CN106031846A - 一种中空纤维超滤膜的应用及水气分离性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中空纤维超滤膜作为水气分离器的应用，其结构简单，分离可靠、控制容易，分离效果理想。本发明还涉及地面常重力下模拟水气分离器在微重力下的水气分离性能测试装置。该装置包括空气压缩机、有压水罐、缓冲罐、水气分离器、水槽、玻璃瓶、调压阀、压力表和流量计。缓冲罐内底部固定有气动喷嘴，顶部设有水气出口，与水气分离器的水气入口连通，水气分离器顶部出气口连接出气管，出气管通过玻璃瓶顶部的进气口伸入其底部，玻璃瓶顶部另有一出气口。气动喷嘴的两个进气口分别连接进气管后并联后与空气压缩机连接，气动喷嘴的进水口通过进水管连接有压水罐。该测试装置评价水气分离器的分离性能时受重力影响小，测试结果可靠。

Description

一种中空纤维超滤膜的应用及水气分离性能测试装置

技术领域

本发明涉及中空纤维超滤膜作为微重力条件下水气分离器的应用，具体的说是将中空纤维超滤膜用于载人航天飞行器中的饮用水处理系统和电解水制氧系统中的水气两相流体的的分离，也可用于其他水气分离的场合，属于微重力条件下环控生保系统中的水气分离技术领域。本发明还涉及地面常重力条件下模拟水气分离器在微重力条件下的水气分离性能测试装置。

背景技术

在长期载人飞行器内的环境控制与生命保障系统中，为了保障在微重力条件下水流与气流的各自独立，不但座舱的通风及温湿度控制系统中需要水/气分离器，在物质(O₂和水)循环再生的各系统中，它也是必不可少的。

流体在重力场中依靠密度差沿重力方向会存在沉积或分层，因此重力条件下水气分离相对容易，然而微重力条件下，不同密度的介质将不再相对沉淀，而是彼此悬浮在空间，没有明显的水气界面，这给微重力条件下水气分离带来很多问题。同时，微重力条件下气体或液体的密度差不能形成对流的起因，自然对流作用基本消失，由自然对流引起的对流换热和物质迁移也不复存在，因此必须采用风机、泵或压力能强迫驱使气体和液体流动。

根据微重力环境对流体流动影响的特点，微重力条件下水气分离可利用的物理途径可概括为两大类。第一类是利用表面张力或毛吸力进行水气分离。在微重力条件下，重力作用的量级大大弱化，这使得流体表面张力从正常重力条件下次量级作用力突显为主要作用力。表面张力和多孔毛细管原理为微重力条件下水气分离提供了有效的物理途径。第二类是利用惯性力或离心力进行水气分离。重力条件下水气由密度差可形成分层分离。参考这一物理过程，在微重力条件下利用外部输运压力实现水气流动，水气密度差使得二者所受惯性力或离心力大小不同，为水气分离提供了另一个有效的物理途径。

目前用于航天载人飞行器中的水气分离装置大都是动态离心式水气分离器，它分离量大，对分离物质无特别要求，适用范围广，常用于量大或有污染的水气混合物的分离，但是必须采用风机、泵或压力能强迫驱使气体和液体流动产生离心力进行水气分离，不但结构复杂，制作成本较高，而且耗能较大，难以维护和维修，另外，稳定性较差，分离效果不大理想。

中空纤维超滤膜是超滤膜的一种。它是超滤技术中最为成熟与先进的一种技术。中空纤维具有毛细管结构，外径:0.5～2.0mm，内径:0.3～1.4mm，中空纤维管壁上布满微孔，孔径以能截留物质的分子量表达，截留分子量可达几千至几十万。中空纤维超滤膜技术广泛用于水的净化，溶液分离、浓缩，以及从废水中提取有用物质，废水净化再利用领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是要克服上述动态离心式水气分离器存在的缺陷，提供一种中空纤维超滤膜作为微重力条件下水气分离器，利用膜表面张力和毛吸力进行水气分离，并且发明一套地面常重力条件下模拟水气分离器在微重力条件下的水气分离性能测试装置对水气分离器的分离性能进行评价。

本发明的具体技术解决方案如下：

中空纤维超滤膜可以作为微重力条件下的水气分离器。该水气分离器，可用于载人航天飞行器中的饮用水处理系统和电解水制氧系统中的水气两相流体的的分离，也可用于其他水气分离的场合。其中所述的中空纤维超滤膜为聚醚砜中空纤维超滤膜、聚砜中空纤维超滤膜、聚丙烯中空纤维超滤膜或聚偏氟乙烯中空纤维超滤膜中的一种。所述的微重力为10^-2g以下的低重力。

一种模拟微重力下的水气分离性能测试装置，包括空气压缩机、有压水罐、气动喷嘴、缓冲罐、水槽、水气分离器、截止阀、压力表、流量计、玻璃瓶、调压阀；空气压缩机的出气口通过针阀与有压水罐顶部设有的进气口连通，空气压缩机的出气口还通过调压阀与气动喷嘴设有的两个进气口所连接的进气管并联后的管路相连通；有压水罐的顶部还设有进水口，有压水罐的底部设有的出水口通过球阀和流量计与气动喷嘴下端设有的进水口连通；气动喷嘴位于缓冲罐内，固定在缓冲罐底部，缓冲罐顶部设有水气出口，水气出口与水气分离器底部设有的水气入口连通；水气分离器的侧壁面设有出水口，出水口连接有伸入到水槽内的透明软管，水气分离器顶部设有出气口，出气口依次通过截止阀、压力表、流量计与玻璃瓶连通，玻璃瓶上端密封有胶塞，连接水气分离器的管路透过胶塞伸入到玻璃瓶内，胶塞上还连接有排气管，与大气相通。

所述的空气压缩机与气动喷嘴连接的管路上还设有压力表、针阀和流量计。

所述的缓冲罐为透明圆柱体，其顶部还设有放空阀，底部还设有用来排水的球阀。

所述的气动喷嘴的进气流量为10～60L/min，气动喷嘴的进水流量为0～70mL/min，气动喷嘴的进气压力是0.3MPa，水压0.03～0.06MPa，工作压力即缓冲罐内压力为0.02～0.05MPa。

本发明采用上述技术方案，水和压缩空气在气动喷嘴中混合成水气混合物并喷入缓冲罐中，在缓冲罐中形成较均匀、稳定的水气混合物，此时的水气混合物状态接近微重力下的水气混合物状态，均匀、稳定的水气混合物从缓冲罐进入中空纤维超滤膜式水气分离器，在分离器筒体内，水气两相流中的水在毛吸力、表面张力和压差共同作用下，沿着流动方向缓慢透过中空纤维膜的多孔毛细管壁，渗透水由下端的排水管流入水槽，气体夹带未被分离的微小水滴顺着水气分离器的出气口排出。渗透水用量筒量出。为了便于观察渗透水中是否存在气泡，排水管采用透明管，对渗透水中气体的测量采用排水集气法，而对气体中带出的水采用直接测量的方法，即分离后的气体通过一个玻璃瓶后再排出，观察瓶壁是否存在水滴。

本发明涉及的中空纤维超滤膜作为微重力条件下水气分离器的应用，其结构简单，分离可靠、控制容易，分离效果理想。本发明涉及的地面常重力下模拟水气分离器在微重力下的水气分离性能测试装置评价水气分离器的分离性能时受重力影响小，测试结果可靠。

附图说明

图1是地面常重力条件下模拟水气分离器在微重力条件下的水气分离性能测试装置图，其中1、空气压缩机，2、有压水罐，3、气动喷嘴，4、缓冲罐，5、水槽，6、水气分离器，7、截止阀，8、压力表，9、流量计，10、玻璃瓶，11、调压阀；

图2是不同气流量下，喷雾量对分离器的渗透速率的影响图；

图3是不同喷雾量下，气流量对分离器的渗透速率的影响图；

图4是不同尾气压力下，工作压力对分离器的渗透速率的影响图；

图5是不同尾气压力下，工作压力对尾气流量的影响图；

图6是不同工作压力下，尾气压力对分离器的渗透速率的影响图；

图7是不同工作压力下，尾气压力对尾气流量的影响图；

图8是重力对分离器的渗透速率的影响图；

具体实施方式

下面本发明将结合附图和实施例对地面常重力条件下模拟水气分离器在微重力条件下的水气分离性能测试装置作进一步描述，并且结合实验结果对中空纤维超滤膜作为微重力条件下水气分离器的应用做进一步描述。

地面常重力条件下模拟水气分离器在微重力条件下的水气分离性能测试装置包括空气压缩机1、有压水罐2、气动喷嘴3、缓冲罐4、水槽5、水气分离器6、截止阀7、压力表8、流量计9、玻璃瓶10和调压阀11。空气压缩机1的出气口通过针阀与有压水罐2顶部设有的进气口连通，空气压缩机1的出气口还通过调压阀11与气动喷嘴3设有的两个进气口所连接的进气管并联后的管路相连通；有压水罐2的顶部还设有进水口，有压水罐2的底部设有的出水口通过球阀和流量计与气动喷嘴3下端设有的进水口连通；气动喷嘴3位于缓冲罐4内，固定在缓冲罐4底部，缓冲罐4顶部设有水气出口，水气出口与水气分离器6底部设有的水气入口连通；水气分离器6的侧壁面设有出水口，出水口连接有伸入到水槽5内的透明软管，水气分离器6顶部设有出气口，出气口依次通过截止阀7、压力表8、流量计9与玻璃瓶10连通，玻璃瓶10上端密封有胶塞，连接水气分离器6的管路透过胶塞伸入到玻璃瓶10内，胶塞上还连接有排气管，与大气相通。

上述测试装置的工作原理及工作过程：

水路是水从有压水罐2被有压气体压出，通过出水管流到气动喷嘴3的水入口端，在气动喷嘴3中被有压气体打碎成为微小水滴喷出。气路是气体从有压水罐2的出气管流入气动喷嘴的气入口端，以高压将水打碎成微小水滴，并与微小水滴一起喷出，在没有缓冲罐4的情况下，随气体喷出的微小水滴几乎全部会打在水气分离器6的入口管壁上，只有极少量的水滴进入水气分离器6内部，通过设置缓冲罐4，气动喷嘴3喷出的气体与微小水滴在缓冲罐4内形成较均匀、稳定的水气混合物，此时的水气混合物状态接近微重力下的水气混合物状态，均匀、稳定的水气混合物从缓冲罐4进入中空纤维超滤膜式水气分离器6，为了尽量降低重力对试验结果的影响，需保持水透过毛细管壁的方向与重力方向垂直，水气混合物流动的方向与重力方向平行，所以，将水气分离器6竖直向上放置。在水气分离器6体内，水气两相流中的水在毛吸力、表面张力和压差共同作用下，沿着流动方向缓慢透过中空纤维膜的多孔毛细管壁，渗透水由下端的排水管流入水槽5，气体夹带未被分离的微小水滴顺着水气分离器6的出气口排出。流入水槽的渗透水用量筒量出。为了便于观察渗透水中是否存在气泡，排水管采用透明管，对渗透水中气体的测量采用排水集气法，而对气体中带出的水采用直接测量的方法，即分离后的气体通过一个玻璃瓶后再排出，观察瓶壁是否存在水滴。

本发明中的中空纤维超滤膜作为微重力条件下水气分离器的应用通过使用地面常重力条件下模拟水气分离器在微重力条件下的水气分离性能试验系统对聚砜中空纤维超滤膜的水气分离性能进行评价。实验结果如下：

1、分离效果

气体与水几乎完全分离。在正常操作情况下，进入气动喷嘴3的空气流量0.8～1.4m³/h，水流量4～12mL/min，操作压力0.02～0.05MPa,水气分离后，观察试验系统中的玻璃瓶，结果玻璃瓶壁完全无水滴，则分离后气体中无液态水；观察透明排水管，结果无明显气泡，说明渗透水中基本无气体，另外，工作压力远小于膜的泡点(0.2～0.25MPa)，理论上也不会有气体通过膜壁上的微孔，即渗透水中不会含有气体。所以，实验结果表明，此聚砜中空纤维超滤膜作为微重力条件下的水气分离器具有较为理想的分离效果。

2、喷雾量对分离器的渗透速率的影响

图2表明，当空气流量不变，聚砜中空纤维超滤膜对水的渗透速率随水流量的增大而加快，而水流量增大则气动喷嘴喷入缓冲罐中的微小水滴的量增大，即缓冲罐内的喷雾量越大，聚砜中空纤维超滤膜对水的渗透速率越快。

3、气流量对分离器的渗透速率的影响

图3表明，当水流量不变时，聚砜中空纤维超滤膜对水的渗透速率随空气流量的增大而加快。气流量增大，一方面气动喷嘴喷出的水滴会更分散，粒径会更小更均匀；另一方面，进入分离器的空气流量随之增大，则被空气带入分离器的水滴量也增大，所以，渗透速率随空气流量的增大而加快。

4、工作压力对分离器的渗透速率的影响

图4表明，当出口压力不变，工作压力增大时，渗透速率加快。工作压力增大导致膜内外压差增大，即促使水从丝内壁经微孔向外侧渗透的推动力增大，所以渗透速率加快。另外，由图5可看出，当出口压力不变，随着工作压力的增大，出口气流量也会增大，在分离效果中，已得到渗透水中几乎不含气体，所以入口进气量即出口气量，进入分离器的气量增大，则被气体带入分离器的水量同样增大，所以渗透速率会随之加快。

5、尾气压力对分离器的渗透速率的影响

图6表明，当工作压力不变，尾气压力增大时，渗透速率减慢。分析此时出口气量的变化，可找出原因。由图7可看出，此时，出口气量随着尾气压力增大而减小，即进入分离器的气量减小，则被气体带入分离器的水量同样减小，所以渗透速率会随之减慢。

6、重力对分离效果和渗透速率的影响

在地面常重力环境中模拟微重力条件下的水气分离过程，必须减小重力的影响，有一个重要方法就是减小实验管道的直径。本发明中采用的中空纤维超滤膜内径0.8mm,具有毛细管结构，大大降低了重力对实验的影响，表面张力的作用远大于重力。

另外，重力作用在液体上，造成液体可能在微孔中渗透速率不同。对这个问题，采取使渗透方向和重力方向垂直的方法予以解决。同时根据研究的需要，采用不同的分离方向进行对比实验，通过结果对比研究重力对渗透速率的影响。分别使渗透方向与重力方向相同，成45°和垂直，并且在不同的压力下多次重复实验发现：采用不同方向分离时，水和气均可完全分离，另外，从图8可看出，渗透速率也没有明显变化。也就是说，当重力影响程度不同时，该组件的水气分离能力未受影响，因此，可以认为重力对分离过程无影响。

由以上实施例和说明书附图可以看出，本发明涉及的中空纤维超滤膜作为微重力条件下的水气分离器的应用，利用中空纤维超滤膜的表面张力和毛吸力进行水气分离，其结构简单，低能耗、免维护、分离可靠、控制容易，分离效果理想，克服了动态离心式水气分离器结构复杂，制作成本高，耗能大，难以维护，稳定性较差等缺点。本发明涉及的地面常重力下模拟水气分离器在微重力下的水气分离性能测试装置评价水气分离器的分离性能时受重力影响小，测试结果可靠。

Claims (10)

1.一种中空纤维超滤膜的应用，其特征在于：中空纤维超滤膜可以作为微重力条件下的水气分离器。

2.根据权利要求1所述的中空纤维超滤膜的应用，其特征在于：所述的中空纤维超滤膜为聚醚砜中空纤维超滤膜、聚砜中空纤维超滤膜、聚丙烯中空纤维超滤膜或聚偏氟乙烯中空纤维超滤膜中的一种。

3.根据权利要求1所述的中空纤维超滤膜的应用，其特征在于：中空纤维超滤膜作为水气分离器，可用于载人航天飞行器中的饮用水处理系统和电解水制氧系统中的水气两相流体的的分离，也可用于其他水气分离的场合。

4.一种模拟微重力下的水气分离性能测试装置，包括空气压缩机(1)、有压水罐(2)、气动喷嘴(3)、缓冲罐(4)、水槽(5)、水气分离器(6)、截止阀(7)、压力表(8)、流量计(9)、玻璃瓶(10)、调压阀(11)，其特征在于：空气压缩机(1)的出气口通过针阀与有压水罐(2)顶部设有的进气口连通，空气压缩机(1)的出气口还通过调压阀(11)与气动喷嘴(3)设有的两个进气口所连接的进气管并联后的管路相连通；有压水罐(2)的顶部还设有进水口，有压水罐(2)的底部设有的出水口通过球阀和流量计与气动喷嘴(3)下端设有的进水口连通；气动喷嘴(3)位于缓冲罐(4)内，固定在缓冲罐(4)底部，缓冲罐(4)顶部设有水气出口，水气出口与水气分离器(6)底部设有的水气入口连通；水气分离器(6)的侧壁面设有出水口，出水口连接有伸入到水槽(5)内的透明软管，水气分离器(6)顶部设有出气口，出气口依次通过截止阀(7)、压力表(8)、流量计(9)与玻璃瓶(10)连通，玻璃瓶(10)上端密封有胶塞，连接水气分离器(6)的管路透过胶塞伸入到玻璃瓶(10)内，胶塞上还连接有排气管，与大气相通。

5.根据权利要求4所述的水气分离性能测试装置，其特征在于：所述的空气压缩机(1)与气动喷嘴(3)连接的管路上还设有压力表、针阀和流量计。

6.根据权利要求4所述的水气分离性能测试装置，其特征在于：所述的缓冲罐(4)的顶部还设有放空阀，底部还设有用来排水的球阀。

7.根据权利要求4所述的水气分离性能测试装置，其特征在于：所述的气动喷嘴(3)的进气流量为10～60L/min，气动喷嘴的进水流量为0～70mL/min；气动喷嘴(3)的进气压力是0.3MPa,水压0.03～0.06MPa。

8.根据权利要求4所述的水气分离性能测试装置，其特征在于：所述的缓冲罐(4)内压力为0.02～0.05MPa。

9.根据权利要求4所述的水气分离性能测试装置，其特征在于：所述的缓冲罐(4)为透明圆柱体。

10.根据权利要求1所述的中空纤维超滤膜的应用，其特征在于：所述的微重力为10^-2g以下的低重力。