CN101700472B - 旋转式膜分离装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及旋转式膜分离装置及其应用，中空轴的两端固定在支架上，中空轴上套置一转鼓，转鼓的两端旋转自如地支承在中空轴上，转鼓的容腔通过中空轴上的连通孔与中空轴的空腔相通；转鼓的外圆沿轴向设置有汇流管，在汇流管与转鼓连接部位设置有连通口，汇流管的容腔通过连通口与转鼓的容腔相通；在汇流管上安装过滤膜组元，其两侧面上贴过滤膜材料，过滤膜组元底部的出流口与汇流管相通，过滤膜组元容腔经汇流管容腔和转鼓容腔与中空轴空腔构成通路；中空轴的一端口与抽吸泵相连，另一端口与备用导管相连；在转鼓的一端面上固设有传动齿轮，传动齿轮由电机驱动。该装置可方便实现水或其它溶剂介质中的颗粒物、胶体、微生物及分子级混合物的分离。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转式膜分离装置及其应用，属于水处理及工业分离技术领域。
背景技术
流体利用膜材料的过滤特性能够实现固液或不同大小分子之间的分离，通过膜孔将水或其他流体介质中的杂质截留。利用各种天然或人工合成材料制造的膜品种繁多，在物理、化学、生物性质上呈现出各种各样的特性。根据膜截留原液中颗粒物质的大小，膜孔从粗到细分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，微滤、超滤、纳滤和反渗透均是以压差作为推动力的膜分离过程。为了便于组装和工业化操作，提高膜效率，在单位体积内实现最大的膜装填面积，通常将膜以某种形式组装在一个基本单元内，构成膜组件，在驱动力作用下实现混合液中各组分的分离。
目前常用的膜分离设备组装形式有：板框式、螺旋卷式、圆管式、中空纤维式和毛细管式，前两种采用平板膜，后三者采用管式膜，板框式是最早应用的一种膜组件形式，外形类似于普通的板框式压滤机，制作与组装简单，但密封较复杂，压力损失大，装填密度小，其大型组件的运行、清洗、维护、更换比较困难。螺旋卷式制作加工复杂，操作过程中易发生阻塞，局部破损时更换困难，尤其不适用于大处理量的情况。圆管式是由膜和膜的支撑体构成，有内压型和外压型两种运行方式，实际运用中多采用内压型，即进水从管内流入，渗透液从管外流出，料液可以控制湍流流动，不易堵塞，压力损失小，但装填密度小，适合制造小型设备。中空纤维式和毛细管式是将纤维束装于集合管中，管两端用树脂粘结，设有进出水管口和反冲洗管口，其特点是装填密度高，造价相对较低，但对堵塞敏感，发生在膜表面的污染和浓差极化对膜的分离性能有较大影响。
由于膜过滤过程中的浓差极化现象十分明显，滤液中的杂质很容易在膜面形成凝胶层，造成膜通量下降和操作压力升高。解决该问题的办法包括气流扰动，设置反冲洗、定期清洗等，给膜分离操作带来诸多不便，限制了膜技术的推广应用。专利号为200410014970.3的中国专利公开了一种回转式过滤装置，由具原水引入口和处理水引出管以及排污口的水处理箱、加药机构、过滤机构、反冲洗机构组成，过滤机构由鼠笼、传动轴、减速机、电机、网板、微滤网构成，鼠笼一端枢置在水处理引出管上，另端与中空的传动轴的一端相固定，传动轴的中部支承在水处理箱上，传动轴另一端与减速机连接，减速机与电机连接，网板包固在鼠笼上，微滤网包覆在网板上；水处理引出管的一端伸至于鼠笼的笼腔中，另端引向水处理箱外；反冲洗机构由出气管、清洗介质喷管、连结管、清洗介质输送管、清洗介质供给动力构成；利用反冲洗机构对微滤网上的悬浮污物进行反冲洗；该发明在解决微滤装置连续操作和自动反冲洗方面做出改进。
为拓展膜分离这一先进技术在水处理及工业分离领域的应用，研发和设计操作运转简便、有利于膜分离性能发挥，实现自动连续运转与膜表面清洗、适用于大规模工业分离操作的膜分离设备，是当前急需解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有膜分离设备存在的不足，提供一种操作简便、运行自如的旋转式膜分离装置及其应用。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
旋转式膜分离装置，包括支架、中空轴、转鼓、膜组件、抽吸泵和驱动设备，特点是：所述中空轴的两端固定在支架上，所述中空轴上套置一转鼓，所述转鼓的左右两端旋转自如地支承在中空轴上，所述中空轴上开有连通孔，所述转鼓的容腔通过连通孔与中空轴的空腔相连通；在所述转鼓的外圆沿轴向设置有汇流管，在汇流管与转鼓连接部位设置有连通口，所述汇流管的容腔通过连通口与转鼓的容腔相连通；在所述汇流管上沿周向安装过滤膜组元，所述过滤膜组元的膜板两侧面上贴过滤膜材料，过滤膜组元底部的出流口与汇流管相连通，从而，过滤膜组元的容腔经汇流管的容腔和转鼓的容腔与中空轴的空腔构成通路；也可省去汇流管，将过滤膜组元的出流口通过连通孔直接连接在转鼓上；所述中空轴的一端口与抽吸泵相连，另一端口与备用导管(常闭态)相连；在所述转鼓的一端面上固设有传动齿轮，电机与传动齿轮通过链条或齿轮箱驱动连接；
若干组过滤膜组元包固在转鼓上，转鼓旋转自如地被支承在中空轴上，转鼓连同包固在外的膜组件完全浸没在液面下，过滤液在压差和抽吸作用下透过膜表面由外侧进入过滤膜组元中间的腔中，过滤膜组元的容腔经汇流管的容腔和转动鼓的容腔与中空轴的容腔形成滤液通道，滤液由中空轴随抽吸泵导出，抽吸泵通过设在分离池中的液位计实现自动抽吸控制。该装置可方便实现水或其它溶剂介质中的颗粒物、胶体、微生物及分子级混合物的分离。
进一步地，上述的旋转式膜分离装置，其中，所述转鼓的左右两端通过轴瓦旋转自如地支承在中空轴上，并确保转鼓容腔内无液体从此连接处泄露，环绕转鼓固定若干膜组元。
更进一步地，上述的旋转式膜分离装置，其中，所述过滤膜组元以环绕方式布置在转鼓上，装配形成圆型或多边型膜分离转盘；过滤膜组元的膜板采用中空腔网孔式或者表面导流沟槽式结构，并在膜板两侧面上贴过滤膜。
再进一步地，上述的旋转式膜分离装置，其中，所述电机为无级调速或变频调速电机，可调速电机与PLC控制器相连，按一定程序控制其转速，并与抽吸泵交替配合工作；PLC控制器依照程序调节电机的转速，电机驱动转鼓旋转，利用旋转产生的离心力及液流与膜表面产生的冲刷力实现过滤膜的表面清洗。
本发明旋转式膜分离装置的应用，用于各种液体混合物的分离，实现悬浮物、胶体、高分子、大分子等的过滤分离，过滤液在压差作用下透过膜表面由外侧进入过滤膜组元中间的腔中，汇流到出流口，多个膜组元的过滤液分别通过出流口进入到汇流管，过滤液分别由各自的汇流管经连通口进入转鼓内，多个膜组元的过滤液也可通过出流口直接进入到转鼓内，然后通过连通孔进入中空轴中，经导管和抽吸泵排出。本发明适用于不同种类和性质的滤料，实现微滤、超滤、纳滤及其它不同孔径滤料的过滤操作；可应用在水处理及化工、制药、涂装、啤酒、饮料、调味品等各种工业需要物料分离的行业。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①整个膜分离装置在可调转速下绕中空轴进行旋转，浸没在液面下充分搅动分离池中的混合液，使膜表面产生水力冲刷，从而有效避免浓缩物在过滤膜表面粘结；抽吸泵在液位自动控制系统作用下实现有规律的间歇运转，并通过与转鼓转速的交替配合，防止混合液中的颗粒物质或截留物质的浓缩物在过滤膜表面粘结或在转鼓及膜组元的空隙间沉积；转鼓快速旋转时段所产生的离心力，将转鼓及膜组元空隙间的沉积物质抛出，避免沉积与堵塞现象发生；
②与板框式、螺旋卷式和管式等其他膜分离装置不同，所述的膜分离装置不用设置反冲洗系统，也不必对膜表面进行鼓风或气动吹洗，利用装置旋转产生的水力冲刷，可有效避免颗粒或截留物质在膜表面的沉积与粘结，显著改善过滤操作中极易产生的膜阻塞与膜通量下降，极大延长清洗周期和使用寿命；必要时允许通过中空轴设置逆向反冲洗。
③过滤液通过内置式连通管路汇入旋转转鼓中，并由中空轴导出，省去复杂的外连接管，显著降低阻力，减少泄漏环节；
④膜组元以环绕转鼓的方式布置，也可省去汇流管，将膜组元的出流口直接连接在转鼓上，装配而成的圆型或多边型膜分离转盘可长可短、可粗可细，等效体积降低，节约安装操作空间，操作和清洗维护非常简便；
⑤所述的膜分离装置可方便实现颗粒物、胶体、微生物等固液混合物以及分子级混合物的分离，达到理想的过滤效果。与废水生物处理工艺相结合，组成MBR反应器，可省去二沉池。广泛应用于水处理及化工、制药、涂装、啤酒、饮料、调味品等各种工业物料分离等领域。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明装置的总装与应用示意图；
图2：本发明装置(有汇流管)的结构原理示意图；
图3：本发明装置(无汇流管)的结构原理示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
| 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 |
| 1 | 分离池 | 2 | 支架 | 3 | 中空轴 |
| 4 | 传动齿轮 | 5 | 转鼓 | 6 | 过滤膜组元 |
| 7 | 电机 | 8 | 排渣箱 | 9 | 液位计 |
| 10 | 汇流管 | 11 | 抽吸泵 | 12 | PLC自动控制箱 |
| A | 液位 | B | 连通口 | C | 连通孔 |
| D | 进水管 | E | 常闭阀门 | F | 排放阀门 |
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，旋转式膜分离装置，主要包括支架2、中空轴3、转鼓5、过滤膜组元6和电机7，中空轴3的两端固定在支架2上，中空轴3上套置一转鼓5，转鼓5左右两端有封板，形成圆环形容腔，转鼓5的左右两端通过轴瓦旋转自如地支承在中空轴3上，确保无液体从连接处泄漏和转鼓的自由转动；中空轴3上开有连通孔C，转鼓5的容腔通过连通孔C与中空轴3的空腔相连通；在转鼓5的外圆沿轴向设置有汇流管10，在汇流管10与转鼓5连接部位设置有连通口B，汇流管10的容腔通过连通口B与转鼓5的容腔相连通；在汇流管10上沿周向安装过滤膜组元6，过滤膜组元6中的膜板有多种结构形式，包括中空腔网孔式或表面导流沟槽式，一端设有出流口，膜板的两面贴膜中间吸水；过滤膜组元6底部的出流口与汇流管10相连通，多个膜组元的汇流口通过汇流管10串联；从而，过滤膜组元6的容腔经汇流管10的容腔和转鼓5的容腔与中空轴3的空腔构成通路；中空轴3的一端口与抽吸泵11相连，另一端口与备用导管相连，导管终端装一常闭阀门E，起到保证抽吸泵造成的压力差，同时可通过备用导管在必要时进行鼓风或逆向反冲洗膜表面。在转鼓5的一端面上固设有传动齿轮4，电机7与传动齿轮4通过链条或齿轮箱驱动连接，电机7为无级或变频调速电机，电机7通过可调速装置带动传动齿轮4及整个装置转动。电机7和抽吸泵11统一由PLC自动控制箱12进行程序化控制。
图3的结构中，可省去汇流管10，将若干个过滤膜组元的出流口直接连接在转鼓上，使结构更简单，减少泄露环节。
具体应用时，上述膜分离装置安装在工业应用工艺的固液分离池1中，如图1，操作运转时混合液将膜分离装置完全浸没，混合液从进水管D进入，液位A高于装置，在旋转式膜分离装置的下方安装有沉淀式排渣箱8，排渣箱8下方安装有排渣口和排放阀门F，自动液位计9控制分离池1的液面高度，当液面达到一定高度时，抽吸泵11自动开启，使过滤膜组元6的膜两侧产生足够的压差，并以此作为推动力而实现固液分离，过滤液在压差作用下透过膜表面由外侧进入过滤膜组元6中间的腔中，如图2，汇流到出流口，多个膜组元的过滤液分别通过出流口进入到汇流管10，过滤液分别由各自的汇流管10经连通口B进入转鼓5内；或图3，多个膜组元的过滤液分别通过出流口直接进入转鼓内；然后通过连通孔C进入中空轴3中，再经导管和抽吸泵11排出。为保持恒定液位，抽吸泵11在液位计9的控制下并交替配合转鼓的转速变化实行有规则间歇运转，为防止混合液中的颗粒物质或截留物质的浓缩物在过滤膜表面粘结或在转鼓及膜组元的空隙间沉积，整个膜分离装置在电机7驱动下绕中空轴3进行旋转，充分搅动分离池1上部的混合液，一般情况下以转速快慢结合的方式运行，电机为无极或者变频可调速电机，可调速电机与PLC控制器相连，PLC控制器调节电机的转速，电机驱动转鼓旋转，利用转动过程产生的冲刷力和离心力保持膜板的表面清洁；膜分离装置在混合液中的旋转，使膜表面产生水力冲刷，从而有效避免浓缩物在过滤膜表面粘结；快速旋转时段所产生的离心力，将转鼓及膜组元空隙间的沉积物质抛出，防止沉积与堵塞现象发生。过滤分离后的浓缩物通过设在分离池1下部的浓缩物排渣箱8上的排放阀门F排出，也可以通过专用泵回流到分离池前段工序。
上述装置用于各种混合物的分离，实现悬浮物、胶体、高分子、大分子等的过滤分离，适用于不同种类和性质的滤料，实现微滤、超滤、纳滤及其它不同孔径过滤；应用在水处理及化工、制药、涂装、啤酒、饮料、食品等需要物料分离的工业行业。
具体应用过程中必要的场合或时段，该装置可实现反冲洗功能，通过备用导管或切换水泵抽吸方向，将空气、净水或清洗液反向泵入中空轴3中，通过连通孔C进入转鼓5内，然后经连通口B进入汇流管10，继而导入到过滤膜组元6的腔中，实现对过滤膜组元6的清洗，保持膜板的表面清洁。
本发明装置与板框式、螺旋卷式和管式等其他膜分离装置不同，能可调转速地搅动混合液，不用设置反冲洗，也不必对膜表面进行鼓风或气动吹洗。利用装置旋转产生的水力冲刷和离心力，可有效避免颗粒或截留物质在膜表面的沉积与粘结，显著改善过滤操作中极易产生的膜阻塞与膜通量下降，极大延长了清洗周期和使用寿命。过滤液通过内置式连通管路汇入旋转转鼓中，并由中空轴导出，省去繁复的外连接管，可显著降低阻力，减少泄漏环节。膜组元以环绕转鼓的方式布置，装配而成的圆型或多边型膜分离转盘可长可短、可粗可细，等效体积降低，节约安装操作空间，操作和清洗维护非常简便。
综上所述，本发明装置可以方便实现颗粒物、胶体、微生物等固液混合物以及分子级混合物的分离，介质包括水及其他液体物质。可应用于污水及给水处理中的泥水分离，与废水的混凝及生物处理工艺相结合，可取代目前广泛使用的各类形式沉淀池，能够高效截留水中的悬浮颗粒物、胶体、大分子及生物物质，达到理想的出水效果。采用纳滤或其他类似孔径的膜材料，该装置应用于给水处理中分子级杂质、病毒的过滤去除，与超滤或微滤膜组合，可以在饮用水处理、污水回用处理、高纯工业给水等方面得到广泛应用；在化工、制药、食品等工业分离操作中，替代传统的沉淀分离、真空过滤、板框压滤、离心分离等方法，具有操作简便、节能高效、绿色环保等突出优点。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.旋转式膜分离装置，包括支架(2)、中空轴(3)、转鼓(5)、过滤膜组元(6)和电机(7)，其特征在于：所述中空轴(3)的两端固定在支架(2)上，所述中空轴(3)上套置一转鼓(5)，所述转鼓(5)的左右两端通过轴瓦旋转自如地支承在中空轴(3)上，所述中空轴(3)上开有连通孔(C)，所述转鼓(5)的容腔通过连通孔(C)与中空轴(3)的空腔相连通；在所述转鼓(5)的外圆沿轴向设置有汇流管(10)，在汇流管(10)与转鼓(5)连接部位设置有连通口(B)，所述汇流管(10)的容腔通过连通口(B)与转鼓(5)的容腔相连通；在所述汇流管(10)上环绕安装过滤膜组元(6)，所述过滤膜组元(6)以环绕方式布置在转鼓(5)上，装配形成圆型或多边型膜分离转盘；过滤膜组元(6)的膜板采用中空腔网孔式或者表面导流沟槽式结构，并在膜板两侧面上贴过滤膜，过滤膜组元(6)底部的出流口与汇流管(10)相连通，从而，过滤膜组元(6)的容腔经汇流管(10)的容腔和转鼓(5)的容腔与中空轴(3)的空腔构成通路；所述中空轴(3)的一端口与抽吸泵(11)相连，另一端口与备用导管相连；在所述转鼓(5)的一端面上固设有传动齿轮(4)，电机(7)与传动齿轮(4)驱动连接。
2.根据权利要求1所述的旋转式膜分离装置，其特征在于：所述电机(7)为可调速电机，所述可调速电机与PLC控制器相连。
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