CN101698136A - 用仿生螺旋膜进行高通量、低污染膜分离的方法 - Google Patents

Abstract

一种用仿生螺旋膜进行高通量、低污染膜分离的方法，属于膜分离技术领域，目的是利用仿生原理构建高效膜分离组件，减轻浓差极化和膜污染，提高膜通量，降低能耗。其特征是通过外部固定方法、内部支撑结构形状保持方法或者两者的结合，使平板膜、中空纤维平行排列膜组件空间上保持仿生类螺旋结构特点、改变膜分离中膜与流体流场分布及相互作用和变化方式，流体冲刷扰动产生膜的振动摇摆。本发明的效果和益处是在不增加膜分离过程中材料消耗和能量消耗的前提下，强化传质，减少膜污染；动态膜运行效果好；有显著社会、经济效益，在化工分离、水处理、医药分离等领域有广泛的应用前景。

Description

用仿生螺旋膜进行高通量、低污染膜分离的方法

技术领域

本发明属于膜分离技术领域。涉及到用仿生螺旋膜进行高通量、低污染膜分离的方法。具体涉及到利用简单易行的仿生螺旋膜结构，改变了传统的流体流场分布和膜面相互作用和扰动方式，提高膜组件对水、气等流体扰动的敏感性，产生膜的振动摇摆，降低膜分离中的浓差极化现象，降低膜污染，提高膜分离效率和通量。降低膜分离能耗。

背景技术

膜分离过程是一种高效的分离操作，近年来在很多行业得到了广泛的应用。制约膜分离操作进一步提高效率的瓶颈问题是膜的污染问题。是目前膜分离技术须解决的前沿核心问题。这是因为随着过滤的进行，不可避免形成膜一测的浓差极化现象，这不利于分离传质，并导致膜的污染，提高分离的阻力，降低渗透(过滤)通量。为此，经常采用搅拌、曝气等方式来降低浓差极化现象，增加了过程的能量消耗。经常性的反洗和化学清洗，使得操作复杂，能耗、成本上升。

膜组件的形式一般有管式膜(如中空纤维)、卷式膜和平板膜。其中卷式膜和中空纤维膜，装填密度大，组件占地面积省。但是中空纤维膜容易缠绕断丝。而平板膜结构僵硬，不利于利用曝气和水流扰动减轻膜污染。

为减缓平板过滤分离中的膜污染，人们研究了(1)分离过程的流场和气泡与膜的碰撞作用，并研制出了梯形膜，以充分利用曝气气泡的冲刷作用(杨凤林，叶茂盛李波等，中国发明专利；一种增强曝气抗污染作用的梯形平板膜生物反应器)也可以改变曝气气流的强度和频率等。以节约曝气过程的能量消耗，该能耗通常占到膜法水处理能耗的三分之一。该方法降低了膜填充密度。膜结构仍然僵硬。不利于利用流场扰动作用。

(2)添加悬浮填料，如有机材料、活性炭或者有机无机复合填料，形成动态膜，控制膜污染，来减缓和抑制膜通量下降，这通常用于平板膜.(P Bai，X Chen，J Wang，Development of high flux，low air scoured and less backwashedDynamic filter to realize low cost membrane bioreactor-a pilot scaledemonstration in sewage treatment.，5th IWA specialised membrane technologyconference for water and wastewater treatment.IWA Membrane conference andexhibition，2009 Beijing.Abstract Book，ID074)这种方法增加了材料消耗。

(3)研究新型抗污染膜材料，如抑菌/并提高亲水性，减少污染物的吸附和沉积；锚定/设计表面梳状分子结构的材料；增加表面负电荷；该方法侧重化学反应和材料改性(Fangang Meng，So-Ryong Chae，Anja Drews，Matthias Kraume，Hang-Sik Shin，Fenglin Yang，Recent advances in membrane bioreactors(MBRs)：Membrane fouling and membrane material，Water Research，Volume 43，Issue 6，April 2009，1489-1512)这种方法同样增加了化学处理材料成本和消耗。

(4)优化膜分离操作条件，调节污泥颗粒大小，如向水中投加阳离子聚合物或者离子，改变污泥、生物大分子，特别是EPS的性状(颗粒化)，减少向膜表面吸附和沉积(B，Siembida，P Cornel，S Krause，B Zimmerman，Studies on foulingand its prevention in MBR.5th IWA specialised membrane technology conference forwater and wastewater treatment.IWA Membrane conference and exhibition，2009Beijing.Abstract Book，ID584.)这种方法操作调节复杂，不能根据具体情况而变化，费时且不易掌握。

(5)外加电场、磁场、机械能场(振动)、超声等来减缓膜污染，这里有能量消耗的再分配问题和经济性问题需要考虑(Michel Y.Jaffrin，Dynamic shear-enhanced membrane filtration：A review of rotating disks，rotating membranes and vibrating systems，Journal of Membrane Science，Volume 324，Issues 1-2，31October 2008，7-25)。这些方法都增加了能量消耗。

大自然的过程往往更加高效。针对上述问题，仿生原理和仿生学得到了研究和应用。我们利用蛋白质和DNA螺旋结构，利用仿生原理，设计了螺旋结构膜组件。研究表明其具有对气流和水流的扰动更敏感的特性，可以提高膜分离的通量，降低膜污染。利用材料本身的弹性和结构回复力，在水中对气流、水流扰动的响应，产生水平方向和垂直方向摇动，解决膜组件结构僵硬的问题，增大填充面积，降低污染，增加通量，节能降耗，目前此种膜分离器尚没有其他研究报道。这仿生化的设计，获得优异的膜分离和运行性能，提高水处理技术水平。该技术和产品具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明为了降低膜污染和膜分离能耗，提高膜分离效率，目的是利用简单易行，不增加膜分离过程的材料消耗和能量消耗前提下、使膜组件结构发生变化，仿照生物螺旋结构，制备螺旋结构膜组件的方法，来改变膜分离中流体流场分布、膜面的分布方式和流体流场与膜面的相互作用方式，充分利用膜分离过程的流体流场的扰动作用，强化传质，减轻膜污染，提高分离效率。也提高膜组件对水、气等流体扰动的敏感性，使膜产生振动摇摆，降低膜分离中的浓差极化现象，降低膜污染，提高膜分离效率和通量。

本发明的技术方案是利用仿生原理，仿照蛋白质和DNA螺旋结构，利用外部固定方法和内部支撑结构形状保持方法，使平板膜和类平板膜的中空纤维组件均产生空间上的仿照螺旋结构的旋转，成为仿生螺旋膜组件。利用具有仿生类螺旋支撑材料的结构，通过外部固定、内部支撑结构形状保持、或者外部固定加内部支撑结构保持两种方法共同使用的办法，维持膜组件的仿生螺旋结构。该结构改变了传统的平板膜、中空纤维膜组件中膜分离中流体流场分布、膜面分布和膜与流场相互作用方式，充分利用膜分离过程中流场的扰动作用强化膜分离传质。原因包括膜组件对气流、水流扰动而产生响应性的膜的扰动，如不同程度的水平或垂直或三维坐标中不同方向的振动摇动，这解决了平板膜结构僵硬的问题，也提高了中空纤维膜组件对流场扰动的响应，充分利用流体的扰动作用，降低污染，增加通量，节能降耗。研究表明这种结构的膜组件可以提高膜分离的通量，降低膜污染。这仿生化的设计，在不增加膜分离过程材料消耗和能量消耗前提下，获得优异的膜分离和运行性能，提高膜分离效率。特别适用于提高水处理中膜分离操作的效率和技术水平。该技术和产品具有广泛的应用前景。

本发明的实施步骤如下：

1.将平板膜组件的细长条状支撑骨架结构，制成类鱼骨结构或者两测梳齿状结构，具有长条齿状特征，和外面连接了出水管的四周密封的平板膜分离材料一起，按照螺旋结构特点进行仿螺旋扭曲和旋转，利用外部固定或者内部支撑材料结构保持膜组件的仿生类螺旋特点和形状，或者外部固定与内部支撑结构形状保持相结合的方法，外部固定膜组件的一端或两端，形成和保持仿生螺旋膜组件的结构特点。该仿生螺旋平板膜有利于充分利用流场扰动作用，强化膜分离传质作用，也具有对流体扰动如气流冲刷作用更敏感的特点，扰动下膜产生不同方向的振动或摇摆。在膜分离中起到减少污染物沉积、降低浓差极化作用，具有高的传质分离效率。

2.对于平行摆列的中空纤维膜束，将其膜束两端固定，对中空纤维束，每隔一定距离如4-10厘米，用表面光滑柔软的纤维或中空纤维，以类似编织方式，保持丝束间相对平行，将排列的膜束按照与平板膜类似的仿生螺旋方式产生旋转，保持并固定该组件螺旋结构。避免膜丝之间的缠绕。该仿生螺旋中空纤维膜组件具有对流体扰动如气流冲刷作用更敏感的特点，充分利用流场中流体如气流水流的扰动，强化传质，在膜分离中，因扰动使膜产生三维空间上不同方向的振动摇摆，起到减少污染物沉积、降低浓差极化，提高的传质分离效率的作用。

本发明的效果和益处是仿生螺旋膜组件，提供了改变平板膜和传统分散或平行的中空纤维膜组件的膜表面和附近流场的相互作用，增加了膜分离过程流场对膜的扰动作用，降低膜污染，它对流体如气流和水流扰动更敏感，利用流体扰动，使膜发生振动摇摆，强化传质，在不增加能耗和材料消耗的条件下，有效降低浓差极化现象，减少膜污染的形成速度，提高传质和分离效率，保持较高的通量。是一种应优先采用的降低膜污染、提高膜分离效率的技术。

附图说明

图1是膜件和螺旋扭曲旋转膜件示意图。

其中左侧为平行排列的中空纤维或者平板膜示意图，右侧为仿生螺旋膜组件局部扭曲旋转示意图。

图2是膜分离通量随时间的衰减情况示意图。

纵坐标为通量衰减情况J/Jo，其中J为不同过滤时间的通量Jo为初始通量。横坐标为过滤时间，t单位分钟。圆圈符号●表示旋转和扭曲使膜件上缘边线与下缘边线的角度为180度，左右反向平行。三角符号▲表示旋转和扭曲使膜件上缘边线与下缘边线的角度为90度。四方符号■表示不经旋转或扭曲平板膜组件上缘边线与下缘边线的角度为0度，左右同向平行。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1

将一条平板塑料垫，两侧剪成类鱼刺状或者两面梳齿状支撑结构，有较大自由扭曲度，表面外罩微滤或超滤膜分离材料，并密封，流出水管。将不同长宽比如5∶1的平板膜，螺旋扭曲使膜组件上缘与下缘的相对角度成90度，并经外部固定于膜分离装置中。该膜组件也可利用热变形作用，将支撑塑料旋转呈仿生螺旋结构，加热保持形状，冷却后固定形状。膜组件出水管可连接真空压力表、抽吸泵，膜分离装置底部设有可控制气体流量的曝气装置，加入有高岭土配置的模拟颗粒物悬浊液。在跨膜压差3.5kPa下测定出水的浊度和流量。

结果表明过滤出水5分钟后浊度下降90％，20分钟稳定在99％。与一般非扭曲螺旋的平板膜相比，其通量衰减比较慢，较长一段过滤时间内，其通量高出普通平板膜15-36％，通量衰减J/J0比普通平板膜高15-18％。

该仿生螺旋膜件上形成的动态膜及滤饼层湿重比普通平板膜少，但是浊度去除更快。说明动态膜形成快，过滤性能好。

实施例2

将与实施例1相同方法制备的仿生螺旋膜组件，其上缘于下缘的角度成180度。在相同的装置和条件下，其通量也比普通平板膜高，一段时间里高出15％。而且通量下降较慢。

实施例3

将上、下两端固定的一排由10束、每束10根PP中空纤维膜组成的类平板膜，用柔软的纤维或者中空纤维，麻花状缠绕、编结在相互近似平行的膜丝束外，呈较宽松的束缚。按照实施例1同样的方式，使这排膜丝产生旋转扭曲，在空间呈仿生螺旋状排布，当上下两端边线呈90度角。该膜件的通量衰减曲线和实施例1有同样的特点。

Claims (1)

1.一种用仿生螺旋膜进行高通量、低污染膜分离的方法，在不增加膜分离过程材料消耗和能量消耗的情况下，充分利用流体扰动作用，降低膜污染、提高膜分离效率，其特征是：利用外部固定方法、内部支撑结构形状保持及内部支撑结构保持加外部固定的方法，使平板膜、中空纤维平行排列膜组件保持类仿生螺旋结构特点，仿生螺旋膜组件响应水、气等流体扰动，并产生振动摇摆。

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