自然降温，得到膜元件，膜元件外径为31mm，长250mm。
参照以上方法再制备两个相同的膜元件，然后将3个膜元件安装于直径为35mm，长900mm的膜壳内，两端采用端盖密封，元件与元件之间采用连接器连接，制成最终的过滤系统。
实施例3
将30g质量百分比为15％的聚乙烯醇水溶液加入到200g氧化锆粉体、50g氧化钛粉体、50g氧化铝粉体、5g高岭土和1g氧化镁中，经高速搅拌和超声分散混合均匀，制成封装材料，然后对35根长250mm，外径为3.5mm，内径为1.5mm的中空纤维陶瓷膜在封装模具上进行封装，静置8h，完成中空纤维膜元件一端的固化，然后对另一端重复以上各个步骤，完成对另一端的固化。
以上固化好的组件在窑炉内970℃空气氛围中烧结7h，自然降温，得到膜元件，膜元件外径为31mm，长250mm。
参照以上方法再制备两个相同的膜元件，然后将5个膜元件安装于直径为35mm，长1450mm的膜壳内，两端采用端盖密封，元件与元件之间采用连接器连接，制成最终的过滤系统。
Claims (10)
1.一种中空纤维陶瓷膜元件，其特征在于由中空纤维陶瓷膜管束和两端的陶瓷胶封头组成，其中陶瓷胶封头采用封装材料经过封装、固化和烧结三个工序制成。
2.根据权利要求1所述的中空纤维陶瓷膜元件，其特征在于所述的封装材料各组份及各组份占封装材料总量的质量百分比分别为：无机陶瓷粉体85-98％；粘结剂0.5～5％；烧结助剂1.5～10％。
3.根据权利要求1所述的中空纤维陶瓷膜元件，其特征在于所述的无机陶瓷粉体的材料为氧化铝、氧化钛、氧化锆中的任意一种或几种的混合；粘结剂为甲基纤维素、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、糊精、环氧树脂、聚氨酯、聚丙烯酸、酚醛树脂或聚乙烯醇缩醛；烧结助剂为膨润土、高岭土、氧化镁、氧化钾、氧化钠、氧化锂中的任意一种或几种的混合。
4.根据权利要求1所述的中空纤维陶瓷膜元件，其特征在于所述的烧结温度为400～1000℃。
5.一种中空纤维陶瓷膜膜组件，其特征在于该膜组件由权利要求1所述的膜元件、壳体和两端的端盖组成，把膜元件安装于壳体中，两端由端盖进行密封。
6.根据权利要求5所述的中空纤维陶瓷膜组件，其特征在于膜元件为2～5个，膜元件的安装方式为串联，膜元件之间由连接器进行连接。
7.根据权利要求6所述的中空纤维陶瓷膜组件，其特征在于所述的连接器内侧从一端到另一端依次为圆管段、锥面段、中心孔、锥面段和圆管段，连接器两端的圆管段各有两个凹槽，凹槽内装O型圈，该O型圈与膜元件的封头构成密封连接。
8.根据权利要求5所述的中空纤维陶瓷膜组件，其特征在于所述的壳体为管状，壳体两端的内径比中间管道内径要大10～50mm，壳体两端各有一个接管，壳体两端的内侧开有凹槽。
9.根据权利要求5所述的中空纤维陶瓷膜组件，其特征在于所述端盖为管状，端盖内侧从一端到另一端依次为圆管段、锥面段、中心管段，其中圆管段有两个凹槽，凹槽内装O型圈，以对膜元件的封头和端盖之间进行密封连接，靠近圆管段的端盖外侧有两个凹槽，凹槽内装O型圈，该O型圈与组件壳体的内壁构成密封连接；端盖中心开有中心孔，与外部相连通；端盖顶端开有2～4个螺纹孔，以固定挡片。
10.根据权利要求9所述的中空纤维陶瓷膜组件，其特征在于所述的挡片为月牙形，上面开有孔，与端盖顶端的螺纹孔相对应，通过螺钉把挡片和端盖连接起来，挡片突出部分卡在组件壳体两端的凹槽中，以固定膜组件。
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