CN103908895A - 中空纤维膜模块 - Google Patents

Abstract

公开了一种中空纤维膜模块，其中提供至少两类具有不同内径的中空纤维膜，包括中空纤维膜A和B，并且当施加于所述中空纤维膜A和B的上部开口端的初始压力为P₀时，中空纤维膜A和B各自的下部开口端的压力P_A和P_B，满足等式|P_A–P₀|≥|P_B–P₀|，从而在所述中空纤维膜的轴向获得均匀的过滤效率。

Description

中空纤维膜模块

技术领域

本发明涉及一种中空纤维膜模块。更特别地，本发明涉及一种中空纤维膜模块，其包括至少两类具有不同内径的中空纤维膜。

背景技术

分离膜是一种根据分子的尺寸或分子和分离膜之间的排斥力分离材料的仪器，分离的驱动力是压力、密度、势差等。当用于分离过程时，分离膜具有过程自动化很方便且不需要相变化和高温处理的优势，因此已被研究和使用作为一种能够替代环境污染防治设备或化学工业中分离过程的技术。分离膜包括反渗透膜、纳米过滤膜、超滤膜、微孔滤膜、离子交换膜、气体分离膜、渗透汽化膜、等。

根据其操作方法，将中空纤维膜模块分为加压型和浸没型(submerged type)。加压型过滤装置通过向待处理的液体施加压力，仅允许除了固体比如杂质、污泥等之外的液体穿过中空纤维膜的表面选择性地渗透到空心中。

尽管加压型过滤装置需要用于液体循环的单独设备，但是由于高运行压力，其具有每单位时间渗透的水量大于浸没型过滤装置的优势。相反，在浸没型过滤装置中，中空纤维膜直接浸在包含待处理液体的槽中，向所述中空纤维膜内部施加负压，从而仅允许除了固体比如杂质、污泥等之外的液体穿过中空纤维膜的表面选择性地渗透到空心中。尽管浸没型过滤装置提供比加压型过滤装置更少量的单位表面积和每单位时间的渗透水量，但是浸没型过滤装置具有不需要用于液体循环的设备且可直接处理包含许多污染物的原水的优势。

加压型和浸没型过滤装置都可分成两端集水型和单端集水型，在两端集水型装置中，穿过中空纤维膜流入空心中的渗透水收集在所述中空纤维膜的两端，在单端集水型装置中，渗透水收集在其一端。

这样的中空纤维膜模块包括多个中空纤维膜或一束具有预定长度的中空纤维膜。然而，由于中空纤维膜具有长圆柱形，所以浸没型模块在该中空纤维膜的轴向必须具有压降，即使当向其应用负压时，并且加压型模块在该中空纤维膜的轴向也必须具有压降，即使在其中对原水加压且引入所述中空纤维膜的情形中。因此，在所述中空纤维膜的轴向不容易获得均匀的过滤。

发明内容

本发明涉及提供一种中空纤维膜模块，其包括至少两类具有不同内径的中空纤维膜，从而在所述中空纤维膜的轴向获得过滤效率。

根据本发明的一个方面，所述中空纤维膜模块包括至少两类中空纤维膜，其具有不同的内径和包括中空纤维膜A和B，并满足等式1：

[等式1]

|P_A–P₀|≥|P_B–P₀|,

其中，P₀为施加于所述中空纤维膜A和B的上部开口端的初始压力，P_A和P_B为所述中空纤维膜A和B的各自下部开口端的压力。

所述中空纤维膜A可具有在0.4mm至1.2mm范围内的内径D_A，所述中空纤维膜B可具有大于中空纤维膜A内径D_A的内径D_B。

所述中空纤维膜A和B的总膜面积比例A/B为约1或更高。

所述中空纤维膜模块可为加压型中空纤维膜模块，并且P₀可大于0。

所述加压型中空纤维膜模块可包括外壳，所述外壳包括原水进口、浓缩水出口和已处理水出口，并且所述多个中空纤维膜A和B沿所述外壳的轴向排列在所述外壳内。

所述中空纤维膜模块可为浸没型中空纤维膜模块，并且P₀可大于0。

所述浸没型中空纤维膜模块可包括头部，并且所述多个中空纤维膜A和B在所述头部被灌封，且以与所述头部的轴向垂直的方向排列。

附图说明

根据下述实施方案的详细说明，结合附图，本发明的上述及其它方面、特征和优点将变得显而易见。

图1为根据本发明的第一个实施方案的加压型中空纤维膜模块的截面图。

图2为单元中空纤维膜A和B的透视图。

图3为根据本发明的第二个实施方案的浸没型中空纤维膜模块的截面图。

图4显示根据中空纤维膜长度的压力变化。

图5显示根据本发明的中空纤维膜模块的中空纤维膜内部的压力分布。

具体实施方式

此后，将参照附图对本发明的实施方案作出详细说明。应当理解，本发明不限于下述实施方案，可以不同方式实施，并且给出下述实施方案以提供本发明的完全公开和向本领域技术人员提供对本发明的彻底理解。同样，应当注意到，附图不是精确地按比例的，为了在附图中清楚地说明，夸大了一些尺寸比如宽度、长度、厚度等。尽管为了说明的方便起见，在附图中图解了一些元件，但是其它元件将是本领域那些技术人员容易理解的。应当注意到，全部附图都是从观察者的视角描述的。应当理解，当一个元件被认为是在另一个元件“上”或“下”时，所述元件可在其它元件之上或之下，或者二者之间也可存在居间元件。另外，应当理解，在没有背离本发明的范围内，本发明可由本领域技术人员以不同方式实施。在整个附图中，用相似的附图标记表示相似的模块。

本文中，指示空间定向的表述比如“上端(部分)”和“下端(部分)”应当被看作是相对定向以代替绝对定向。

现在，将如下描述根据本发明的第一个实施方案的加压型中空纤维膜模块。

图1为根据本发明的第一个实施方案的加压型中空纤维膜模块的截面图。加压型中空纤维膜模块100包括外壳10和沿外壳10的轴向排列在外壳10内部的中空纤维膜。所述外壳10包括在其外壁的下端形成的原水进口11、在其侧壁的上端形成的浓缩水出口14、及在其上端形成的已处理水出口12，使得过滤穿过中空纤维膜的处理水借此排出。至少两类具有不同内径且包括中空纤维膜A和B的中空纤维膜可灌封在外壳10的内部。

对于包括一类具有相同内径的中空纤维膜的中空纤维膜模块而言，无论是加压型或浸没型，由于压降其都不易于在中空纤维膜的轴向获得对原水的均匀过滤。例如，在具有2m长度的中空纤维膜模块中，过滤效率随着所述模块和集水单元之间的距离减小而增加。特别地，在距集水单元的距离为1m至1.5m之内，中空纤维膜模块具有高过滤效率，当距集水单元的放置距离超过约1.5m时，其过滤效率显著变差，从而使中空纤维膜模块的整体过滤效率变差。

理论上，已知当流体流入任何类型的包括中空纤维膜的空心管中，所述管轴向的压力变化由等式2，Hagen-Poiseuille等式给出：

[等式2]

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δz}}=\frac{128\mathrm{\η}}{{\mathrm{\πd}}_i^4}Q$

在等式2中，P表示压力，η表示流体粘度，Q表示流体的流速，z表示管长，di表示管的内径。

根据Hagen-Poiseuille等式，随着中空纤维膜的长度增加和中空纤维膜的内径减小，其轴向的压力偏差增加，并且在中空纤维膜具有相同长度的情形中，其相对两端之间由于其内径而出现压力差。因此，为了使用压力差提高水处理效率，本发明提供其中彼此混合至少两类具有不同内径的中空纤维膜的中空纤维膜模块。图4显示压力根据中空纤维膜的长度变化而实例，能够看出随着内径减小和长度增加出现显著的压降。

更特别地，图2为中空纤维膜模块的单元中空纤维膜的放大图，其包括具有不同内径的中空纤维膜A和B。中空纤维膜B具有管状形状，其具有比中空纤维膜A的内径D_A更大的内径D_B。每个中空纤维膜A和B都在其相对端开口。如图2所示，假设中空纤维膜A的上部开口端20a和中空纤维膜B的上部开口端30a彼此共平面，且中空纤维膜A的下部开口端20b和中空纤维膜B的下部开口端30b彼此共平面，则在中空纤维膜A的轴向的压降大于具有比中空纤维膜A的内径更大的中空纤维膜B的轴向的压降。即，ΔP₁大于ΔP₂。

图4显示根据中空纤维膜的直径，中空纤维膜内部的压力分配。参照图2和4，能够看出即使当通过引入原水向中空纤维膜A和B的上部开口端施加相同的压力，中空纤维膜A的下部开口端30a的压力P_A小于中空纤维膜B的下部开口端30b的压力。然而，在其中中空纤维膜A和B被灌封在如图1所示的加压型模块中的情形中，中空纤维膜A和B的下部开口端彼此流体性连接(fluidically communicated)，使得所述下部开口端的压力保持在相同水平，并且在所述模块下端收集的处理水可按照中空纤维膜A和B的下部开口端相邻内部区域之间的压力损失差异穿过中空纤维膜B转运到所述模块的上部。参照图5，能够看出，当中空纤维膜A和B的下部开口端彼此流体性连接时，所述下部开口端的压力保持在相同水平。

因此，尽管只有单个已处理水出口，图1中显示的加压型模块可提供与两端集水的加压型模块相同的作用，所述两端集水提供在其具有已处理水出口的相对端，而没有单独的管结构。

加压型中空纤维膜模块具有至少两类具有不同内径的中空纤维膜，包括中空纤维膜A和B，并且满足等式1，其中施加于所述中空纤维膜A和B的上部开口端的初始压力为P₀，所述中空纤维膜A和B的下部开口端的压力为P_A和P_B。在所述加压型中空纤维膜模块中，P₀大于0。

[等式1]

|P_A–P₀|≥|P_B–P₀|

在一个实施方式中，加压型中空纤维膜模块满足|P_A–P₀|>>|P_B–P₀|。

中空纤维膜A具有的内径D_A为0.4mm至1.2mm，中空纤维膜B具有的内径D_B大于中空纤维膜A的内径D_A。

中空纤维膜A和B的总膜面积比例(A/B)可根据所述膜的外径变化，并且可为1以上，优选2以上。膜面积指单元中空纤维膜的外周面的总面积。

此后将描述根据本发明的第二个实施方案的浸没型中空纤维膜模块。图3为根据本发明的第二个实施方案的浸没型中空纤维膜模块的截面图。

参照图3，根据该实施方案的浸没型中空纤维膜模块200包括头部40和多个中空纤维膜A和B，所述中空纤维膜A和B被灌封在头部40且以与所述头部的轴向垂直的方向排列。加压型中空纤维膜模块需要封闭所述中空纤维膜以进行加压的外壳。然而，在浸没型中空纤维膜模块中，中空纤维膜可具有原水穿过固定(fastening)所述多个中空纤维膜或一束中空纤维膜的头部40的开口，因为负压被施加到所述模块的上端。

即使在浸没型中空纤维膜模块的情形中，负压被施加到所述模块的上端，因此，在中空纤维膜的轴向出现了压降。因此，在使用一类具有相同内径的中空纤维膜的浸没型模块的情形中，在中空纤维膜的下部，可能不会产生使原水从外部渗透到中空纤维膜内的驱动力的负压。与前述加压型中空纤维膜模块类似，为了在中空纤维膜的轴向获得均匀的过滤，根据本发明的浸没型中空纤维膜模块也包括至少两类具有不同直径的中空纤维膜。

再参照图2，施加到浸没型模块的上端的初始负压P₀与中空纤维膜A的上部开口端和中空纤维膜B的上部开口端30a的初始负压相同。然而，在中空纤维膜A的轴向的压降可大于在具有比中空纤维膜A更大内径的中空纤维膜B的轴向的压降。因此，如图3所示，中空纤维膜B的下部开口端30b的负压P_B可小于中空纤维膜A的下部开口端20b的负压P_A，其中可在中空纤维膜A的下端产生驱动力，从而在中空纤维膜A的轴向提供更均匀的过滤效率。

浸没型中空纤维膜模块具有至少两类具有不同内径的中空纤维膜，包括中空纤维膜A和B，并且满足等式1，其中施加于所述中空纤维膜A和B的上部开口端的初始压力为P₀，所述中空纤维膜A和B的下部开口端的压力为P_A和P_B。在浸没型中空纤维膜模块的情形中，P₀小于0。

[等式1]

|P_A–P₀|≥|P_B–P₀|

中空纤维膜A具有的内径D_A为0.4mm至1.2mm，中空纤维膜B具有大于中空纤维膜A的内径D_A的内径D_B。

尽管中空纤维膜A和B的总膜面积比例(A/B)可根据所述膜的外径变化，总膜面积比例优选地为1以上。

此后，将参照某些实施例更详细地描述本发明。这些实施例仅仅提供作为示例，而不应当解释为以任何方式限制本发明的范围。

实施例1至15和对比例1至3∶加压型模块中水通量的测量

实施例1

制造如图1所示形式的加压型模块(直径8英寸)，其中具有2m的长度和不同内径的中空纤维膜A和B被灌封。中空纤维膜的装填速率受外壳尺寸或模块的集水头部的限制，将其固定为47%。中空纤维膜A具有0.8mm的内径，中空纤维膜B具有3.9mm的内径，并且这两个中空纤维膜都具有800L/m²/hr/bar的水渗透性。当所述模块具有10kPa的运行压力时，在中空纤维膜A和B被灌封在所述模块中至具有如表1所示的膜面积比例之后，测量该模块的水通量。测定值显示在表1中。中空纤维膜的膜面积指单元中空纤维膜的外周面的总面积，并且使用通过实验获得的表达式测量应用于计算中空纤维膜的外周面的总面积的中空纤维膜的外径。

*中空纤维膜的膜面积=中空纤维膜的外周面的总面积=π×(中空纤维膜的外径)×(中空纤维膜的长度)×(灌封的中空纤维膜的数量)

*中空纤维膜A的膜面积比例(%)=(中空纤维膜A的总膜面积/中空纤维膜A和B的总膜面积)×100

*中空纤维膜B的膜面积比例(%)=(中空纤维膜B的总膜面积/中空纤维膜A和B的总膜面积)×100

*中空纤维膜的外径=中空纤维膜的内径×1.21+0.28

表1

如表1所示，当中空纤维膜A和B的内径固定时，每个模块的水通量取决于中空纤维膜A和B的膜面积及膜面积的比例。当具有比中空纤维膜A更大内径的中空纤维膜B的膜面积比例为3%时，获得的每个模块的最大水通量。进一步，当中空纤维膜B的膜面积比例大于3%时，则总膜面积减小，使得水通量减少，并且当中空纤维膜B的膜面积比例小于3%时，中空纤维膜下端的压降增加，使得水通量减小。

实施例2至13和对比例1

在实施例2至13中，当中空纤维膜A的内径固定为0.8mm时测量加压型模块的水通量，并且中空纤维膜B的内径变化范围为1mm至58mm，使得具有如表2所示的膜面积。在对比例1中，当具有2m的长度和0.8mm的内径的单类中空纤维膜被灌封时，测量加压型模块的水通量。

表2

如表2所示，在其中使用具有不同内径的两类中空纤维膜的实施例2至13中，所述模块具有比其中仅使用具有0.8mm内径的单一类中空纤维膜A的对比例1中的模块更高的水通量递增率。

实施例14和对比例2

实施例14

在与实施例1相同条件下测量表3中显示的加压型模件的水通量，不同在于中空纤维膜A具有0.4m的内径，中空纤维膜B具有1.2mm的内径，并且所述模块具有1m的长度。

对比例2

在与实施例14相同的条件下测量如表4所示加压型模块的水通量，不同在于该模块是仅使用具有0.4mm的内径的中空纤维膜A制造的。

表3

表4

如表3和4所示，在相同条件下，实施例14中的每个模块的水通量比对比例2中的高16%。

实施例15和对比例3

实施例15

在与实施例1相同的条件下，测量如表5所示加压型模块的水通量，不同在于中空纤维膜A具有1.2mm的内径和中空纤维膜B具有3.9mm的内径。

对比例3

在与实施例15相同的条件下，测量如表6所示加压型模块的水通量，不同在于该模块是仅使用具有1.2mm的内径的中空纤维膜A制造的。

表5

表6

如表5和6所示，在相同条件下，实施例15中的每个模块的水通量比对比例3中的高4%。

实施例16至28和对比例∶浸没型模块中水通量的测量

实施例16

制造其中具有2m长度和不同内径的中空纤维膜A和B被灌封的如图3所示形式的浸没型模块。该模块的头部具有800mm长和50mm宽的部分，中空纤维膜的装填速率固定为22%。中空纤维膜A具有1.0mm的内径，中空纤维膜B具有5.5mm的内径。当所述模块具有5kPa的运行压力时，在中空纤维膜A和B被灌封在所述模块中以具有如表6所示的膜面积比例之后，测量所述模块的水通量。测定值显示在表7中。中空纤维膜的膜面积指单元中空纤维膜的外周面的总面积，并且使用通过实验获得的表达式测量应用于计算的外周面的总面积的的外径。

*中空纤维膜的膜面积=中空纤维膜的外周面的总面积=π×(中空纤维膜的外径)×(中空纤维膜的长度)×(灌注的中空纤维膜的数量)

*中空纤维膜的外径=中空纤维膜的内径×1.21+0.28

表7

如表7所示，当中空纤维膜A和B的内径固定时，每个模块的水通量根据中空纤维膜A和B的膜面积及膜面积比例而变化。当具有比中空纤维膜A更大内径的中空纤维膜B的膜面积比例为2%时，则获得每个模块的最大水通量。进一步，当中空纤维膜B的膜面积比例大于2%时，总膜面积减小使得水通量减小，并且当中空纤维膜B的膜面积比例小于2%时，中空纤维膜下端的压降增加使得水通量减小。

实施例17至28和对比例

在实施例17至28中，当中空纤维膜A具有固定为1.0mm的内径且中空纤维膜B的内径在1.4mm至40.9mm的范围内变化以具有如下表8所示膜面积时，测量加压型模块的水通量。测量结果显示在表8中。

在对比例中，当仅具有2m的长度和1.0mm的内径的单个中空纤维膜被灌封时，测量加压型模块的水通量。测量结果显示在表8中。

表8

如表8所示，其中使用两类具有不同内径的中空纤维膜的实施例17至28中水通量的递增速率高于其中仅使用具有1.0mm的内径的单个中空纤维膜A的对比例4中的水通量的递增速率。

实施例29和对比例5

实施例29

在与实施例16相同的条件下测量如表9所示的水通量，不同在于所述模块为浸没型模块，其中中空纤维膜A具有0.4m的内径、中空纤维膜B具有1.4mm的内径、且所述模块具有1m的长度。

对比例5

在与实施例29相同的条件下测量如表10中所示的水通量，不同在于所述模块为仅使用具有0.4mm的内径的中空纤维膜A制造且具有5kPa的运行压力的浸没型模块。

表9

表10

如表9和10所示，在相同条件下，实施例29中的每个模块的水通量比对比例5中的高40%。

实施例30和对比例6

实施例30

在与实施例16相同的条件下测量如表11所示的水通量，不同在于所述模块为加压型模块，其中中空纤维膜A具有1.2mm的内径、中空纤维膜B具有5.5mm的内径、且所述模块具有2m的长度。

对比例6

在与实施例29相同的条件下测量如表12中所示的水通量，不同在于所述模块为仅使用具有1.2mm的内径的中空纤维膜A制造且具有5kPa的运行压力的浸没型模块。

表11

表12

如表11和12所示，在相同条件下，实施例30中的每个模块的水通量比对比例6中的高5.8%。

应当理解，在不背离本发明的精神和范围内，本领域技术人员可进行各种修饰、变化、改变和等同实施方案。

Claims (7)

1.中空纤维膜模块，包括：

至少两类具有不同内径的中空纤维膜，包括中空纤维膜A和B，

其中满足等式1：

等式1

|P_A–P₀|≥|P_B–P₀|

此处，P₀为施加于所述中空纤维膜A和B的上部开口端的初始压力，且P_A和P_B为中空纤维膜A和B各自的下部开口端的压力。

2.根据权利要求1所述的中空纤维膜模块，其中所述中空纤维膜A具有在0.4mm至1.2mm范围内的内径D_A，且所述中空纤维膜B具有大于所述中空纤维膜A的内径D_A的内径D_B。

3.根据权利要求1所述的中空纤维膜模块，其中所述中空纤维膜A和B的总膜面积比例A/B为1或更高。

4.根据权利要求1所述的中空纤维膜模块，其中所述中空纤维膜模块为加压型中空纤维膜模块，并且P₀大于0。

5.根据权利要求4所述的中空纤维膜模块，其中所述加压型中空纤维膜模块包括外壳，所述外壳包括原水进口、浓缩水出口和已处理水出口，并且多个中空纤维膜A和B沿所述外壳的轴向排列在所述外壳内。

6.根据权利要求1的中空纤维膜模块，其中所述中空纤维膜模块为浸没型中空纤维膜模块，并且P₀小于0。

7.根据权利要求6的中空纤维膜模块，其中所述浸没型中空纤维膜模块包括∶

头部；和

多个中空纤维膜A和B，所述中空纤维膜A和B在所述头部被灌封，并且以与所述头部的轴向垂直的方向排列。