CN103599702A - 一种多内孔膜制备的管筒式膜组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管筒式中空纤维膜组件，包括多内孔中空纤维膜丝，环形树脂固封端，管筒式膜组件外壳及法兰端盖，导流曝气装置，其中中空纤维膜内孔与环形汲水区相连通，中空纤维膜丝轴向与膜外壳轴向垂直。导流曝气装置顺序配置于膜过滤区前端，原水呈旋流式自下而上冲刷膜表面，避免了下端曝气对膜的高强度直接曝气造成的膜丝损伤，延长了膜寿命，且流态稳定，集水均匀，无死角。本发明可在线用于管路系统，无需另辟大面积膜池或膜过滤区，经济实用性强。

Description

一种多内孔膜制备的管筒式膜组件

技术领域

本发明涉及一种对污水等有机废水进行处理的膜组件，特别是一种采用多内孔中空纤维膜制备的管筒式组件，可在线直接安装于工程管道系统中。 

背景技术

一种多内孔膜，特别是一种分离膜，膜至少由一层外表面和一层内表面构成，至少包括两纵向延伸的内表面，构成内通道，内通道外面包覆着膜的外表面，外表面和内表面构成了各自独立的分离层，上述膜已在相关文献中报道。 

本发明涉及的多内孔膜具有各自独立的膜外表面和膜内表面，膜外表面的微孔中值孔径与膜内表面的微孔中值孔径不同。这使得膜可以多用途使用，极大提高了多通道膜的允许使用范围。多内孔膜可以采用内孔收集滤过水，也可以采用内孔通过原水，外表面收集滤过水。 

中空纤维膜反应器的用途广泛，可用于诸多领域，如去除液体中的残余气体，过滤液体或向液体中注入气体。膜反应器主要用于氧化、分解、去除废(污)水中的有机物。 

本发明针对一种管筒式中空纤维膜组件，包括多内孔中空纤维膜丝，环型浇铸端将纤维的两端开口固定，法兰端盖，管筒式膜组件外壳，导流曝气装置，其中，中空纤维膜丝轴向与管筒式膜壳轴向相垂直。 

以往，做为这种膜组件，例如发明专利申请公布号CN101766956B中公开了一种撑开式中空纤维膜组件，将中空纤维膜集束，呈垂直向浇铸单端，即膜束一端中心处插入曝气管，原水和气流从膜束一端进入。同样的，在膜束一端或双端中心处集水。基于上述的现有技术中，由于各膜束的负荷量不均等，当持续进行过滤运转时，一侧的膜元件的污染恶化程度要早于另一侧的污染恶化，从而膜组件的整体污染程度存在各部分的差异。这种情况，造成判断化学清洗和物理清洗时机的困难度，一端的膜束被过度污染，即使对其进行化学清洗，也不能充分恢复其初始性能，或者对污染程度低的膜束端进行不必要的化学清洗，提高维护费用。 

另外，做为膜组件的现有技术，公开(公告)号CN1197408的发明专利公开了一种柱式膜组件，膜组件的膜丝呈束浇铸于圆柱式外壳内，膜束侧端或一端进原水，膜束另一端集产水，这种结构设计的膜组件需要集成化成膜单元，布局难以紧凑，占地面积大，且管路连接繁琐，维护技术要求高，虽便于集成管理，但是在线更换易造成压力损失，不适于在线管路改造、安装替换与维护，对场地设计有较高要求。 

此外，已有的专利日本特开平9-225492中公开的膜生物反应器中安装多组曝气装置，放 出大量的微细气泡来将生物处理所需的氧供给至被处理液中，同时(或)放出粗大气泡，来清洗膜组件的膜外表面。这样，由于微细气泡的密集度高，氧转移效率高，容易溶解到被处理液中，因为能够将氧充分的供给至被处理液中；与此相反，粗大气泡的上浮速度快，在膜丝壁间通过，可充分地清洗膜组件内膜外表面。但由于现有技术的装置设计复杂，不仅增加曝气能耗，也使得曝气的空间面积需求增大。 

作为上述问题的对策，本发明中的组件采用一种包括中空纤维膜圆片的圆柱型筒式设计，浇铸多内孔膜的树脂固封料呈圆环形，浇铸于树脂固封料中的中空纤维膜端口向外露出。膜组件的产水通过树脂固封料、膜组件外壳和环形连接件形成的的环形汲水区收集，原水延管路通过前法兰端盖，在原水平衡区平衡，流经导流曝气装置，穿过圆片状的多内孔膜过滤区，经过后导流板，随之从与后端法兰端盖连接的管道或下一管筒式膜组件流出。这种创新型的膜组件使曝气效果得到了提高，形成有效的气液通道，降低了膜壁表面的污染，增强了膜分离效率，最优化保护了膜丝，降低能耗，并可在线简便安装、维修。 

发明内容

本发明要解决的问题 

本发明的目的在于，提供一种能够在线安装的，同时降低膜污染速率的高分离效能的多通道膜制备的膜组件。 

用于解决问题的手段 

为了达成上述目的，在本发明的膜组件中，见图1，具有两个法兰端盖，可在线与待处理水管路相连接，同时法兰端盖与圆片式中空纤维膜片间存在空区，即前端原水平衡区和后端原水平衡区，其间安装具有降低膜污染速率功能的装置，从而实现膜的高效分离。 

本发明的技术方案为：一种多内孔膜制备的具导流曝气功能的圆筒式膜组件，可进行在线管路安装，本发明的特征在于，对照参见图2、图3，在膜过滤区4的原水入水端设置一个导流曝气装置18，管路中的原水通过前法兰端盖8进入前端原水平衡区7后经过导流曝气装置18，流体和气泡经过导向，形成旋流，同时曝气管16通过曝气头17提供微细气泡，流体与微细汽泡相混合，在膜过滤区4进水端形成粗大气泡。这样形成的粗大气泡被引至膜过滤区4的下方并上浮旋流，由此可充分清洗圆片状排布的中空纤维膜外表面；在膜过滤区4形成的上下方向的上旋回转的旋流，可提高膜分离组件的清洗效果，降低膜污染速率；同时由于圆片状膜纤维的阻挡和原水进水方向的驱动力，旋流不会从膜过滤区4返回至原水进水管口，从而使容器内的各膜过滤区的膜污染程度大致相等。产水通过环形汲水区3，从管筒式膜组件的接口收集，其余一部分原水穿过膜过滤区，随后经后导流板12及后法兰端盖14流 入下一管路或另一管筒式膜组件。 

需要指出的是，本发明人发现，在膜过滤区进水前端、后端的水质电导率和SDI值基本相似，将其做为膜负荷量的指标，从而可推断膜组件的各部分的污染情况均等。 

在本发明的导流曝气装置18和后导流板12中，导流孔板上具有锥形部分孔，该锥形部分的导流孔13使流路的截面面积变得越向膜过滤区中心越狭窄。这种设计，使得通过该锥形部分的多个流体与流体中和曝气头放出的多个气泡彼此接近，相互结合而形成粗大气泡，粗大的气泡与通过导流板锥形部分形成的流体旋流自下而上的冲刷膜壁外表面，避免了在膜束下端中部曝气造成的由于高强曝气冲刷膜丝而形成的膜丝断裂现象，从而实现降低膜污染速率和膜损伤，同时提高膜分离效率的效果。 

关于多内孔膜的孔径，由动力学控制，可以通过调节熔体反应速率来达到网架结构调节，见图6，其内表面和外表面的平均孔径0.0001微米到5微米之间，优选0.01-3微米，膜的截留分子量不超过50万道尔顿，多内孔膜可用于纳滤、微滤或超滤领域。多内孔膜的内外表面不同孔径的制备通过一种或多种内外凝固浴，特别是通过热致相法，将聚合物溶液直接熔融挤出至凝固介质内，优选选用单一液体凝固介质。内孔的形成与中空膜丝的挤出流路相平行，内孔喷出的孔径在0.15-5毫米，多内孔膜的外径为0.5-15毫米，优选0.8-12毫米。 

特别指出，多内孔膜的内支撑层呈多轴网架结构，许多紧密相连纵行的晶形构成整个网架。多轴网架在三维空间交叉互穿分布，决定了内支撑层的显著特性，多轴网架不仅能够承压，还可以将所承受载荷在三维空间内分散、传递，而且通过塑性变形来吸收、耗散能量的作用范围也因此而扩大。这种效果使得多内孔膜的耐污染性能和耐压耐久性大幅提高，它与内支撑层的内部结构密切相关，即与其多轴网架的空间结构密切相关。 

制备多内孔膜的聚合物可以为任何适宜的高分子材料，这些材料包括聚烯烃类(如，聚丙烯、聚异丁烯、聚乙烯、聚甲基戊烯)，优选PVDF、PTFE、PES、HFP、poly-sulfone。 

本发明中的树脂固封材料5是一种环形液封或部分液封区域，它将管筒式膜组件分成膜过滤区4和环形汲水区3。膜组件筒体外壳2的两端具有两圈环形连接件10，与筒体的材料一致，树脂固封材料5与管筒式膜组件筒体外壳2两端的环形连接件10相粘接，使环形汲水区3和膜过滤区4相隔离。前法兰端盖8与膜组件筒体外壳2相连接，曝气管8穿过前法兰端盖8的外边缘或管筒式膜组件外壳2，前法兰端盖8通过环形垫圈19和O型密封圈15将圆片式导流曝气装置18固定到膜过滤区4前端，且环形垫圈19与树脂密封材料5紧密相贴合。环形垫圈19的材质与膜组件筒体外壳2相同，与法兰端盖8、14相粘合，从而形成固定容积的原水平衡区前端7、原水平衡区后端20。 

本发明中的树脂固封材料5可以是任何材料，如任何适宜的热塑性材料或任何适宜的热 固性材料，包括环氧树脂、聚氨酯、聚烯烃，但不仅限于此。 

本发明中涉及的法兰端盖的标准法兰连接遵循ANSI标准，包括管径、法兰盘直径、螺栓孔径、螺栓孔数，但不仅限于此标准。 

在一个优选的实施方式中，前导流曝气装置18的曝气头17和曝气管16分布于前导流板内部，曝气管从前法兰端盖8穿出，连接鼓风装置。膜组件上接口1和下接口6可单独或共同收集膜过滤产水。 

在另一个优选的实施方式中，前导流曝气装置18的曝气头17和曝气管16分布于其与膜过滤区4之间，曝气管浇铸于树脂固封材料5中，穿过管筒式膜组件外壳2，连接鼓风装置。膜组件下接口6穿过环形汲水区3，它的上端浇铸于树脂固封材料5中，与膜过滤区4连通，它的下端从管筒式膜组件外壳穿出，作为排污口，用于排气，排除悬浮颗粒或浓缩液。膜组件运行时，膜组件下接口6全部或部分关闭，膜组件上接口1用于收集膜过滤产水。 

本发明的有益效果： 

1、使多内孔膜呈圆片状分布，曝气形成的气泡与经过导流板的原水形成旋流，从下而上螺旋推进式冲刷膜丝，膜间污泥吸附大大降低，膜过滤区各点污染负荷均等。 

2、多内孔膜内支撑层的新颖结构和内外壁不同的膜过滤中值孔径，使膜产水通量稳定，拓展了膜组件应用范围，延长膜组件运行寿命。 

3、膜组件外壳的接口有利于污泥排放、悬浮颗粒的去除、排气和排放浓缩液，降低了膜组件污染速率。 

4、标准法兰端盖设计，使膜组件可与管道在线连接，安装维护经济便捷。 

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的一种圆筒式中空纤维膜组件的主视示意图。 

图2是图1所示的圆筒式中空纤维膜组件的横剖示意图。 

图3是图1所示的圆筒式中空纤维膜组件的纵剖示意图。 

图4是根据本发明的另一个实施方式的圆筒式中空纤维膜组件的纵剖示意图。 

图5是三内孔膜丝截面图。 

图6是两个不同配方多内孔膜的支撑层扫描电镜图片。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，但是应理解，它们仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。 

实施例一：图1是根据本发明的一个实施方式的一种圆筒式中空纤维膜组件的主视示意图，图2是图1所示的圆筒式中空纤维膜组件的横剖示意图，图3是图1所示的圆筒式中空纤维膜组件的纵剖示意图。如图3所示，中空纤维膜组件外壳直径为5.25英寸，膜组件长度为8英寸，原水进入法兰端盖的管道直径为3英寸，膜面积为1m²，螺栓中心孔法兰盘外圈直径6英寸，法兰盘螺栓孔径为0.75英寸，4个螺栓。膜丝材质为PVDF，三个内孔，膜丝外径为3mm，内孔为0.65mm，如图5所示，膜过滤微孔孔径为0.2um，膜支撑层见图6左图。导流曝气装置18，将导流孔板与曝气装置一体化呈圆片状，由前端法兰端盖将其与膜组件外壳筒体的环形连接件压紧。曝气管自前端法兰端盖引出，与鼓风机相连。设置气水比为20：1，膜组件过滤水抽停时间为20分钟/8分钟，初始抽吸压力值为0.01MPa，运行14天中，膜的产水通量由第一天的180L/h·m²至第14天下降到134L/h·m²，产水电导率、SDI值初始和运行14天时分别为381us/cm、3和403us/cm、3。而对照组用同样膜面积的帘式膜组件，相同条件下，通量由第一天的175L/h·m²至第14天下降到87L/h·m²，产水电导率、SDI值初始和运行14天时分别为398us/cm、3和411us/cm、3.5。平均膜通量比普通帘式膜组件提高了25％。经过清洗后，膜组件通量恢复了89％。 

实施例二：图4是根据本发明的另一个实施方式的圆筒式中空纤维膜组件的纵剖示意图。如图4所示，中空纤维膜组件外壳直径为13.25英寸，膜组件长度为24英寸，原水进入法兰端盖的管道直径为10英寸，膜面积为4m²，螺栓中心孔法兰盘外圈直径14.25英寸，法兰盘螺栓孔径为1英寸，12个螺栓。膜丝材质为PES，三个内孔，膜丝外径为1.8mm，内孔为0.45mm，如图5所示，膜过滤微孔孔径为0.05um，膜支撑层见图6右图。导流曝气装置18，导流孔板与膜过滤区之间是曝气头和曝气管，曝气管自树脂固封料和膜组件筒体外壳穿出。设置气水比为20：1，膜组件过滤水抽停时间为20分钟/8分钟，初始抽吸压力值为0.01MPa，运行14天中，膜的产水通量由第一天的980L/h·m²至第14天下降到745L/h·m²，产水电导率、SDI值初始和运行14天时分别为45us/cm、1和43us/cm、1。而对照组用同样膜面积的帘式膜组件，相同条件下，通量由第一天的975L/h·m²至第14天下降到670L/h·m²，产水电导率、SDI值初始和运行14天时分别为39us/cm、1和45us/cm、1.5。平均膜通量比普通帘式膜组件提高了7％。经过清洗后，膜组件通量恢复了92％。 

符号说明 

1、上接口；2、管筒式膜组件外壳；3、环形汲水区；4、膜过滤区；5、树脂固封材料；6、下接口；7、原水平衡区前端；8、前法兰端盖；9、环形汲水区下端；10、环形连接件；11、法兰螺栓孔；12、后导流板；13、导流孔；14、后法兰端盖；15、O型密封圈；16、曝气管；17、曝气头；18导流曝气装置；19、环形垫圈；20、原水平衡区后端。 

Claims (3)

1.一种管筒式中空纤维膜组件，其特征在于，包括由圆片式多内孔膜片组成，膜片采用环形树脂固封材料密封，膜的开口端露出，树脂固封材料与管筒式膜组件外壳和至少两个环形密封件构成独立的环形汲水区，每根多内孔膜的内孔与所述环形汲水区相连通；圆片式多内孔膜片之间、导流曝气装置、导流板、树脂固封材料之间共同构成原水流入和曝气时气液混合的流动通道，环形汲水区的出水部分与管筒式中空纤维膜组件外壳上的接口连接。

2.根据权利要求1所述的管筒式中空纤维膜组件，其特征在于，其采用多内孔中空纤维膜填充，膜内外壁孔径各自不同，中值孔径范围在0.0001um到5um之间，膜内支撑层呈多轴网架结构，多轴网架在三维空间交叉互穿分布。

3.根据权利要求1所述的导流曝气装置，其特征在于导流孔板与曝气孔板延原水流入方向自前至后配置，该装置是一体式或紧密拼接结构，导流孔板具有锥形部分的导流孔。

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