CN104182637B - 一种膜元件卷制过程中的胶水用量确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膜元件卷制过程中的胶水用量确定方法，通过全盘考量无膜片缠绕时中心管外直径、最内圈多层产水流道布的长度、最内圈产水流道布厚度、涂有脱盐层的膜片长度、膜片厚度、膜片页数、进水流道布长度、进水流道布页数、产水流道布长度、产水流道布页数、胶水长度、胶水体积、收卷时的收卷压力、胶水密度、粘度、温度、湿度等相关因素，成功并且完整的将膜元件卷制设计确定下来。通过本发明的方法可得出最佳胶水使用量，采用本发明卷制成的膜元件较普通胶水涂量的膜元件，膜面积提高的同时还可以节约胶水用量，同时也相当于节约了膜片的使用量，达到了控制成本、提高效率的目的。

Description

一种膜元件卷制过程中的胶水用量确定方法

技术领域

本发明属于膜分离技术领域，具体涉及一种膜元件卷制过程中的胶水用量确定方法。

背景技术

膜技术由于其工艺简单、运行维护方便、环境友好、产水品质稳定可靠，近年来受到水处理行业的重视与欢迎。目前行业内通用以下几种膜：中空纤维膜、微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜。其中反渗透膜由于其较高的科技含量，成熟的工艺系统、稳定的质量保障，得到了行业内外的一致肯定。在学校、医院、锅炉厂、电子行业、化工行业、政府机构等诸多领域拥有无可比拟的技术优势。

目前，反渗透膜元件一般是由以下不同功能的材料组成：进水流道布、产水流道布、涂有脱盐层的膜片、中心管以及密封胶。中心管外先卷绕最内圈多层产水流道布，再卷绕夹有一层进水流道布的折叠过的膜片，再卷绕一层产水流道布，以此顺序绕制。在生产过程中，经过对一定尺寸的膜片进行折叠，用密封胶水将折叠后的膜片与集水管相连的另外三端密封(折叠端放置在集水管端)后卷制，这样就形成了收集产水的膜袋，流体平行于集水管从进水流道布进入膜元件，通过压力作用及膜片本身的分离特性，使进料通过膜面分离后，沿产水流道布垂直集水管方向，收集于集水通道形成产水。在涂胶的过程中，涂胶位置与喷涂体积对于最后反渗透膜元件设计时，膜的直径、有效膜面积、膜的性能影响少有研究。业内一般情况下为了将产水流道布和膜片间粘结牢固，防止泄露，采取尽量多喷涂的办法，这种现象一方面增加了胶水本身的成本浪费，另一方面也在不同程度上影响了卷制好的膜元件的直径，从而间接的减小了组件的有效膜面积，减小了单位时间内进水通过组件的体积。

发明内容

本发明就是要克服现有技术的不足，通过简洁考量在膜片卷制过程中胶水对于膜元件整体的影响，提供一种胶水用量的确定方法，采用该方法可以显著降低生产成本及提高膜元件有效膜面积，以保证膜片的充分利用，提高膜元件的产水量，保证膜元件性能。

为了便于理解本发明的技术方案，首先给出本发明技术方案的理论说明：我们认为，卷膜过程实际上就是将无膜片缠绕的产水流道布、膜片、入水流道布、产水流道布、胶水等填充在以卷径为大直径、中心管外径为小直径的圆环中(轴向看)并将其线性排列组合的过程。根据所需不同膜元件型号，恰当的预估卷径并挑选合适中心管。在确定好卷径A和无膜片缠绕时中心管外径B后，根据圆环面积公式确定剩余面积Q，一般为了保证制造误差，在此基础上应做适当修改。填充面积具体分类说明如下：

1、最内圈多层产水流道布的面积的影响因素：C＝C₁(进水流道布长度)×C₂(进水流道布厚度)我们将其看成一个长方形卷制的过程，其中长方形的长即为最内圈多层产水流道布长度C₁，宽即为最内圈多层产水流道布厚度C₂。如此便得到了在卷制过程中最内圈多层产水流道布所占的面积C。

2、膜片面积D:D＝D₁(膜片长度)×D₂(膜片厚度)×D₃(膜片页数)我们将其看做是多个长方形面积的简单累加。其中长方形的长即为膜片长度D₁，宽即为膜片厚度D₂，而在卷制过程中，相同的情况会出现D₃(膜片页数)次。故可得膜片所占的面积D。

3、进水流道布面积E的影响因素： E＝E₁(进水流道布长度)×E₂(进水流道布厚度)×E₃(进水流道布页数)我们将其看做是多个长方形面积的简单累加。其中长方形的长即为进水流道布长度E₁，宽即为进水流道布厚度E₂，而在卷制过程中，相同的情况会出现E₃(进水流道布页数)次。故可得进水流道布所占的面积E。

4、产水流道布面积F的影响因素：F＝F₁(产水流道布长度)×F₂(产水流道布厚度)×F₃(产水流道布页数)我们将其看做是多个长方形面积的简单累加。其中长方形的长即为产水流道布长度F₁，宽即为产水流道布厚度F₂，而在卷制过程中，相同的情况会出现F₃(产水流道布页数)次。故可得产水流道布所占的面积F。

5、胶水所占体积空间G：我们分两步考虑：第一步即胶水在卷膜过程中受到压力而发生的粘性流动。我们综合考虑二维泊肃叶流，忽略体积力，结合膜工业生产实际，得到公式：G为胶水的体积，2b为胶水的理想厚度，η₀为胶水的粘度，t为胶水从开始反应到成为凝胶的时间。但应注意此过程中得到的2b(理想厚度)实际上包括了产水流道布所带来的厚度影响。

关于胶水的长度应根据生产工艺确定，综合考虑膜元件设计依据，其长度记为N。

第二步我们考虑由于胶水为高分子聚合物，具有粘弹性，故采用蠕变公式计算其应变：ε(t)＝ε₁+ε₂＝σ/P₁+(σ/P₂)(1-e^-t/τ)，其中ε_i(i＝1,2,3)分别表示总形变、普弹性变和高弹形变。对于普弹性变，是当收到外力作用时，分子链内部键长和键角立即发生变化所带来的形变。对于高弹形变，使分子链通过链段运动逐渐伸展的过程，形变量要比普弹形变大得多。τ为松弛时间，按照公式计算：τ＝η₂/P₂。P₁普弹形变模量，P₂高弹形变模量。t为胶水从开始反应到凝胶化的 时间。由于生产实际时上述公式较难以应用，故在实际生产中我们采取如下策略：实际较符合如下公式： $\mathrm{\π}\frac{A^2}{4}=[\mathrm{\π}\frac{B^2}{4}+(C+D+E+F)]\×D_3\×\mathrm{\φ}.$ 其中φ为胶水系数。如此我们便得到整体的计算公式了。

接下来，给出本发明的具体技术方案，即如何得到膜元件卷制过程中的最佳胶水用量，其确定方法包括以下步骤：

(1)|首先分别采集公式(b)—(f)计算所需要的数据，然后运算公式(b)—(f)，将计算得到的数据代入公式(a)确定胶水系数：

$\mathrm{\π}\frac{A^2}{4}=[\mathrm{\π}\frac{B^2}{4}+(C+D+E+F)]\×D_3\×\mathrm{\φ}---\left(a\right)$

其中：

A为膜组件的卷径，单位为mm，

B为无膜片缠绕时中心管外直径，单位为mm，

C为最内圈多层产水流道布所占的面积，单位为mm²，

D为涂有脱盐层的膜片面积，单位为mm²，

E为进水流道布的面积，单位为mm²，

F为产水流道布的面积，单位为mm²，

φ为胶水系数；

所述最内圈多层产水流道布所占的面积C通过公式(b)来确定：

C＝C₁×C₂ (b)

其中：

C₁为进水流道布长度，单位为mm，

C₂为进水流道布厚度，单位为mm；

所述涂有脱盐层的膜片面积D通过公式(c)来确定：

D＝D₁×D₂×D₃ (c)

其中：

D₁为膜片长度，单位为mm，

D₂为膜片厚度，单位为mm，

D₃为膜片页数；

所述进水流道布的面积E通过公式(d)来确定：

E＝E₁×E₂×E₃ (d)

其中：

E₁为进水流道布长度，单位为mm，

E₂为进水流道布厚度，单位为mm，

E₃为进水流道布页数；

所述产水流道布的面积F通过公式(e)来确定：

F＝F₁×F₂×F₃ (e)

其中：

F₁为产水流道布长度，单位为mm，

F₂为产水流道布厚度，单位为mm，

F₃为产水流道布页数；

(2)、其次将步骤(1)得到的胶水系数代入公式(f)来确定胶水的理想厚度：

2b＝φ×N (f)

其中：

2b为胶水的理想厚度，单位为mm，

φ为胶水系数，

N为涂胶长度，单位为mm；

(3)、最后将步骤(2)得到的胶水的理想厚度代入公式(g)来确定胶水体积用量：

$G=\frac{{(2b-{2F}_2)}^3}{{30\mathrm{\η}}_0}\ln t---\left(g\right)$

其中：

G为胶水的体积，单位为mL，

2b为胶水的理想厚度，单位为mm，

F₂为产水流道布厚度，单位为mm，

η₀为胶水的粘度，单位为Pa·S，

t为胶水从开始反应到成为凝胶的时间；单位为h。

上述方案进一步优选为：

膜元件卷制过程中的优选的控制条件为：收卷压力S＝80psi压力，环境压力1.03MPa，环境湿度H＝30％，环境温度T＝24.5℃；因为经过实践证明，通过上述技术方案得到的胶水系数，并使用其进一步确定的胶水体积用量，在上述控制条件时得到的膜元件的性能最佳。

与现有技术相比，本发明通过全盘考量在无膜片缠绕时中心管外直径、最内圈多层产水流道布的长度、最内圈产水流道布厚度、涂有脱盐层的膜片长度、膜片厚度、膜片页数、进水流道布长度、进水流道布页数、产水流道布长度、产水流道布页数、胶水长度、胶水体积、收卷时的收卷压力、胶水密度、粘度、温度、湿度等相关因素，成功并且完整的将膜元件卷制设计确定下来，通过本发明的方 法可得出最佳胶水使用量，采用本发明卷制成的膜元件较普通胶水涂量的膜元件，膜面积提高的同时还可以节约胶水用量，同时也相当于节约了膜片的使用量，达到了控制成本、提高效率的目的；使得在后续研发组件时的时间成本大幅降低即可完成新的工艺开发。

附图说明

图1是膜元件卷制时的展开示意图

图2是膜元件卷制后的端面示意图

图3为膜元件卷制时的胶线示意图

附图中的标记为：A—膜组件的卷径；B—无膜片缠绕时中心管外直径；C₁—最内圈多层产水流道布长度；C₂—最内圈多层产水流道布厚度；D₁—膜片长度；D₂—膜片厚度；E₁—进水流道布长度、E₂—进水流道布厚度、F₁—产水流道布长度、F₂—产水流道布厚度。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明做进一步的说明，但不作为对本发明的限定。

我们取目标卷径A＝45mm，无膜片缠绕时中心管外直径B＝18mm,最内圈多层产水流道布的长度C₁＝133mm、最内圈产水流道布厚度C₂＝10mil＝0.254mm、涂有脱盐层的膜片长度D₁＝1856mm、膜片厚度D₂＝1.4mm、膜片页数D₃＝1、进水流道布长度E₁＝956mm、进水流道布厚度E₂＝31mil＝0.7874mm、进水流道布页数E₃＝1、产水流道布长度F₁＝1258mm、产水流道布厚度F₂＝10mil＝0.254mm、产水流道布页数F₃＝1，收卷压力S＝80psi，环境湿度H＝30％，环境温度T＝24.5℃时。

则按照公式所示， $\mathrm{\π}\frac{A^2}{4}=[\mathrm{\π}\frac{B^2}{4}+(C+D+E+F)]\×D_3\×\mathrm{\φ}$

可以求得 $\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}(A^2/4)}{[\mathrm{\π}(B^2/4)+(C+D+E+F)]\×D_3}=0.4138$

胶水量及胶水比例的确定：

此例中，我们的胶水系数为0.4138，我们用此系数乘以涂胶长度(N＝932mm)，得到2b＝385.66。其中2b为胶水理想厚度。考虑到产水流道布的厚度太小，我们在此(2b)的基础上减去产水流道布所占空间(2×0.254mm)，得到胶水的实际厚度，所选双组份聚氨酯胶水粘度为53400Pa·S，胶水凝胶化时间为24小时。如此我们得到 $G=\frac{{(2b-{2F}_2)}^3}{{30\mathrm{\η}}_0}\ln t=\frac{{385.152}^2}{30\×57800}\×\ln 24=104.7,$ 即在此种条件下，我们只需用104.7ml胶水便可完成膜元件的卷制。

现阶段生产方式一般为避免膜元件出现泄漏情况，厂家选择尽量多的涂胶，这种做法显著增加了成本，造成了浪费；而采用我们的方法，即在保证膜元件相关性能(热稳定性、膜片及胶水的内应力平衡等)的同时，能大幅减少胶水的用量。经实验证明，随着膜元件运行时间的增长，在相关参数一致的情况下(通量降低50％)，对比一般方法与创新方法，膜元件外观无明显差异性变化，而此时膜元件也无正常使用价值了；也就是说本方法中使用的胶水量完全能够满足膜元件在强度方面的要求，在膜性能下降或者达到使用寿命时，膜各层之间的连接还是稳固的，而不会出现由于胶水用量的减少而导致膜的性能下降。取除胶水涂胶方式以外工艺参数皆相同的膜元件进行对比，得到如下数据：

普通方法涂胶所得到的膜的膜面积(ft2)	4.08
		采用本发明得到的膜的膜面积(ft2)	4.57

膜面积增加百分比(％)

12

若与原来手工无序操作时涂胶的量的对比，则得到如下数据：

普通方法所使用的胶的体积(mL)	125.6
		采用本发明所使用的胶的体积(mL)	104.7
减少使用胶水百分比(％)	16.64

由此可知，对于同样规格的膜片，通过本发明的方法可得出最佳胶水使用量，采用本发明卷制成的膜元件较普通胶水涂量的膜元件，膜面积可提高12％以上，胶水使用量也可节约16.64％。同时也相当于节约了膜片的使用量，达到了控制成本、提高效率的目的。并且本领域技术人员应当理解，以上实施例仅仅是本发明的一个典型实施例，在不超出或不偏离本发明保护范围的情况下，本发明的技术方案及其实施方式有多种修饰、改进或等价变化，这些均应落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种膜元件卷制过程中胶水体积用量的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、首先分别采集公式（b）—（e）计算所需要的数据，然后运算公式（b）—（e），将计算得到的数据代入公式（a）确定胶水系数：

（a）

其中：

A为膜组件的卷径，单位为mm，

B为无膜片缠绕时中心管外直径，单位为mm，

C为最内圈多层产水流道布所占的面积，单位为，

D为涂有脱盐层的膜片面积，单位为，

E为进水流道布的面积，单位为，

F为产水流道布的面积，单位为，

为胶水系数；

所述最内圈多层产水流道布所占的面积C通过公式（b）来确定：

（b）

其中：

为进水流道布长度，单位为mm，

为进水流道布厚度，单位为mm；

所述涂有脱盐层的膜片面积D通过公式（c）来确定：

（c）

其中：

为膜片长度，单位为mm，

为膜片厚度，单位为mm，

为膜片页数；

所述进水流道布的面积E通过公式（d）来确定：

（d）

其中：

为进水流道布长度，单位为mm，

为进水流道布厚度，单位为mm，

为进水流道布页数；

所述产水流道布的面积F通过公式（e）来确定：

（e）

其中：

为产水流道布长度，单位为mm，

为产水流道布厚度，单位为mm，

为产水流道布页数；

（2）、其次将步骤（1）得到的胶水系数代入公式（f）来确定胶水的理想厚度：

2b=×N （f）

其中：

2b为胶水的理想厚度，单位为mm，

为胶水系数，

N为涂胶长度，单位为mm；

（3）、最后将步骤（2）得到的胶水的理想厚度代入公式（g）来确定胶水体积用量：

（g）

其中：

G为胶水的体积，单位为mL，

2b为胶水的理想厚度，单位为mm，

为产水流道布厚度，单位为mm，

为胶水的粘度，单位为，

t为胶水从开始反应到成为凝胶的时间；单位为h。

2.根据权利要求1所述的膜元件卷制过程中胶水体积用量的确定方法，其特征在于，膜元件卷制过程中的控制条件为：收卷压力S=80psi，环境压力1.03MPa，环境湿度H=30%，环境温度T=24.5℃。