CN105935560A - 控制浓差极化层形成的方法、纳滤膜及其制造方法 - Google Patents

控制浓差极化层形成的方法、纳滤膜及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种控制浓差极化层形成的方法，包括：将待过滤的原料液加入具有纳滤膜的过滤池中，所述纳滤膜的表面形成有凹凸的图案；控制原料液在纳滤膜的表面流动并于预定跨膜压力下过滤，在过滤过程中原料液在纳滤膜的表面形成湍流，以防止原料液中的被截留物质沉积在纳滤膜的表面形成浓差极化层。本发明还公开一种基于前述方法的纳滤膜及其制造方法。通过该方案，本发明能够稳定、高效、低成本的控制浓差极化的形成，确保良好的污水处理效果。

Description

控制浓差极化层形成的方法、纳滤膜及其制造方法
技术领域
本发明针对纳滤法深度处理污水中由于膜表面浓差极化造成的通量衰减与膜污染，提出一种控制浓差极化层形成的方法及纳滤膜。
背景技术
随着人口的增长，如何利用有限的资源延续人类的发展已经成为社会必须面对的课题。水资源的污染、短缺和浪费等毁灭性问题正严重威胁着人类的健康。作为开源节流的重要举措，污水以其水量稳定、供给可靠等优点作为第二水源正逐渐进入人们的视线。目前，污水处理主要依赖混凝、过滤、吸附、高级氧化和膜处理技术，其中膜处理技术中的膜分离技术具有占地面积小、无相变化、无二次污染、操作方便等优点，并借助其排泥量少、出水水质优且稳定等优点得以推广应用。但是膜分离过程中产生的浓差极化及其造成的膜通量衰减和膜污染会影响出水水质，并增加运行费用，从而阻碍了其进一步推广。
所谓浓差极化是指随着过滤的持续，溶质或被截留物质在跨膜压差作用下持续向膜表面迁移和累积，在膜表面逐渐形成一浓度层(浓差极化层)，靠近浓度层的水流速度会放缓，水中的胶体粒子和微生物会逐渐迁移、沉积在浓度层里，最后附着在膜表面形成膜污染。浓差极化与膜污染密切关联、相互促进，因此控制浓差极化的发生至关重要。
传统的浓差极化控制措施有开发新型的抗污染膜材、对原料液进行预处理并外加场强化过滤、选择适当的操作条件(包括但不限于溶液的温度、pH值、流速以及操作压)等，这些宏观的控制措施虽然能够在延长浓差极化形成的时间、提高膜的使用寿命等方面具有一定效果，但是并未从根本上防止浓差极化的发生，并且操作成本大，效果不持久，严重的还会增加新的污染物质，影响出水水质。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种稳定、高效、低成本的浓差极化控制方法——膜表面形貌改造法，即通过优化膜本身的形貌，改变膜表面的水力流场，从而实现对浓差极化的控制。
本发明实施例提供的一种控制浓差极化层形成的方法，包括：将待过滤的原料液加入具有纳滤膜的过滤池中，其中纳滤膜的表面形成有凹凸的图案；控制原料液在纳滤膜的表面流动进行过滤，在过滤过程中原料液在纳滤膜的表面形成湍流，以防止原料液中的被截留物质沉积在纳滤膜的表面形成浓差极化层。
可选地，凹凸的预定图案呈波浪形或者沿预设方向排布的锯齿形。
可选地，纳滤膜的材质包括聚偏氟乙烯。
可选地，所述方法还包括：检测过滤过程中的跨膜压力；当跨膜压力达到设定值时，汲取纳滤膜表面的原料液。
本发明实施例提供的一种纳滤膜的制造方法，包括：提供一模板，其上表面具有凹凸的预定图案；在模板的上表面形成一惰性材料溶剂层；在惰性材料溶剂层的表面贴合一衬底基材；将形成有惰性材料溶剂层和衬底基材的模板浸没于沉淀液中，惰性材料溶剂层在预定时间后完全凝固变为纳滤膜，纳滤膜的表面形成有与预定图案相啮合的图案。
可选地，凹凸的预定图案呈波浪形或者沿预设方向排布的锯齿形。
可选地，惰性材料溶剂层的材质包括聚偏氟乙烯。
本发明实施例提供的一种纳滤膜，其表面形成有凹凸的图案。
可选地，凹凸的预定图案呈波浪形或者沿预设方向排布的锯齿形。
可选地，纳滤膜的材质包括聚偏氟乙烯。
本发明实施例的有益效果：纳滤膜的表面具有凹凸的图案，使得污水等原料液会在纳滤膜的表面形成湍流，从而能够防止原料液中的被截留物质沉积在纳滤膜的表面形成浓差极化层，即通过优化纳滤膜本身的形貌，改变纳滤膜表面的水力流场，增加膜表面的水力剪切力，从而稳定、高效、低成本的控制浓差极化的形成，确保良好的过滤效果。
附图说明
图1是本发明的控制浓差极化层形成的方法一实施例的流程图；
图2是本发明的控制浓差极化层形成的装置一实施例的原理图；
图3是本发明的纳滤膜一实施例的结构示意图；
图4是本发明的纳滤膜的制造方法一实施例的流程图；
图5是本发明的纳滤膜的制造方法一实施例的场景示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所提供的各个示例性的实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1是本发明的控制浓差极化层形成的方法一实施例的流程图。如图1所示，本实施例的控制浓差极化层形成的方法包括：
S11：将待过滤的原料液加入具有纳滤膜的过滤池中，其中纳滤膜的表面形成有凹凸的图案；
S12：控制原料液在纳滤膜的表面流动并于预定跨膜压力下过滤，在过滤过程中原料液在纳滤膜的表面形成湍流，以防止原料液中的被截留物质沉积在纳滤膜的表面形成浓差极化层。
所述方法又称为纳滤法(Nanofiltration，简称NF，又称纳米过滤法)，可依赖于图2所示的装置进行污水处理。结合图2所示，过滤装置包括抽吸泵21、进水调节池22以及设置有纳滤膜23的平板膜装置24，具体地纳滤膜23可以夹持于平板膜装置24之中，其中，抽吸泵21用于将污水泵入平板膜装置24中，纳滤膜23用于对污水进行过滤，被过滤的水穿过纳滤膜23的滤孔，抽吸泵21可进一步抽入未被过滤的浓水，并将该浓水泵入进水调节池22中，而后经纳滤膜23再次过滤，从而在纳滤膜23的一侧流出经过过滤后的清水、在另一侧流出被过滤掉的浓水(含有高浓度的污染物的水)，该过程可以连续进行。可选地，上述过滤装置还可以包括压力表241以及流量计25，压力表241用于控制被过滤的水穿过纳滤膜23的跨膜压差，流量计25用于检测抽吸泵21所抽入的被过滤的水的流量。
不同于现有技术，本实施例的纳滤膜23的表面形成有凹凸的图案，例如呈波浪形或者沿预设方向(例如污水流动方向)排布的锯齿形。结合图3所示的表面呈波浪形的纳滤膜23，本实施例具有如下优点：
(1)污水在沿图3中箭头所示方向流动的过程中，微米尺度上的波浪形结构(例如高度约5～20μm)能够改变污水在纳滤膜23表面的水力流场，增加局部湍流和涡流分布以及速度场梯度，从而阻止污水中的颗粒物沉积在纳滤膜23的表面，因此可以控制浓差极化的发生，从而防止膜污染层的形成；
(2)产生湍流的可以增加纳滤膜23表面的水力剪切力，能够破坏已形成的浓差极化层，例如破坏短时间(约10～60min)内形成的约10～100μm的浓差极化层，降低了膜污染的发展速率；
(3)纳滤膜23表面的水力剪切力增大，可以降低微生物细胞在膜表面上的沉积概率，微生物较难沉积，减缓了膜表面的生物型污染发生速率，延长了膜的使用寿命，保证了膜过滤的长期稳定低耗能运行；
(4)膜表面的凹凸结构的尺寸远大于其滤孔的尺寸，例如两个凸起的间距远大于滤孔的尺寸，因此基本不会影响纳滤膜23的渗透通量。
所述纳滤膜23还可用于对其他原料液进行过滤，即本发明实施例还可适用于其他场景，例如基因工程和生物培养领域中分离与浓缩生物大分子。进一步地，本发明实施例还可以检测过滤过程中的跨膜压力，该跨膜压力表示纳滤膜23对原料液过滤的膜阻，跨膜压力越大，则膜阻越大；跨膜压力小越大，则膜阻越小；并且当所述跨膜压力达到设定值时，汲取纳滤膜23表面的原料液，即汲取位于纳滤膜23表面的高浓度的沉积层，从而进一步控制浓差极化与膜污染的形成。
下面结合图4、5介绍纳滤膜23的制造方法。如图所示，包括：
S41：提供一模板51，该模板51的上表面具有凹凸的预定图案；
该凹凸的预定图案包括但不限于呈波浪形或者沿预设方向(例如污水等原料液的流动方向)排布的锯齿形。模板51的制作方法包括但不限于：使用包括PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)的溶剂，将配好的溶剂均匀涂在设计好形貌的模具上做成模板51。由于PDMS具有较低的表面能，并且是一种惰性材料，不易溶于大多数的有机溶剂，因此可以保证所形成的预定图案在成型过程中更加稳定。
S42：在模板51的上表面形成一惰性材料溶剂层52；
将制备的惰性材料溶剂52浇注在已具备预定图案的模板51上，在室温下用铸刀涂平，从而形成纳滤膜23的雏形。
S43：在惰性材料溶剂层53的表面贴合一衬底基材53；
在涂平惰性材料溶剂层52后立即将衬底基材53压放在雏形膜上，该衬底基材53包括但不限于无纺布基板。
S44：将形成有惰性材料溶剂层52和衬底基材53的模板51浸没于沉淀液54中，惰性材料溶剂层52在预定时间后完全凝固变为纳滤膜23，纳滤膜23的表面形成有与预定图案相啮合的图案。
将雏形膜、模板51和衬底基材53一起浸没在装有聚合液的沉淀液54中凝固6-10小时，待完全凝固后，将成型的纳滤膜23与衬底基材53从模板51中取出，然后放在在装满去离子水的沉淀池中。
本发明实施例将衬底基材53贴合于雏形膜的上部，可以避免在沉淀凝固过程中于雏形膜的(与凹凸的图案相背的)背面形成一致密层，而是形成一具有许多微孔的多孔层，确保纳滤膜23的透水性。
综上所述，本发明实施例通过在纳滤膜的表面设计凹凸的图案，使得污水等原料液在纳滤膜的表面形成湍流，从而能够防止原料液中的被截留物质沉积在纳滤膜的表面形成浓差极化层，即通过优化纳滤膜本身的形貌，改变纳滤膜表面的水力流场，增加膜表面的水力剪切力，从而稳定、高效、低成本的控制浓差极化的形成，确保良好的过滤效果。
基于此，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种控制浓差极化层形成的方法，其特征在于，所述方法包括：
将待过滤的原料液加入具有纳滤膜的过滤池中，其中所述纳滤膜的表面形成有凹凸的图案；
控制所述原料液在所述纳滤膜的表面流动进行过滤，在过滤过程中所述原料液在所述纳滤膜的表面形成湍流，以防止所述原料液中的被截留物质沉积在所述纳滤膜的表面形成浓差极化层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹凸的预定图案呈波浪形或者沿预设方向排布的锯齿形。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳滤膜的材质包括聚偏氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
检测过滤过程中的跨膜压力；
当所述跨膜压力达到设定值时，汲取所述纳滤膜表面的原料液。
5.一种纳滤膜的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一模板，所述模板的上表面具有凹凸的预定图案；
在所述模板的上表面形成一惰性材料溶剂层；
在所述惰性材料溶剂层的表面贴合一衬底基材；
将形成有所述惰性材料溶剂层和所述衬底基材的所述模板浸没于沉淀液中，所述惰性材料溶剂层在预定时间后完全凝固变为纳滤膜，所述纳滤膜的表面形成有与所述预定图案相啮合的图案。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述凹凸的预定图案呈波浪形或者沿预设方向排布的锯齿形。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述惰性材料溶剂层的材质包括聚偏氟乙烯。
8.一种纳滤膜，其特征在于，所述纳滤膜的表面形成有凹凸的图案。
9.根据权利要求8所述的纳滤膜，其特征在于，所述凹凸的预定图案呈波浪形或者沿预设方向排布的锯齿形。
10.根据权利要求8所述的纳滤膜，其特征在于，所述纳滤膜的材质包括聚偏氟乙烯。
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