CN105664720A - 一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池及膜浓缩系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池，其包括池体和多个平板膜元件，其中各平板膜元件间隔设置在池体中；池体连接原水输入管和浓水输出管；平板膜元件包括柱状电极组件、渗透膜和平板框架，平板框架的两面安装渗透膜，渗透膜之间设置柱状电极组件；柱状电极组件包括两片分别连接交流电源不同输出端且相互绝缘的电极板，两片电极板的带有柱状突起的突起面相对扣合；平板框架上设置有连通两渗透膜之间产水腔的产水出口，各平板膜元件的产水出口连接产水输出管。本发明还涉及一种使用柱状介电电泳电极平板膜池的膜浓缩系统。本发明低成本无污染的优点，本发明膜浓缩系统具有分级处理，能够输出不同品级、不同用途的产水的优点。

Description

一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池及膜浓缩系统

技术领域

本发明涉及一种污水处理设备，特别涉及一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池及膜浓缩系统。

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固液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、溶质分子沉积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。

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。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术的不足，提出一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池，及使用该平板膜池的膜浓缩系统。通过在孔板电极组上施加交流电，从而在介电电泳电极以及渗透膜的附近产生不匀称电场，从而将附着的污染物移离渗透膜表面，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。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池，其特征在于：它包括池体和多个平板膜元件，其中各所述平板膜元件间隔设置在池体中；所述池体连接原水输入管和浓水输出管；所述平板膜元件包括柱状电极组件、渗透膜和平板框架，平板框架的前、后两面安装渗透膜，所述渗透膜之间设置柱状电极组件；所述柱状电极组件包括第一电极板及第二电极板，在第一电极板、第二电极板上均分布设置有柱状突起和孔位，第一电极板的柱状突起及孔位与第二电极板的孔位及柱状突起位置互补；第一电极板与第二电极板的带有柱状突起的突起面相对扣合后，其中一电极板的柱状突起嵌入至另一电极板的孔位之内；第一电极板和第二电极板分别连接高频交流电源的不同输出端，在第一电极板和第二电极板的非突起面上形成向外发射非均电场的作用面；所述平板框架上设置有连通两渗透膜之间产水腔的产水出口，各平板膜元件的产水出口连接一产水输出管。

所述的第一电极板和第二电极板的表面具有绝缘层。

所述的第一电极板、第二电极板的突起面相对扣合后，其中一电极板所制的柱状突起的顶端与另一电极板的非突起面齐平。

所述的第一电极板、第二电极板采用金属薄板或薄片冲压成型，其上成型的柱状突起和孔位形成相互交错的阵列分布。

所述的相互交错的阵列分布方式为：第一电极板的第n行的第奇数位置和第n+1行的第偶数位置为柱状突起，第n行的第偶数位置和第n+1行的第奇数位置为孔位；第二电极板的柱状突起和孔位则与第一电极板的孔位和柱状突起位置对应。

所述的相互交错的阵列分布方式为：第一电极板的第n行均为柱状突起或孔位，第n+1行均为孔位或柱状突起；第二电极板的柱状突起和孔位则与第一电极板的孔位和柱状突起位置对应。

所述的第一电极板、第二电极板的板厚相同；所述柱状突起的横截面直径≤2.5mm；所述柱状突起与孔位为间隙配合，配合间隙不大于单边0.2mm。

一种使用平板膜池的膜浓缩系统它还包括预处理装置、反渗透系统和超临界系统，预处理装置的出口连接平板膜池的原水输入管，平板膜池的产水输出管的部分或全部连接反渗透系统的入口；平板膜池的浓水输出管和反渗透系统的浓水输出管连接超临界系统的物料入口。

所述反渗透系统中反渗透膜之间为产水腔，所述产水腔中设置柱状电极组件。

所述超临界系统中包括反应釜，所述反应釜上部的超临界蒸汽输出端依次连接换热系统、压力能回收系统和气液分离系统。

所述气液分离系统的液体输出管输出纯水、所述反渗透系统的产水输出管输出直饮水、所述平板膜池的产水输出管输出生活用水。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的平板膜池，包括池体和多个平板膜元件，其中各平板膜元件间隔设置在池体中，平板膜元件包括柱状电极组件、渗透膜和平板框架，通过在孔板电极组上施加交流电，从而在介电电泳电极以及渗透膜的附近产生不匀称电场，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。与工业中经常使用的反冲洗技术相比，无须添加额外物质例如化学药剂或大量的水，低成本无污染；在使用时无需停机即可实现对膜的去污解堵。

2、本发明的平板膜池，平板膜元件使用柱状电极组件，柱状电极组件的不同电极板的柱状突起和孔位相互配合，共同构成一个发射非均电场的工作单元体，在高频交变电流作用下，工作单元体处的表面大曲率使得工作单元体所在区域的面电荷密度增高，其所在区域的不均场强随之增强；柱状突起作为发射端点与贯通电极板的孔位共同构成的工作单元体为开放式对外结构，发射的非均电场均穿过电极板到达表面之外，而不是将电场封闭在两电极板之间，不能有效发挥非均电场的介电电泳效应，造成浪费。同时，相对于传统介电电泳电极的面发射而言，柱状突起能形成尖端发射点，在作用面之外形成的电场中的介电电泳力更强。

3、本发明的平板膜池，平板膜元件使用柱状电极组件，柱状电极组件的外部包裹渗透膜，在不同频率和不同电压的交流电下产生不同的非均电场的介电电泳效应，根据所要处理的液体特性选择对应频率、电压的交流电源产生的对应介电力使液体中的微粒，在非均匀电场中的介电电泳作用下使得那些可通渗透膜虑孔的微小颗粒极化团聚成连，增大其体积，并向电场强度减弱的方向运动，使得这些需处理的物质与过滤模表面保持一定的净距离，从而增强渗透膜的过滤能力，并实现减弱甚至防止渗透膜的浓差极化效应，降低膜表面结垢堵塞，延长渗透膜的使用寿命。同时，介电电泳所具有的电渗效应使水分子产生定向透过膜的移动现象，增加水分子通过效率，从而提高对所处理物质的处理速率。

4、本发明的平板膜池，平板膜元件使用柱状电极组件，通过在孔板式介电电泳电极组上施加交流电，从而在介电电泳电极以及渗透膜的附近产生非均匀电场，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。与工业中经常使用的反冲洗技术相比，无须添加额外物质例如化学药剂或大量的水，低成本无污染；在使用时无需停机即可实现对膜的去污解堵。

5、本发明的使用平板膜池的膜浓缩系统，优点在于可实现对产水的分级处理，在同一系统中能够输出不同品级、不同用途的产水：平板膜池过滤出的产水可进行生产生活级别的应用；平板膜池输出的一部分产水进入反渗透系统中进行再次过滤，输出的产水可达到直饮的标准；超临界系统输出的超临界蒸汽通过热能回收、压力能回收和气液分离之后，液化的水是纯水，可以满足各种应用要求。

附图说明

图1是本发明的平板膜池结构示意图；

图2是本发明的平板渗透膜元件的内部结构示意图；

图3是本发明的平板渗透膜元件的外部结构示意图；

图4是本发明的膜浓缩系统结构示意图；

图5是本发明的柱状电极组件的两块电极板的组合前相对位置示意图；

图6是本发明的柱状电极组件的两块电极板的组合前相对位置立体结构示意图；

图7是本发明的柱状电极组件的单块电极板的结构剖面图；

图8是本发明的柱状电极组件的单块电极板的立体结构示意图；

图9是本发明的柱状电极组件的两块电极板的组合后剖视图；

图10是本发明的柱状电极组件的两块电极板的组合后相对位置立体结构示意图；

图11是本发明的柱状电极组件在通电前的粒子分布状态示意图；

图12是本发明的柱状电极组件在通电后的粒子分布状态示意图；

图13是本发明的柱状电极组件在通电后产生的不均电场的电场强度等值线。

附图标记说明

1-池体、2-平板膜元件、3-柱状电极组件、4-渗透膜、5-平板框架、6-电源转接头、7-导流布、8-产水腔、9-产水出口、10-超临界系统、11-格栅、12-沉砂池、13-产水箱、14-保安过滤器、15-高压输送泵、16-反渗透膜堆、17-产水输出管、18-浓水输出管、19-原水输入管、20-第一电极板、21-第二电极板、22-柱状突起、23-孔位、24-作用面。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的使用柱状介电电泳电极的平板膜池，包括池体1和平板膜元件2，其中池体1为能容纳污水和多个平板膜元件2的槽，可埋设在地表下以节省空间，池体1上分别连接原水输入管19和浓水输出管18。各平板膜元件2并联在一交流电源上，形成平板膜堆，之后将平板膜堆设置在池体1中，通过产水输出管17向外输出产水，浓水留在池体1中，再通过浓水输出管18输出。

如图2、3所示，平板膜元件2包括柱状电极组件3、渗透膜4、平板框架5，平板框架5的前、后两面采用压塑方式安装渗透膜4，两渗透膜4之间为产水腔8，柱状电极组件3设置在产水腔8内。两电极板外侧与两渗透膜之间分别设置导流布7；平板框架5的侧边上设置有连通产水腔8的产水出口9。所有平板膜元件2的产水出口9共同连接产水输出管19。平板框架5优选ABS材料，平板框架5与渗透膜4的安装结构为可更换渗透膜的夹层平板结构，当渗透膜4破损时可更换，结构元件重复利用。两电极板通过平板框架5上设置的电源转接头6连接交流电源的不同输出端形成电极组，在周围产生非匀称电场。

如图4所示，本发明的膜浓缩系统包括上述的平板膜池、预处理装置、反渗透系统和超临界系统10，预处理装置、平板膜池、反渗透系统依次连接；平板膜池的浓水输出管连接超临界系统10的物料入口，平板膜池的产水输出管19连接反渗透系统的入口；反渗透系统的产水输出管向外输出清水，反渗透系统的浓水输出管连接超临界系统10的物料入口。其中预处理装置包括依次连接的格栅11和沉砂池12，污水进入格栅的入口，沉砂池12的出口连接平板膜池的入口；反渗透系统包括依次连接的产水箱13、保安过滤器14、高压输送泵15和反渗透膜堆16。

污水经过预处理后进入平板膜池，平板膜池使用内置柱状电极组件3的平板膜元件2。平板膜元件2的产水输出管连接反渗透系统中的产水水箱13入水口，通过保安过滤器14和高压泵15打入反渗透膜堆16进行二次浓缩，进一步提高产水质量，把平板膜元件2的产水由一级A标准提高到中水回用标准。由反渗透膜堆16和平板膜池产生的浓水进入超临界系统10中焚烧，产生超临界蒸汽和浓盐水，超临界蒸汽可进行能量化回用，浓盐水直接回收，不产生二次污染。

反渗透膜堆16也可采用介电电泳技术，在两反渗透膜之间的产水腔内设置与平板膜元件2相同的柱状电极组件，相比传统的反渗透膜，具有更高的抗污染性，可免清洗，减少膜运行和维护费用。

本发明的另一特征在于对产水的分级处理，在同一系统中能够输出不同品级、不同用途的产水：平板膜池过滤出的产水可进行生产生活级别的应用；平板膜池输出的一部分产水进入反渗透系统中进行再次过滤，输出的产水可达到直饮的标准；超临界系统10输出的超临界蒸汽通过热能回收、压力能回收和气液分离之后，液化的水是纯水，可以满足各种应用要求。

如图5、图6所示，本发明的柱状电极组件1包括第一电极板20、第二电极板21，第一电极板20和第二电极板21均为片状结构，其上均设置柱状突起22和孔位23，位于一电极板上的柱状突起22的形状尺寸与位于另一电极板上的孔位23的形状尺寸相配合，柱状突起22的高度与电极板的厚度一致。第一电极板20和第二电极板21外表面具有绝缘层，第一电极板20的柱状突起22和第二电极板21的孔位23的位置互补，反之亦然。

如图9、图10所示，安装时，第一电极板20、第二电极板21的突起面相对扣合，使第一电极板20的柱状突起22插入第二电极板21的孔位23之内，第二电极板21的柱状突起22插入第一电极板20的孔位23之内，两板的柱状突起22与孔位23配合为同心配合。第一电极板20的柱状突起22顶端与第二电极2的非突起面外表面平齐，第二电极板21的柱状突起22顶端与第一电极1的非突起面外表面平齐。

第一电极板20和第二电极板21分别连接高频交流电源的不同输出端，通电时，在柱状突起22的周围形成一个发射非均电场的工作单元体。则介电电泳电极结构具有两个分布工作单元体的作用面24。根据所需处理的液体内颗粒自身特性，可变更柱状突起22和孔位23所组成的工作单元的横截面直径，和工作单元之间的间距距离，在介电电泳电极结构的两个作用面24上分布不均电场，实现对目标颗粒的在整个净化、分离、浓缩工作面上的高效工作处理。

第一电极板、第二电极板的板厚相同；柱状突起的横截面直径≤2.5mm；柱状突起与孔位为间隙配合，配合间隙不大于单边0.2mm。

如图7、图8所示，以第一电极板20为例，第一电极板20通过一金属薄板或薄片冲压成型，其上的柱状突起22和孔位23呈相互交错的分布阵列。其分布方式包括：

1)第n行的第奇数位置和第n+1行的第偶数位置为柱状突起22，第n行的第偶数位置和第n+1行的第奇数位置为孔位23。使柱状突起22相邻的4个位置上均为与之相异的孔位23，反之孔位23相邻的4个位置上均为与之相异的柱状突起22。当通电时，在介电电泳电极结构的面上形成无方向性的均匀分布的非均电场，即整体均匀分布，但在柱状突起22的周围为非均电场。

2)第n行均为柱状突起22/孔位23，第n+1行均为孔位23/柱状突起22。当通电时，在介电电泳电极结构的面上形成沿柱状突起22与孔位23配合形成的工作单元体分布的非均电场。

其第一电极板与第二电极板为连续的波纹板，并相互扣合。

如图11-图13所示，介电电泳电极结构，第一电极板20、第二电极板21分别连接高频交流电源的不同输出端，交流电相位相差180°。当接通交流电源时，由分别位于第一电极板20和第二电极板21的柱状突起22和孔位23共同构成的工作单元体向外发射非均电场，当交流电源输入的频率不同时，在作用面24上产生正介电电泳效应或负介电电泳效应。如图11所示，第一电极板20和第二电极板21分别连接高频交流电源的不同输出端，通电时，在柱状突起22与孔位23形成的发射非均电场的工作单元体顶部外平面的周围形成一个外放的强电场。

内部设置柱状电极组件3的平板膜元件2的工作过程是：

本发明所涉及的平板渗透膜元件2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2、图3所示，废水经过渗透膜4的表面，在渗透膜4内的柱状电极组件3提供介电电泳力所需的不匀称电场。当废水中固体颗粒靠近渗透膜4时，在介电电泳力的作用下，固体颗粒向远离渗透膜4的方向移动，如此减少甚至消除膜污染和堵膜得发生；净水通过渗透膜4进入两渗透膜4之间的产水腔8，再通过与产水腔8连通的产水出口9排出。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (11)

1.一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池，其特征在于：它包括池体和多个平板膜元件，其中各所述平板膜元件间隔设置在池体中；所述池体连接原水输入管和浓水输出管；所述平板膜元件包括柱状电极组件、渗透膜和平板框架，平板框架的前、后两面安装渗透膜，所述渗透膜之间设置柱状电极组件；所述柱状电极组件包括第一电极板及第二电极板，在第一电极板、第二电极板上均分布设置有柱状突起和孔位，第一电极板的柱状突起及孔位与第二电极板的孔位及柱状突起位置互补；第一电极板与第二电极板的带有柱状突起的突起面相对扣合后，其中一电极板的柱状突起嵌入至另一电极板的孔位之内；第一电极板和第二电极板分别连接高频交流电源的不同输出端，在第一电极板和第二电极板的非突起面上形成向外发射非均电场的作用面；所述平板框架上设置有连通两渗透膜之间产水腔的产水出口，各平板膜元件的产水出口连接一产水输出管。

2.根据权利要求1所述的一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池，其特征在于：所述的第一电极板和第二电极板的表面具有绝缘层。

3.根据权利要求1所述的一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池，其特征在于：所述的第一电极板、第二电极板的突起面相对扣合后，其中一电极板所制的柱状突起的顶端与另一电极板的非突起面齐平。

4.根据权利要求1所述的一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池，其特征在于：所述的第一电极板、第二电极板采用金属薄板或薄片冲压成型，其上成型的柱状突起和孔位形成相互交错的阵列分布。

5.根据权利要求4所述的一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池，其特征在于：所述的相互交错的阵列分布方式为：第一电极板的第n行的第奇数位置和第n+1行的第偶数位置为柱状突起，第n行的第偶数位置和第n+1行的第奇数位置为孔位；第二电极板的柱状突起和孔位则与第一电极板的孔位和柱状突起位置对应。

6.根据权利要求4所述的一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池，其特征在于：所述的相互交错的阵列分布方式为：第一电极板的第n行均为柱状突起或孔位，第n+1行均为孔位或柱状突起；第二电极板的柱状突起和孔位则与第一电极板的孔位和柱状突起位置对应。

7.根据权利要求1所述的一种使用柱状介电电泳电极的平板膜池，其特征在于：所述的第一电极板、第二电极板的板厚相同；所述柱状突起的横截面直径≤2.5mm；所述柱状突起与孔位为间隙配合，配合间隙不大于单边0.2mm。

8.一种使用如权利要求1～7任意一项所述的平板膜池的膜浓缩系统，其特征在于：它还包括预处理装置、反渗透系统和超临界系统，预处理装置的出口连接平板膜池的原水输入管，平板膜池的产水输出管的部分或全部连接反渗透系统的入口；平板膜池的浓水输出管和反渗透系统的浓水输出管连接超临界系统的物料入口。

9.如权利要求8所述的一种膜浓缩系统，其特征在于：所述反渗透系统中反渗透膜之间为产水腔，所述产水腔中设置柱状电极组件。

10.如权利要求8所述的一种膜浓缩系统，其特征在于：所述超临界系统中包括反应釜，所述反应釜上部的超临界蒸汽输出端依次连接换热系统、压力能回收系统和气液分离系统。

11.如权利要求10所述的一种膜浓缩系统，其特征在于：所述气液分离系统的液体输出管输出纯水、所述反渗透系统的产水输出管输出直饮水、所述平板膜池的产水输出管输出生活用水。