CN103463986A - 一种介电电泳平板渗透膜元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种介电电泳平板渗透膜元件，包括平板骨架、电极和渗透膜，所述平板骨架采用ABS制作，在平板骨架内横向均布间隔镶装有电极，在平板骨架的前、后两面采用压塑方式安装渗透膜，在平板骨架上设置有净水口和电线输出口，净水口与平板骨架内的水道连通，电线输出口与平板骨架的电极连接，并引出连接外界电源。本发明使用介电电泳技术，利用固体微粒与其所悬浮的连续相介电极化能力不同的原理，介电电泳力将固体微粒推离电极或者将固体微粒吸附在电极上，减少甚至消除渗透膜工艺中发生的膜污染和堵膜现象，提高渗透膜使用寿命，提高渗透膜膜透过量，达到强化渗透膜工艺。

Description

一种介电电泳平板渗透膜元件

技术领域

本发明属于分离技术领域，涉及多相（固液，固气，液液）渗透膜的过滤分离工艺，尤其是一种介电电泳平板渗透膜元件。

背景技术

渗透膜分离技术在近30年中由于其操作方便、工艺设备紧凑、分离效率高、能耗低等优点而迅速发展成为工业中多相（主要于固液，固气和液液等）分离的重要工艺方法。然而，在渗透膜过滤工艺中，膜污染这个不可避免的问题始终存在，且已成为这项工艺于实际应用中的一个致命缺点。膜污染是由于膜表面和膜孔中由于微粒、胶体粒子、溶质分子或细菌、病毒等的沉积或孳生而导致的膜孔堵塞或变小，造成过膜阻力的增大，从而使膜透过量下降，减少膜的使用寿命等后果。例如，在固液分离中经常使用的超/微滤膜，其膜透过量由于膜污染会在近一个小时的工作之后减少约50%；而由于固体小颗粒的吸附和堵塞，这种污染甚至不可逆。纳滤和反渗透膜等用于液液分离中，由于浓差极化所产生的凝胶层会在膜表面形成一个不可透层，从而极大增大了膜阻力和透过压的要求，这种膜污染可以通过膜清洗而除去，称为可逆污染。

工业上经常用来清洗膜污染的方法主要分为物理清洗和化学清洗，化学清洗是通过使用药剂以将不溶污染物溶解并冲洗出膜组件。然而，化学清洗不仅由于药剂的使用而增加过滤工艺的操作成本，而且由于酸性或碱性药剂的使用而对膜造成损害且造成污染。物理清洗主要包括低压高流速清洗、等压冲洗、反冲洗、负压清洗、机械刮除等方法，工业中普遍使用的是高速反冲洗和气水反冲洗工艺。然而，上述两种工艺都必须在清洗过程中停止膜过滤工艺，且需要高压和高于产水量两到三倍的水用于冲洗，耗能高，用水量大。

超声波被认为可以实现防止膜污染的一个方法。然而，由于高强度超声波对渗透膜所造成的侵蚀和破坏，以及庞大的超声波生成系统阻碍了其在工业上的应用。基于电泳原理的电子渗透膜于上世纪七十年代由Manegold等提出，并由Henry等通过实验证实其可行性。然而，这种方法不适于用于多离子复杂性的工业条件，而且其高能耗也阻碍了它在工业上的广泛使用。除此之外，裸电极在电泳的使用也提高了短路的可能及电击的危险，以及电极上发生的电化学反应不仅会导致pH值变化，甚至于会生成有毒或污染环境的化学副产品。

平板渗透膜经常被用于生物反应器中用于过滤出废水中的悬浊物，尤其是生物处理器中的反应物。常规渗透膜生物反应器经常被这些悬浊物堵塞，于是通常通过在反应器底部使用刨气所产生的气泡将渗透膜表面上的悬浊物移去。然而这种工艺不仅能耗高，而且其处理效率非常低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种介电电泳平板渗透膜元件，该元件通过施加在临近渗透膜表面固体颗粒的介电电泳力而将其移离渗透膜表面从而减少甚至消除在渗透膜工艺中发生的膜污染和堵膜现象，以延长渗透膜使用寿命和提高渗透膜的工作效率及产水量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种介电电泳平板渗透膜元件，包括平板骨架、电极和渗透膜，其特征在于：所述平板骨架采用ABS制作，在平板骨架内横向均布间隔镶装有电极，在平板骨架的前、后两面采用压塑方式安装渗透膜，在平板骨架上设置有净水口和电线输出口，净水口与平板骨架内的水道连通，电线输出口与平板骨架的电极连接，并引出连接外界电源。

而且，所述电极采用圆柱形叉指电极结构，在每对电极中，一根电极采用绝缘电极，而另一根电极则采用防腐蚀材料的裸电极。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明使用介电电泳技术，利用固体微粒与其所悬浮的连续相介电极化能力不同的原理，介电电泳力将固体微粒推离电极或者将固体微粒吸附在电极上，减少甚至消除渗透膜工艺中发生的膜污染和堵膜现象，提高渗透膜使用寿命，提高渗透膜膜透过量，达到强化渗透膜工艺。

2、本发明使用介电电泳技术，既消除膜污染的问题，且能耗低，操作成本低，与工业经常使用的反冲洗技术相比，介电电泳增强膜的使用无需停止渗透膜过滤工艺的工作。

3、本发明可在保持渗透膜过滤工艺正常工作的同时，无须添加额外物质例如化学药剂或大量的水，能够减少甚至消除渗透膜过滤工艺中的膜污染和堵膜现象所造成的膜使用寿命降低和膜透过量下降的问题，降低减少和消除渗透膜污染问题所消耗的能量和成本。

4、本发明采用圆柱形叉指电极结构，圆形表面使叉指电极强电场面最大化，使用最少材料，获得更强的介电电泳力。

5、本发明所使用的电极，一根电极采用绝缘电极，另一根采用防腐蚀材料的裸电极，以减少能耗和电极生产成本。

附图说明

图1是本发明平板渗透膜元件的结构主视图；

图2为图1的A-A向截面剖视图；

图3为图1的B部结构放大示意图;

图4为图2的C部结构放大示意图；

图5是本发明介电电泳渗透膜元件工作原理示意图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不限于下述实施方式，任何在本实施例原理上所做的改变或替代方案，均落入本发明要求保护的范围之中。

一种介电电泳平板渗透膜元件，如图1、2所示，包括平板骨架1、电极6和渗透膜4，平板骨架采用ABS制作，在平板骨架内横向均布间隔镶装有电极，在平板骨架的前、后两面采用压塑方式安装渗透膜。电极采用圆柱形叉指电极结构，在每对电极中，一根电极采用绝缘电极，而另一根电极则采用防腐蚀材料的裸电极，以减少能耗和电极生产成本。平板骨架与渗透膜的安装结构为可更换渗透膜的夹层平板结构，渗透膜破损时可更换，结构元件重复利用。在平板骨架上设置有净水口2和电线输出口3，净水口与平板骨架内的水道5连通，电线输出口与平板骨架的电极连接，并引出连接外界电源。

本发明的工作过程是：

本发明所涉及的渗透膜元件浸泡于需要处理的废水中，由于相对于水而更低的介电极化能力，固体颗粒在废水中通常表现为阴性介电电泳性质；即在不匀称电场中，固体颗粒被向弱电场方向移动。如图5所示，废水经过渗透膜的表面，在渗透膜内的平板骨架上所安装的叉指电极提供介电电泳力所需的不匀称电场。特有的圆形表面使叉指电极的强电场面最大化，从而使用更少的材料，但可得到更强的介电电泳力。当废水中固体颗粒靠近渗透膜时，即靠近叉指电极时，将被移离而无法靠近渗透膜，如此减少甚至消除膜污染和堵膜得发生；水通过渗透膜进入平板骨架的水道内得到净水，净水由净水口排出。

本发明所涉及的介电电泳概念及工作原理是：

介电电泳（Dielectrophoresis）技术已经被成功的应用于生物医学工业来分离、富积、捕获微粒和细胞。该技术描述的是位于非匀称电场的中性微粒由于介电极化的作用而产生的平移运动。产生在微粒上的偶极矩可以由两个相同带电量但极性相反的电荷来表示，当它们在微粒界面上不对称分布时，产生一个宏观的偶极矩。当这个偶极矩位于不匀称电场中，在微粒两边的局部电场强度的不同产生一个净力，称为介电电泳力。由于悬浮于媒介中的微粒与媒介有着不同的介电能力（介电常数），微粒会被向或者更强的电场强度的方向移动，称为阳性介电电泳，或者更弱的电场强度的方向移动，称之为阴性介电电泳。

无论是在渗透膜过滤分离固液，固气还是液液混合相中发生的分离渗透膜污染，都是固体微粒（微粒，胶体微粒，溶质结晶体，细菌，和不溶有机物液滴及大分子有机物）相对于连续相（液体或气体）存在。在这样的一个系统中，由于固体微粒与其所悬浮的连续相的介电极化能力的不同，介电电泳力将固体微粒推离电极或者将固体微粒吸附在电极上，表现出或者阴性介电电泳性质或者阳性介电电泳性质。

由于相对于水而更低的介电极化能力，固体颗粒在废水中通常表现为阴性介电电泳性质；即在不匀称电场中，固体颗粒被向弱电场方向移动。如图一所示，废水经过渗透膜的表面，在渗透膜下安装的叉指电极提供介电电泳力所需的不匀称电场。特有的圆形表面使叉指电极的强电场面最大化，从而使用更少的材料，但可得到更强的介电电泳力。于是将渗透膜安装在叉指电极的表面上，当固体颗粒靠近渗透膜时，即靠近叉指电极时，将被移离而无法靠近渗透膜，如此减少甚至消除膜污染和堵膜得发生。

Claims (2)

1.一种介电电泳平板渗透膜元件，包括平板骨架、电极和渗透膜，其特征在于：所述平板骨架采用ABS制作，在平板骨架内横向均布间隔镶装有电极，在平板骨架的前、后两面采用压塑方式安装渗透膜，在平板骨架上设置有净水口和电线输出口，净水口与平板骨架内的水道连通，电线输出口与平板骨架的电极连接，并引出连接外界电源。

2.根据权利要求1所述的介电电泳平板渗透膜元件，其特征在于：所述电极采用圆柱形叉指电极结构，在每对电极中，一根电极采用绝缘电极，而另一根电极则采用防腐蚀材料的裸电极。

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