CN102258943A - 一种浸入式中空纤维膜组件 - Google Patents

Abstract

一种中空纤维膜组件，用于水处理或化工、制药等领域的固液分离操作，其特征是它属于浸入式膜组件，其基本构成包括至少一个可以卡装在上下两根集水管上的帘式膜元件(1)、上集水管(2)和下集水管(4)；两根集水管不仅用作滤过水的收集通道和膜清洗时的冲洗通道，同时也是膜组件的支承结构；帘式膜元件(1)与集水管(2)和(4)之间通过承插接口连通，其间有柔性密封圈，并通过弧形卡箍把帘式膜元件(1)固定在集水管(2)和(4)之上；帘式膜元件(1)与集水管(2)和(4)之间的联接是可拆卸结构。

Description

一种浸入式中空纤维膜组件

技术领域

本发明涉及一种置于水中或其他液体中的中空纤维膜组件，用于水处理、化工、制药等工艺过程中的固液分离操作，例如用于浓缩水中的细胞，或者用于过滤水使其不含悬浮固体。

背景技术

在水处理和化工技术领域，经常需要把分散在水中或其他液体中的固体颗粒(以下称悬浮固体)从水中或其他液体中分离出去。为了叙述方便，以下就以从含有固体杂质的水中分离悬浮固体为例来加以说明。当这一过程是通过让含有悬浮固体的水通过多孔介质的方式实现的时候，通常又称之为过滤。膜分离工艺是实现这种固液分离过程的有效方法。操作的过程是，在多孔膜(微滤膜或超滤膜)两侧形成压差，水就从压力高的一侧渗透到压力低的一侧，压力低的一侧就集中了不含或少含悬浮固体的水，而压力高的一侧则集中了浓缩的悬浮固体，这一过程被称为膜分离或膜过滤(采用微滤膜时称之为微滤，采用超滤膜时称之为超滤)。用中空纤维膜制成的浸入式膜组件是实现膜分离过程的一种设备形式，其特点是，用于膜分离的膜元件(若干中空纤维膜丝封装在一起而成的最小的滤膜单元)是没有外壳或容器的，若干个浸入式膜元件按照某种排列方式联接在一起而组成一个膜组件，若干个膜组件又按照一定的排列方式并联在一起，共同置于一个水槽之中且所有膜组件淹没在待过滤的水中，通过集中联通中纤维内腔的集水管用泵或依靠重力抽吸，经多孔膜过滤后的水就流出来，膜分离过程得以实现。

膜分离过程通常是间歇的，原因是随着过滤过程的进行多孔膜的浓水侧的表面会形成越来越致密的由被浓缩了的悬浮固体组成的沉积层(浓差极化层)，这一沉积层会阻止过滤过程的进行，使得水透过多孔膜的速率越来越慢，或者为了维持恒定的透过流量所需的压差越来越大。当这一过程达到一定程度，膜分离过程就会暂停，接下来是一个短暂的物理清洗操作，比如在浓水侧通入气泡(通常是指外压式滤膜，也就是中空纤维膜的外侧是浓水侧，内侧是滤过水)，使其在浓水侧形成剧烈的紊动两相流(通常这被称为空气擦洗)，从而在一定程度上解除上述沉积层对过滤过程的阻力。还有一种常用的物理清洗操作是用滤后水对多孔膜进行反向冲洗。空气擦洗和反冲洗可以单独使用，也可以一并使用。此后过滤继续进行，直到下一个物理清洗操作。以上过程循环往复，直到多孔膜上阻碍过滤过程的污染物累积到不能容忍的程度，则需要进行一次耗时较长的、清洗效果也更为彻底的化学清洗。化学清洗通常使用一种或几种化学药剂的水溶液(以下称为清洗药液)对膜进行浸泡、冲刷，清洗药液可以是经过加热的或不加热的。

综上所述，采用浸入式中空纤维膜组件的膜分离过程涉及多个水力学过程：压差推动下的过滤过程、空气擦洗和清水反冲洗过程、清洗药液的浸泡和冲洗过程，等等。浸入式中空纤维膜组件的结构形式和水力学特征对这些水力学过程和操作有着决定性的影响。另外，中空纤维膜组件的结构形式也决定了膜组件的造价、安装方式、膜组件拆装和维护的方便性等等。目前市场上中空纤维膜产品大多没有兼顾上述各功能要求，存在着这样或那样的缺点，要么是拆装不便，要么结构复杂，要么消耗大量的不锈钢作为支承结构，要么由于水力学条件不佳造成物理清洗过程效果不良。除此之外，这些已有产品都有一个共同的突出缺陷，就是一种膜元件只能组成一种形状的膜组件，不同的膜组件之间不能够实现膜元件的互换，或者即使勉强能够互换，更换的代价也很大，更换的过程也很麻烦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以批量制造的结构简单、制作容易、拼装和联接简便、拆装便捷，且节省材料的中空纤维膜组件。该膜组件的集水管和膜组件的支承结构合二为一，无需另外的构件来专门固定膜元件并承担膜元件的重量，从而节省大量材料。

本发明所述的浸入式中空纤维膜组件由安装到两个平行的集水管(2、4)上的若干个中空纤维膜元件(1)组成。膜元件(1)包括中空纤维模块(100)、橡胶密封圈(110)、集水部件(120)、弧形紧固件(123)、安装螺栓及螺母(124)。所述的中空纤维模块(100)包括：中空纤维膜丝(101)、膜丝封装槽(102)、密封槽(102a)、连接孔(102b)、凸筋(103)、树脂(104)。中空纤维模块(100)的构成是这样的，若干根长度相当且呈帘状平行排列的中空纤维膜丝(101)，其两端分别用树脂(104)一次性封装在膜丝封装槽(102)之内，待树脂(104)固化之后，用专用工具把膜丝封装槽(102)的密封槽(102a)端面的树脂(104)切割平整，并使封装在其上的膜丝的一端的内腔暴露出来。膜丝封装槽(102)为塑料注塑成型或者任何其他材料成型，它是一个断面为长条形的围栏结构，其内壁上有凸筋(103)，用于加强封装槽及其与树脂之间的粘结强度；其一个端面的沿口上有密封槽(102a)，用于放置橡胶密封圈(110)。所述的集水部件(120)包括：T形蒂托(121)、O形密封圈(122)、弧形紧固件(123)和安装螺栓及螺母(124)。T形蒂托(121)为塑料注塑成型或者任何其他材料成型，其包括如下构造：集水槽(121a)、圆形管嘴(121b)、弧形卡箍(121c)，以及连接孔(121d)、密封端面(121e)、沟槽(121f)、紧固螺栓及螺母(121g)。T形蒂托(121)的功能之一是跟中空纤维模块(100)上的膜丝封装槽(102)对接后形成集水通道(127)。该通道由长条形的集水槽(121a)和垂直于集水槽(121a)并跟集水槽(121a)内部连通的圆形管嘴(121b)共同构成。具体构造是，长条形集水槽(121a)的内部是长条形的内腔，它有敞开的广口，广口形成一个可以跟膜丝封装槽(102)对接的接口，接口上有凸起的密封端面(121e)，密封端面(121e)的形状和尺寸刚好跟膜丝封装槽(102)上的密封槽(102a)配合，它们之间垫有橡胶密封圈(110)，由紧固螺栓及螺母(121g)通过连接孔(121d)、连接孔(102b)进行紧固密封。当中空纤维模块(100)和T形蒂托(121)连接在一起的时候，置于膜丝封装槽(102)的密封槽(102a)之内的密封圈被压紧，中空纤维膜丝(101)的开放端跟T形蒂托(121)的长条形集水通道(127)实现集中连通。T形蒂托(121)的功能之二是通过弧形卡箍(121c)，跟另一个单独的弧形紧固件(123)一起把膜元件安装到膜组件的集水管之上。该功能是这样实现的，T形蒂托(121)之上的弧形卡箍(121c)和弧形紧固件(123)对接后刚好可以抱紧膜组件的集水管(2、4)，使得事先套在圆形管嘴(121b)之上的O形密封圈(122)被压紧。为了防止O形密封圈(122)受挤压后过度变形或偏离管嘴(121b)，在管嘴(121b)的根部外围设有一个放置O形密封圈(122)的沟槽(121f)。安装螺栓及螺母(124)用来把T形蒂托(121)的弧形卡箍(121c)和弧形紧固件(123)联接并紧固在膜组件的集水管(2、4)之上。所述的T形蒂托(121)中的弧形卡箍(121c)与单独的弧形紧固件(123)，也可由Ω型卡箍(126)替代，或采用任何的其他固定方式来取代。

本发明的优点在于：膜元件结构简单，便于安装及拆卸，使运行维护更加便捷；适于标准化大批量生产；采用该膜元件可以很方便地组成各种形状和大小的膜组件，特别是，采用该膜元件设计制造膜组件的时候可以任意决定膜组件上的相邻膜元件之间的间隙(从间隙尺寸为零到其他任意尺寸)，这样就可以很方便地根据膜组件的应用条件来决定采用多大的间隙尺寸，也就是采用多大的膜丝填充密度；在一个膜组件上拆卸或安装任何一个膜元件的时候都不会影响其他的膜元件，可实现膜元件的独立拆卸和安装。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

附图说明

图1是本发明所给出的浸入式膜元件的基本形式。

图2是本发明所给出的浸入式膜元件的结构示意图。

图3是本发明所给出的中空纤维膜块的示意图。

图4是本发明所给出的膜元件的又一种具体实施方式。

图5是本发明所给出的膜组件的基本形式的示意图。

图6是本发明所给出的膜组件的又一种实施方式的示意图。

图中标注：1-膜元件；2-上集水管；2a-膜组件接口；3-支撑竖管；4-下集水管；100-中空纤维模块；101-中空纤维膜丝；102-膜丝封装槽；102a-密封槽；102b-连接孔；103-凸筋；104-树脂；110-橡胶密封圈；120-集水部件；121-T形蒂托；121a-集水槽；121b-管嘴；121c-弧形卡箍；121d-连接孔；121e-密封端面，121f-沟槽；121g-紧固螺栓及螺母；122-O形密封圈；123-弧形紧固件；124-安装螺栓及螺母；126-Ω型卡箍；127-集水通道。

实施例：1

本实施例描述了一种本发明所述的浸入式膜元件的基本形式及用它所构成的膜组件的基本形式，如图1、2、3、5所示。本例的具体实施可分三个步骤完成。第一步，制作中空纤维模块(100)。具体方法是，将若干根长度相当且呈帘状平行排列的中空纤维膜丝(101)的两端分别用树脂(104)一次性封装在膜丝封装槽(102)之内，待树脂(104)固化之后，用专用工具把膜丝封装槽(102)的密封槽(102a)一端的树脂(104)切割平整，并使封装在其上的膜丝的一端内腔暴露出来，成为一个整体，即中空纤维模块(100)。第二步，把中空纤维模块(100)与集水部件(120)组装在一起。具体做法是，将橡胶密封圈(110)放入密封槽(102a)内，扣装上集水部件(120)，并用紧固螺栓及螺母(121g)通过连接孔(121d)和连接孔(102b)进行紧固密封，至此便完成了浸入式膜元件(1)的制作。第三步，制作和组装膜组件。具体方法是，首先取两根圆管，其外径需跟构成膜元件的紧固件的尺寸相匹配，长度取决于其上要安装的膜元件的数量。其中一根圆管作为上集水管(2)，另一根作为下集水管(4)。在两根圆管的管壁上沿长度方向等距打一列孔，孔的间距大于浸入式膜元件(1)的厚度，开孔的数量等于要在集水管上安装的浸入式膜元件(1)的数量。孔的直径需与所述浸入式膜元件(1)的集水部件(120)上的管嘴(121b)的外径相配合。然后取另外两根圆管，作为支撑竖管(3)，按照图5所示的位置关系跟上集水管(2)和下集水管(4)联接在一起，使四根圆管形成一个长方形框架。联接完成之后使得上集水管(2)和下集水管(4)平行且开孔相对，也就是说上集水管(2)上的开孔垂直朝下，下集水管(4)上的开孔垂直朝上，且两根支撑竖管(3)中的至少一根跟上集水管(2)和下集水管(4)连通。这四根管子连接之后形成一个刚性框架，并且使得上集水管(2)和下集水管(4)相互平行且其间距满足以下要求：当膜元件(1)安装到上集水管(2)和下集水管(4)上之后膜丝是松弛的而不是绷紧的。在上集水管(2)或下集水管(4)，亦或支撑竖管(3)上要有至少一个膜组件接口(2a)，膜组件接口(2a)可以是法兰形式或其他任何连接形式。上述工作完成之后，把构成的框架竖立并固定住，使得上集水管(2)保持水平且位于下集水管(4)的正上方，就可以安装浸入式膜元件(1)了。安装浸入式膜元件(1)的过程是这样的：可以从上集水管(2)和下集水管(4)的一端开始，也可以从其上的任何一个位置开始安装。首先给浸入式膜元件(1)的两端的集水部件(120)上的管嘴(121b)配上O形密封圈(122)，并使之位于沟槽(121f)内。然后把浸入式膜元件(1)按照图5所示的方位安装到上集水管(2)和下集水管(4)上。安装时可以先安装浸入式膜元件(1)的上端，具体做法是，使集水部件(120)的弧形卡箍(121c)自下而上地环抱住上集水管(2)，并使管嘴(121b)插入到上集水管(2)的一个开孔之内，然后再用弧形紧固件(123)与前述弧形卡箍(121c)配合环抱住上集水管(2)；用一对安装螺栓及螺母(124)把弧形卡箍(121c)和弧形紧固件(123)拉紧，使弧形卡箍(121c)和弧形紧固件(123)的内表面贴紧上集水管(2)的外表面，此时管嘴(121b)外侧的O形密封圈(122)也被压紧，膜元件的上端就安装完毕了。然后再安装这个膜元件的下端，过程和方法跟安装膜元件的上端的方法相同，只是方向相反，且浸入式膜元件(1)下端的集水部件(120)上的管嘴(121b)插入到下集水管(4)上与上集水管(2)上的由该膜元件占用的孔垂直对应的孔内。这样，第一个膜元件就安装完毕了。之后，把第二个浸入式膜元件(1)安装在跟第一个安装好的浸入式膜元件(1)相邻的孔的位置上。依此类推，直到上集水管(2)和下集水管(4)上所有的孔都已被占用，一个膜列，或者说一个基本的膜组件，就完成了。

本实施例的优点在于：膜元件跟膜组件的集水管之间的联接方式为管嘴-圆孔承插定位、圆柱面压紧柔性密封圈密封、卡箍固定，密封可靠、拆装简便，且任何两个膜元件之间互不干扰，任何一个膜元件都可以单独从集水管上拆下或重新安装上去；采用上述膜元件和联接方法构成的膜组件，膜元件之间的间距可以从零间隙到任意尺寸，以适应不同的使用场合的环境条件；本实施例的膜元件和联接方法构造的膜组件，其规格大小从一个或几个膜元件到几十个膜元件，再到几个膜列，滤膜面积可由几十平方米到数千平方米不等；本实施例所描述的膜元件和膜组件，能够把一个空间区域(比如一个池体)均匀地填布上膜元件，而膜元件的无论内部通道还是外部环境，其水力学条件也是均匀一致的。本实施例所述膜元件和膜组件构造方法构造出的膜组件，其集水管兼承担了膜元件的重量，并保持膜组件的刚性结构，可以节省大量的膜组件支撑材料。

实施例2：

本实施例描述了一种由本发明浸入式膜元件构成的两个膜列所组成的膜组件，如图1、2、3、6所示。本例的具体实施可分三个步骤完成。第一步，制作中空纤维模块(100)。具体方法是，将若干根长度相当且呈帘状平行排列的中空纤维膜丝(101)的两端分别用树脂(104)一次性封装在膜丝封装槽(102)之内，待树脂(104)固化之后，用专用工具把膜丝封装槽(102)的密封槽(102a)一端的的树脂(104)切割平整，并使封装在其上的膜丝的一端内腔暴露出来，成为一个整体，即中空纤维模块(100)。第二步，把中空纤维模块(100)与集水部件(120)组装在一起。具体做法是，将橡胶密封圈(110)放入密封槽(102a)内，扣装上集水部件(120)，并用紧固螺栓及螺母(121g)通过连接孔(121d)和连接孔(102b)进行紧固密封，至此便完成了浸入式膜元件(1)的制作。第三步，制造和组装膜组件。首先取四根圆管，其外径需跟构成膜元件的紧固件的尺寸相匹配，长度取决于其上要安装的膜元件的数量。其中两根圆管作为上集水管(2)，另两根作为下集水管(4)。分别在这四根圆管的管壁上沿长度方向等距打一列孔，孔的间距大于浸入式膜元件(1)的厚度，开孔的数量等于要在集水管上安装的浸入式膜元件(1)的数量。孔的直径需与所述浸入式膜元件(1)的集水部件(120)上的管嘴(121b)的外径相配合。然后取另外两根圆管，作为支撑竖管(3)，按照图6所示的位置关系把这两根支撑竖管(3)跟两根上集水管(2)和两根下集水管(4)联接在一起，形成一个立体矩形框架。联接完成后使得上集水管(2)和下集水管(4)平行且开孔相对，也就是上集水管2上的开孔垂直朝下，下集水管4上的开孔垂直朝上，且其中的两根上集水管(2)分别位于两根下集水管(4)的垂直正上方，且两根支撑竖管(3)中的至少一根跟上集水管(2)和下集水管(4)连通，且使得上集水管(2)和下集水管(4)相互平行且其间距满足如下要求：当膜元件按照图6所示的方式安装上去之后膜丝是松弛的而不是绷紧的。在上集水管(2)或下集水管(4)，亦或支撑竖管(3)上，要有至少一个膜组件接口(2a)，膜组件接口(2a)可以是法兰形式或其他任何连接形式。上述工作完成之后，把组成的框架竖立并固定住，使得上集水管(2)位于上方且保持水平，就可以继续安装浸入式膜元件(1)了。安装浸入式膜元件(1)的过程是这样的，可以从上下集水管(2、4)的一端开始，也可以从其上的任何一个位置开始安装；首先给浸入式膜元件(1)的两端的集水部件(120)上的管嘴(121b)配上O形密封圈(122)，并使之位于沟槽(121f)之内；然后把浸入式膜元件(1)按照图6所示的方位安装到上集水管(2)和下集水管(4)上；安装时先安装浸入式膜元件(1)的上端，具体做法是，使集水部件(120)上的弧形卡箍(121c)自下而上地环抱住上集水管(2)，并使管嘴(121b)插入到上集水管(2)的一个开孔之内，然后再用弧形紧固件(123)与之配合环抱住上集水管(2)，用一对安装螺栓及螺母(124)把弧形卡箍(121c)和弧形紧固件(123)拉紧，使弧形卡箍(121c)和弧形紧固件(123)的内表面贴紧上集水管(2)的外表面，此时管嘴(121b)外侧的O形密封圈(122)也被压紧，膜元件的上端就安装完毕了。然后再安装这个膜元件的下端，过程和方法跟上述方法相同，只是方向相反，同样使浸入式膜元件(1)下端的集水部件(120)上的管嘴(121b)插入到下集水管(4)上与上集水管(2)上相应的孔垂直对应的孔内。这样，第一个膜元件就安装完毕了。然后把第二个浸入式膜元件(1)安装在跟第一个安装好的浸入式膜元件(1)相邻的孔的位置上。依此类推，直到上集水管(2)和下集水管(4)上所有的孔都已被占用，一个膜组件就完成了。

本实施例的优点在于：除了具有实施例1同样的优点外，该实施例更适合制作大规格的膜组件，也就是说，按照本实施例制作的膜组件，其滤膜面积可以更大，而膜组件接口数量相对而言较少，使得膜组件在使用场所的安装更为简便。

Claims (9)

1.一种浸入式中空纤维膜组件，是用中空纤维膜制成的过滤单元，用于从水中或其他液体中分离固体颗粒物质，其特征是：它包括至少一个具有长条形集水部件的帘状膜元件、四根联结在一起并构成一个长方形框架的管道；其中膜元件的两端各有一个长条形集水部件，集水部件上有弧形卡箍；其中两根相互平行的管道用作膜组件的集水管，另外两根相互平行的管道则作为支撑竖管；帘状膜元件是用弧形卡箍固定在两根平行的集水管之上的。

2.如权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征是，其所包含的膜元件由长度相当且呈帘状排列的中空纤维膜丝构成，这些膜丝的两端是分别用树脂封装在两个具有长条形内腔的长条形集水部件之上的，使得这些中空纤维膜丝的内腔的两端分别集中连通于两个长条形集水部件的长条形内腔，并且两个长条形集水部件上有一个把集水部件的长条形内腔与外界连通的圆形管嘴，且圆形管嘴与集水部件的长条形内腔成垂直关系。

3.如权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征是，两根平行的集水管的管壁上沿长度方向分别开有一系列间距相等的孔，当膜元件被安装并固定到这两根集水管上的时候，膜元件两端的集水部件上的管嘴是插入到集水管上事先开好的孔内的，从而把中空纤维膜丝的内腔跟集水管连通。

4.如权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征是，其两端的集水部件上具有弧形卡箍，用于把集水部件安装和固定到膜组件的集水管之上。

5.如权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征是，用于封装中空纤维膜丝的两端的集水部件可以是可拆卸结构；可拆卸结构由两部分组成：其一用于用树脂封装中空纤维膜丝，其二具有用作集水通道的长条形内腔、与该内腔相通的管嘴、用于把膜元件安装并固定到膜组件的集水管上的弧形卡箍；这两个部分可以通过密封接口对接起来并用螺栓紧固在一起。

6.如权利要求1所述的膜组件，其特征是，两根支撑竖管中的至少一根连通了上集水管和下集水管。

7.如权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征是，构成它的零部件(除中空纤维膜丝和螺栓之外)都是用塑料或其他材料成型制作而成的。

8.如权利要求1所述的膜组件，其特征是，上下两根平行的集水管和起支撑作用的两根竖管可以是塑料管，也可以是金属管，或是玻璃钢管。

9.如权利要求1所述的膜组件，其特征是，膜元件两端的集水部件上用于往集水管上安装固定膜元件的弧形卡箍(121c)可以是跟另外的单独的弧形紧固件(123)联合使用，也可以是由单独的Ω形卡箍(126)取代。

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