CN105084463B - 一种中空纤维溶氧膜及其组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中空纤维溶氧膜，其组份中包括有高分子聚合物、溶氧剂及传氧剂等，通过热致相法或溶液相转移的方法制备。本发明还公开了曝气组件，包括前述中空纤维溶氧膜制成的膜丝及至少一气母管，膜丝弯曲形成U型结构且两末端分别与气母管导通，氧气由气母管进入膜丝的内腔中，并由其微孔向水中扩散。本发明的中空纤维溶氧膜降低了曝气的气泡在水中形成的致密水膜的阻力，促进了气液传氧，加快了氧气溶解在水中的速度，氧气利用率高，能耗低。

Description

一种中空纤维溶氧膜及其组件

技术领域

本发明涉及污水及废水处理领域，具体涉及一种中空纤维溶氧膜及其组件。

背景技术

在废水和污水处理过程中，生化处理是十分重要的一个环节。其中好氧生化处理是通过曝气装置将空气中的氧强制向污废水中转移以提高水中溶解氧的浓度，从而保证污泥液中好氧微生物在有足够溶解氧的条件下对污水中有机物进行氧化分解，以去除水中杂质，达到净化水质的目的。

曝气系统是污废水处理过程中最大的耗能环节，约占总能耗的50-70％，因而提高曝气装置的充氧性能是降低能耗最为有效的方式。现有的曝气装置种类很多，如散流式曝气器、管式曝气器、金山型曝气器等，多是在圆盘上或者管上通过机械加工成孔，由于结构的限制，其曝气孔的孔径最小只能达到100um左右，形成的气泡较大，充氧性能差，氧的利用率和动力效率低，能耗高。

中空纤维膜是外形像纤维状，具有自支撑作用的膜，膜壁微孔密布，孔径可达到几个到几十个微米，广泛应用于污水处理、饮用水净化、中水回用、食品加工、生物医药等各领域的过滤或分离。现有的中空纤维膜在应用于氧的传质时，气液传氧阻力大，氧溶解的速度低，溶氧效率差，这阻碍了其在曝气领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种中空纤维溶氧膜及其组件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种中空纤维溶氧膜，其原料包括以下重量份配比的组份：高分子聚合物20-80份、溶氧剂1-10份、传氧剂1-10份、高沸点稀释剂10-80份及成孔剂2-30份，其制备方法为：将各组份混合后于双螺杆挤出机在温度150-250℃、压力5～20bar下混合塑化热熔形成粘稠物，挤出形成中空纤维膜并冷却定型，其内腔中通压缩空气或所述高沸点稀释剂、将形成的中空纤维膜于分离槽中分离出所述高沸点稀释剂及成孔剂；或

其原料包括以下组份按重量份配比：高分子聚合物12-40份、溶氧剂1-10份、传氧剂1-10份、溶剂50-86份及成孔剂2-30份，其制备方法为：将所述组份混合后于50-100℃下加热形成均相液态、通过纺丝的方式形成中空纤维膜，其内腔中通纯水或纯水与溶剂的混合液，将形成的中空纤维膜于凝固槽中分离出所述溶剂及成孔剂；

其中所述溶氧剂是煤油、石蜡或含氟碳化物中的至少一种。

优选的，所述高分子聚合物是聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚砜、聚氯乙烯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚苯硫醚、聚氨酯、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。

优选的，所述传氧剂是烷烃、油酸、豆油、甲苯、松节油中的至少一种。

优选的，所述高沸点稀释剂是甲苯、二甲苯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯中的至少一种。

优选的，所述溶剂是二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯、二甲基亚砜、丁酮、四氢呋喃中的至少一种。

优选的，所述成孔剂是丙三醇、聚乙二醇、氯化锂、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。

优选的，所述中空纤维溶氧膜的内径是0.2-1.5mm，壁厚是0.1-0.2mm，孔径小于0.3um。

一种中空纤维膜溶氧膜组件，包括若干上述中空纤维溶氧膜制成的膜丝及至少一气母管，所述膜丝弯曲形成U型结构且两末端分别与所述气母管导通；氧气由所述气母管进入所述膜丝的内腔中，并由其微孔向外扩散。

优选的，所述膜丝沿所述气母管的外周圈排布；多个所述气母管依次串接相通以形成过气通道，过气通道的一端与进气装置连通，另一端通过堵头封闭。

优选的，所述膜丝沿轴向平行排列于所述气母管两侧形成膜片，膜片的末端通过限位结构固定。

优选的，还包括一三通接头，三通接头一端与进气装置连通，另外两端分别连接所述气母管，气母管末端通过堵头封闭。

优选的，所述气母管的壁体上设置有与所述膜丝配合的穿孔，所述膜丝的两末端穿过所述穿孔并通过胶黏剂固定于所述气母管内。

优选的，还包括配合于所述气母管轴向上的支杆，所述膜丝两末端通过胶黏剂固定于所述气母管内部，弯曲端固定于支杆的末端，并依次沿支杆的外周排列形成柱状结构。

优选的，还包括至少一多接头管件，其各接头分别连接一所述气母管；所述多个多接头管件依次串接相通以形成过气通道，过气通道的一端与进气装置连通，另一端通过堵头封闭。

本发明的有益效果是：

1.中空纤维溶氧膜中含有溶氧剂和传氧剂，降低了曝气的气泡在水中形成的致密水膜的阻力，促进了气液传氧，加快了氧气溶解在水中的速度，进而提高水中溶解氧的浓度，氧气利用率高，曝气能耗低；生产工艺简单，原料可用范围广，成本低，适于实际生产应用。

2.中空纤维溶氧膜形成U型的气通道并与气母管相通，其微孔结构形成曝气孔，氧气由气母管内腔进入其内腔，并经由微孔形成小气泡进入污水中，整体的气液传质面积大，动力效率高；中空纤维溶氧膜在气母管上具有多种排列方式，空间利用率高，适用于不同的需求。

3.气母管之间可拆卸的串接形成过气通道，曝气范围大，且使用灵活，在单个出现失效时便于更换，节约成本。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种中空纤维溶氧膜及其组件不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明第八实施例单个气母管结构示意图；

图2为本发明第八实施例气母管串接的结构示意图；

图3为本发明第九实施例的结构示意图；

图4为本发明第十实施例单个气母管结构示意图；

图5为本发明第十实施例气母管连接的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的中空纤维溶氧膜原料由以下质量分数的组份组成：20％聚氯乙烯、10％煤油、1％环己烷、49％邻苯二甲酸二辛酯及20％丙三醇。将上述原料混合均匀配成制膜料，通过挤出成型机在150℃下加热熔融形成均一的液相，经中空纤维膜模口挤出后冷却成膜，其内腔通压缩空气使其膨胀保持管状，然后进入液相分离槽中，制膜料中的邻苯二甲酸二辛酯、丙三醇等分离进入槽中，得到了中空纤维溶氧膜。

制得的中空纤维溶氧膜的内径是0.2mm，壁厚是0.1mm，孔径0.25um，具有高溶氧性、高强度及高气通量的特点。

实施例2

本实施例的中空纤维溶氧膜原料由以下质量分数的组份组成：40％聚丙烯腈、7％煤油及石蜡的混合物、10％油酸、30％邻苯二甲酸二丁酯及13％聚乙二醇。将上述原料混合均匀配成制膜料，通过挤出成型机在200℃下加热熔融形成均一的液相，经中空纤维膜模口挤出后冷却成膜，其内腔充满邻苯二甲酸二辛酯作为芯液使其膨胀保持管状，然后进入液相分离槽中，制膜料中的邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇等分离进入槽中，得到了中空纤维溶氧膜。

制得的中空纤维溶氧膜的内径是0.4mm，壁厚是0.13mm，孔径0.22um，具有高溶氧性、高强度及高气通量的特点。

实施例3

本实施例的中空纤维溶氧膜原料由以下质量分数的组份组成：60％聚氨酯、1％氯氟烃、7％油酸及乙烷混合物、20％二甲苯及12％聚乙烯吡咯烷酮。将上述原料混合均匀配成制膜料，通过挤出成型机在280℃下加热熔融形成均一的液相，经中空纤维膜模口挤出后冷却成膜，其内腔充满邻苯二甲酸二辛酯作为芯液使其膨胀保持管状，然后进入液相分离槽中，制膜料中的二甲苯、聚乙烯吡咯烷酮等分离进入槽中，得到了中空纤维溶氧膜。

制得的中空纤维溶氧膜的内径是0.35mm，壁厚是0.14mm，孔径0.3um，具有高溶氧性、高强度及高气通量的特点。

实施例4

本实施例的中空纤维溶氧膜原料由以下质量分数的组份组成：80％聚苯硫醚及聚甲基丙烯酸甲酯的混合物、4％石蜡、4％甲苯、10％邻苯二甲酸二丁酯及2％丙三醇。将上述原料混合均匀配成制膜料，通过挤出成型机在350℃下加热熔融形成均一的液相，经中空纤维膜模口挤出后冷却成膜，其内腔充满二甲苯作为芯液使其膨胀保持管状，然后进入液相分离槽中，制膜料中的邻苯二甲酸二丁酯、丙三醇等分离进入槽中，得到了中空纤维溶氧膜。

制得的中空纤维溶氧膜的内径是0.6mm，壁厚是0.18mm，孔径0.13um，具有高溶氧性、高强度及高气通量的特点。

实施例5

本实施例的中空纤维溶氧膜原料由以下质量分数的组份组成：12％聚醚砜、10％石蜡、1％甲苯、53％二甲基乙酰胺及24％丙三醇。将上述组份混合搅拌、加热至60℃使其溶解均匀，通过中空纤维膜纺丝机模口压出，其内腔充满纯水作为芯液使其膨胀保持管状，然后进入凝固槽中使二甲基乙酰胺、丙三醇等分离进入槽中，，得到中空纤维溶氧膜。

制得的中空纤维溶氧膜的内径是0.8mm，壁厚是0.1mm，孔径0.23um，具有高溶氧性、高强度及高气通量的特点。

实施例6

本实施例的中空纤维溶氧膜原料由以下质量分数的组份组成：28％聚砜、5％煤油、10％油酸和豆油的混合物、55％N-甲基吡咯烷酮及2％氯化锂。将上述组份混合搅拌、加热至100℃使其溶解均匀，通过中空纤维膜纺丝机模口压出，其内腔充满纯水作为芯液使其膨胀保持管状，然后进入凝固槽中使N-甲基吡咯烷酮、氯化锂等分离进入槽中，，得到中空纤维溶氧膜。

制得的中空纤维溶氧膜的内径是1.3mm，壁厚是0.16mm，孔径0.2um，具有高溶氧性、高强度及高气通量的特点。

实施例7

本实施例的中空纤维溶氧膜原料由以下质量分数的组份组成：40％聚醚砜及聚酯及聚酰胺的混合物、1％石蜡、5％甲苯、50％二甲基甲酰胺及4％聚乙二醇。将上述组份混合搅拌、加热至85℃使其溶解均匀，通过中空纤维膜纺丝机模口压出，其内腔充满纯水作为芯液使其膨胀保持管状，然后进入凝固槽中使二甲基甲酰胺、聚乙二醇等分离进入槽中，，得到中空纤维溶氧膜。

制得的中空纤维溶氧膜的内径是1.5mm，壁厚是0.2mm，孔径0.3um，具有高溶氧性、高强度及高气通量的特点。

实施例8

环状曝气组件，应用于曝气池中作为曝气装置，参考图1，包括数个如上述实施例的中空纤维溶氧膜形成的膜丝110和气母管120。气母管120的壁体上设置有与膜丝110配合的穿孔121，膜丝110弯曲成U型，两个末端穿过穿孔121并通过胶黏剂130固定于气母管120内并与气母管120导通，弯曲端是自由端状态。多个膜丝110沿气母管120的周圈排布形成环形层状结构，具体可以是单层或者多层。

参考图2，多个气母管120之间通过连接管140串接相通形成过气通道，过气通道的一端与进气装置连通，另一端通过堵头封闭，氧气由进气装置通过气母管120传送进入膜丝110内部，并经由膜壁上的微孔形成小气泡进入污水中，增加水中溶氧量。

本实施例的环状组件膜丝在水中上浮，其U型结构的弯曲端自由度高，便于紊流，强化了氧气从气液界面的液侧转移污泥液本体的传质。

实施例9

片式曝气组件，参考图3，包括数个如实施例1-7的中空纤维溶氧膜形成的膜丝210及气母管220。膜丝210弯曲成U型，两个末端穿过气母管220的壁体并通过胶黏剂固定于气母管220内并与气母管220导通。多个膜丝210沿轴向平行排布于气母管220两侧形成相对的两个膜片，膜片的末端(即膜丝210的弯曲端)通过与气母管220固定的限位框230固定以保持平铺的状态并防止膜丝210交缠。

本实施例中，还包括三通接头240，三通接头240的一端与进气管250连通，另外两端分别连接一气母管220，气母管220的另一末端通过堵头260封闭。氧气由进气管250通过三通接头240分别通向两侧的气母管220，在气压作用下进入膜丝210内部，并经由膜壁上的微孔形成小气泡进入污水中，增加水中溶氧量。

本实施例的片式组件区域溶解氧的浓度高且集中，适用于好氧区域和厌氧区域交叉设置的反应池。

实施例10

柱式曝气组件，参考图4，包括数个如实施例1-7的中空纤维溶氧膜形成的膜丝310、气母管320及支杆330。支杆330配合固定于气母管320轴向上。膜丝310弯曲成U型，两个末端通过胶黏剂固定于气母管320内部并与气母管320导通，弯曲端固定于支杆330的末端。数个膜丝310依次沿支杆的外周排列形成柱状结构。

多个气母管320之间通过多接头管件340组合。多接头管件340的管壁上设置有若干个接头341，每一个接头341连接一气母管320，形成以气母管320为中心的发射结构。多个多接头管件340通过连接管350依次串接连通形成过气通道，过气通道的一端与进气装置连通，另一端通过堵头封闭。氧气经由多接头管件340传送至气母管320，在气压作用下进入膜丝310内部，并经由膜壁上的微孔形成小气泡进入污水中，增加水中溶氧量。

本实施例的柱式组件结构紧凑，连接灵活，具有广泛的应用。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种中空纤维溶氧膜及其组件，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种中空纤维溶氧膜，其特征在于：

其原料包括以下重量份配比的组份：高分子聚合物20-80份、溶氧剂1-10份、传氧剂1-10份、高沸点稀释剂10-80份及成孔剂2-30份，其制备方法为：将各组份混合后于双螺杆挤出机在温度150-250℃、压力5～20bar下混合塑化热熔形成粘稠物，挤出形成中空纤维膜并冷却定型，其内腔中通压缩空气或所述高沸点稀释剂、将形成的中空纤维膜于分离槽中分离出所述高沸点稀释剂及成孔剂；或

其原料包括以下组份按重量份配比：高分子聚合物12-40份、溶氧剂1-10份、传氧剂1-10份、溶剂50-86份及成孔剂2-30份，其制备方法为：

将所述组份混合后于50-100℃下加热形成均相液态、通过纺丝的方式形成中空纤维膜，其内腔中通纯水或纯水与溶剂的混合液，将形成的中空纤维膜于凝固槽中分离出所述溶剂及成孔剂；

其中所述溶氧剂是煤油或含氟碳化物中的至少一种；所述传氧剂是烷烃、油酸、甲苯、松节油中的至少一种；

其中所述中空纤维溶氧膜的内径是0.2-1.5mm，壁厚是0.1-0.2mm，孔径小于0.3um。

2.根据权利要求1所述的中空纤维溶氧膜，其特征在于：所述高分子聚合物是聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚砜、聚氯乙烯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚苯硫醚、聚氨酯、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的中空纤维溶氧膜，其特征在于：所述高沸点稀释剂是甲苯、二甲苯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯中的至少一种；所述溶剂是二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯、二甲基亚砜、丁酮、四氢呋喃中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的中空纤维溶氧膜，其特征在于：所述成孔剂是丙三醇、聚乙二醇、氯化锂、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。

5.一种中空纤维膜溶氧膜组件，其特征在于：包括若干如权利要求1至4任一项所述的中空纤维溶氧膜制成的膜丝及至少一气母管，所述膜丝弯曲形成U型结构且两末端分别与所述气母管导通；氧气由所述气母管进入所述膜丝的内腔中，并由其微孔向外扩散。

6.根据权利要求5所述的组件，其特征在于：所述膜丝沿所述气母管的外周圈排布；多个所述气母管依次串接相通以形成过气通道，过气通道的一端与进气装置连通，另一端通过堵头封闭。

7.根据权利要求5所述的组件，其特征在于：所述膜丝沿轴向平行排列于所述气母管两侧形成膜片，膜片的末端通过限位结构固定；还包括一三通接头，三通接头一端与进气装置连通，另外两端分别连接所述气母管，气母管末端通过堵头封闭。

8.根据权利要求6或7所述的组件，其特征在于：所述气母管的壁体上设置有与所述膜丝配合的穿孔，所述膜丝的两末端穿过所述穿孔并通过胶黏剂固定于所述气母管内。

9.根据权利要求5所述的组件，其特征在于：还包括配合于所述气母管轴向上的支杆，所述膜丝两末端通过胶黏剂固定于所述气母管内部，弯曲端固定于支杆的末端，并依次沿支杆的外周排列形成柱状结构。

10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于：还包括至少一多接头管件，其各接头分别连接一所述气母管；所述多个多接头管件依次串接相通以形成过气通道，过气通道的一端与进气装置连通，另一端通过堵头封闭。