CN105664721A - 一种使用柱状介电电泳电极的平板渗透膜元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用柱状介电电泳电极的平板渗透膜元件，其平板框架的前、后两面安装渗透膜，平板框架内安装柱状电极组件，柱状电极组件的第一电极板、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；两电极板相对扣合后，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，平板框架上设置有产水出口。本发明通在柱状电极组件以及渗透膜的附近产生非均匀电场，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工作效率及产水量。
Description
技术领域
本发明涉及一种在固-液、固-气、液-液混合物中对特定对象的颗粒进行分离和沉降的设备，特别涉及一种使用柱状介电电泳电极的平板渗透膜元件。
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多相(主要于固液，固气和液液等)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、溶质分子或细菌、病毒等的沉积或孳生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。纳滤和反渗透膜等用于液液分离中，由于浓差极化所产生的凝胶层会在膜表面形成一个不可透层，从而极大增大了膜阻力和透过压的要求，这种膜污染可以通过膜清洗而除去，称为可逆污染。
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介电电泳平板渗透膜元件，通过在柱状介电电泳电极上施加交流电，从而在介电电泳电极以及渗透膜的附近产生非均匀电场，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渗透膜元件，其特征在于：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。
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。
所述的第一电极板及第二电极板为波纹板。
所述的第一电极板、第二电极板的外侧与渗透膜之间分别设置导流布。
本发明的优点和有益效果为：
1.本发明的平板渗透膜元件，使用柱状电极组件，柱状电极组件的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。
2.本发明的平板渗透膜元件，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。
3、本发明的平板渗透膜元件，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。
附图说明
图1是本发明的平板渗透膜元件的内部结构示意图；
图2是本发明的平板渗透膜元件的外部结构示意图；
图3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4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5是本发明的柱状电极组件的单块电极板的结构剖面图；
图6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7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8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9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10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11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-柱状电极组件、2-渗透膜、3-平板框架、4-导流布、5-产水出口、6-产水腔、7-电源转接头、8-第一电极板、9-第二电极板、10-柱状突起、11-孔位、12-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、2所示，一种使用柱状介电电泳电极的平板渗透膜元件，包括柱状电极组件1、渗透膜2、平板框架3和导流布4，平板框架3的垂直于水流方向的前、后两面采用压塑方式安装渗透膜2，平板框架3内安装柱状电极组件1。
柱状电极组件1包括两片相互绝缘的电极板。两电极板通过平板框架3上设置的电源转接头7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；两电极板外侧与两渗透膜之间分别设置导流布4；平板框架上设置有连通两渗透膜之间产水腔6的产水出口5。
本实施例的平板框架3优选ABS材料，平板框架3与渗透膜2的安装结构为可更换渗透膜的夹层平板结构，当渗透膜2破损时可更换，结构元件重复利用。两电极板可均绝缘，也可一个绝缘另一个为裸电极；当有一个电极板为裸电极时，该电极板应为耐腐蚀材料，或经过耐腐蚀处理。当交流电源的两输出端之间的相位相差优选180°时，在介电电泳电极以及渗透膜的附近产生非均匀电场；且由于交流电源输入的频率不同，在非均匀电场中产生正介电电泳效应或负介电电泳效应。
如图3、图4所示，本发明的柱状电极组件1包括第一电极板8、第二电极板9，第一电极板8和第二电极板9均为片状结构，其上均设置柱状突起10和孔位11，位于一电极板上的柱状突起10的形状尺寸与位于另一电极板上的孔位11的形状尺寸相配合，柱状突起10的高度与电极板的厚度一致。第一电极板8和第二电极板9外表面具有绝缘层，第一电极板8的柱状突起10和第二电极板9的孔位11的位置互补，反之亦然。
如图7、图8所示，安装时，第一电极板8、第二电极板9的突起面相对扣合，使第一电极板8的柱状突起10插入第二电极板9的孔位11之内，第二电极板9的柱状突起10插入第一电极板8的孔位11之内，两板的柱状突起10与孔位11配合为同心配合。第一电极板8的柱状突起10顶端与第二电极2的非突起面外表面平齐，第二电极板9的柱状突起10顶端与第一电极1的非突起面外表面平齐。
第一电极板8和第二电极板9分别连接高频交流电源的不同输出端，通电时，在柱状突起10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12。根据所需处理的液体内颗粒自身特性，可变更柱状突起10和孔位11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12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5、图6所示，以第一电极板8为例，第一电极板8通过一金属薄板或薄片冲压成型，其上的柱状突起10和孔位11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10，第n行的第偶数位置和第n+1行的第奇数位置为孔位11。使柱状突起10相邻的4个位置上均为与之相异的孔位11，反之孔位11相邻的4个位置上均为与之相异的柱状突起10。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10的周围为非均电场。
2)第n行均为柱状突起10/孔位11，第n+1行均为孔位11/柱状突起10。当通电时，在介电电泳电极结构的面上形成沿柱状突起10与孔位11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可以为连续的波纹板，并相互扣合。
如图9-图11所示，介电电泳电极结构，第一电极板8、第二电极板9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8和第二电极板9的柱状突起10和孔位11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12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8和第二电极板9分别连接高频交流电源的不同输出端，通电时，在柱状突起10与孔位11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。
本发明的工作过程是：
本发明所涉及的平板渗透膜元件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；即在非均匀电场中，固体颗粒被向弱电场方向移动。如图1所示，废水经过渗透膜2的表面，在渗透膜2内的介电电泳电极组件1提供介电电泳力所需的非均匀电场。当废水中固体颗粒靠近渗透膜时2，在介电电泳力的作用下，固体颗粒向远离渗透膜2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2进入两渗透膜2之间的产水腔6，再通过与产水腔6连通的产水出口5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 (9)
1.一种使用柱状介电电泳电极的平板渗透膜元件，其特征在于：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。
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渗透膜元件，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或2所述的一种使用柱状介电电泳电极的平板渗透膜元件，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渗透膜元件，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渗透膜元件，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渗透膜元件，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或2或4或5或6所述的一种使用柱状介电电泳电极的平板渗透膜元件，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.根据权利要求1或2或4或5或6所述的一种使用柱状介电电泳电极的平板渗透膜元件，其特征在于：所述的第一电极板及第二电极板为波纹板。
9.根据权利要求1或2或4或5或6所述的一种使用柱状介电电泳电极的平板渗透膜元件，其特征在于：所述的第一电极板、第二电极板的外侧与渗透膜之间分别设置导流布。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109704442A (zh) * | 2017-10-26 | 2019-05-03 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种用于海水酸化装置的电极板结构 |
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2016
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