CN107486022B - 一种双程螺旋卷式扩散渗析膜组件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双程螺旋卷式扩散渗析膜组件及其制备方法，包括以拼合起来的一对中心管为轴心，由离子交换膜和流道隔网相互紧贴着卷成圆筒体；由流道隔网支撑起的空间形成流体通道并始终位于离子交换膜的两侧，分别构成扩散液流道和渗析液流道；特征是每根中心管轴向中间由堵板堵住，形成互不相通的左右两部分；流道隔网的边缘密封，在其宽幅一半处自中心管开始至距底边一定距离为止设置有挡板；扩散液和渗析液在膜组件内形成双程螺旋式逆流流动。该膜组件装填密度大，传质效率高，单位膜面积料液处理量大，易于自动化生产。

Description

一种双程螺旋卷式扩散渗析膜组件及其制备方法

技术领域

本发明属于膜分离设备技术领域，特别涉及离子交换膜和流道隔网围绕中心管一起卷制的，利用扩散渗析原理，用于分离回收工业废酸或废碱的螺旋型分离膜组件及其制备方法。

背景技术

扩散渗析是以浓度差为推动力，利用离子通过膜发生选择性渗透而达到分离的目的，理论上不耗能。如阴膜扩散渗析技术利用阴离子交换膜对氢离子与金属离子的选择透过性不同实现酸与盐的分离，是较为先进的工业废酸回收处理技术，在冶金工业及环保领域得到了广泛应用。在现有的技术中，美国专利US5264123和US5217612中所提出的扩散渗析器设备，以及山东天维膜技术有限公司、日本Astorm公司和美国Mech-Chem公司生产的扩散渗析器，均为板框式组件(也称平板式)。中国专利CN 101983756B所提出的一种螺旋卷式扩散渗析膜组件及其制备方法，以及由合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的扩散渗析膜组件为螺旋卷式，此扩散渗析组件以拼合起来的一对中心管为轴心，由离子交换膜和流道隔网相互紧贴着螺旋式卷成圆筒体，在离子交换膜末端处该圆筒体外缘上两个径向对称的切线方向流道开口处分别粘结密封固定一侧流管，该侧流管紧靠圆筒形外壳的内壁与中心管平行布置；位于离子交换膜两侧的两组“中心管-流道隔网-侧流管”通道分别构成螺旋式的扩散液流道和渗析液流道。但上述膜组件由于设置有侧流管的缘故，使得制造工艺复杂，生产效率较低；膜组件左右侧流管突出不易形成圆形截面，减少了整个组件的装填密度；流体流程最大为膜的总长度的二分之一，通过膜面一次的透过液相对量少。

发明内容

本发明的目的是提供一种双程螺旋卷式扩散渗析膜组件及其制备方法，以解决现有螺旋卷式扩散渗析膜组件连续生产效率较低，流程较短的问题。

本发明的双程螺旋卷式扩散渗析组件，包括以拼合起来的一对中心管为轴心，由离子交换膜和流道隔网相互紧贴着螺旋式卷成圆筒体；由流道隔网支撑起的空间构成流体通道并始终位于离子交换膜的两侧，其中一侧构成扩散液流道并与一对扩散液进出接管相连通，另一侧构成渗析液流道并与一对渗析液进出接管相连通；其特征在于：每根中心管轴向中间由堵板堵住，形成互不相通的左右两部分；流道隔网的边缘密封，在其宽幅一半处自中心管开始至距底边一定距离为止设置有挡板；扩散液由其中一根中心管左端流入，通过分布在其左半部分周壁上的集液孔进入流道隔网，在离子交换膜一侧螺旋式由内向外流动，绕过挡板再由外向内螺旋式流动，最后从分布在中心管右半部分周壁上的集液孔进入这根中心管右端并流出；渗析液由另一根中心管右端流入，由其右半部分集液孔进入流道隔网，在离子交换膜另一侧螺旋式由内向外流动，绕过挡板再由外向内流动，最后通过这根中心管左半部分集液孔进入其左端并流出。

本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备方法，其特征在于：将中心管轴向中间用堵板堵住，形成互不相通的左右两部分；在两根中心管之间夹入一张离子交换膜和两张流道隔网，使两张流道隔网分别布置在离子交换膜的两侧，保持以中心管为界，两端离子交换膜长度相等，并将离子交换膜、流道隔网与中心管粘结固定；离子交换膜和流道隔网相互紧贴着围绕中心管按同一方向一起卷，边卷边在离子交换膜和流道隔网的边缘涂上粘合剂粘合密封，边卷边在流道隔网宽幅一半处自中心管开始至距底边一定距离为止涂上粘合剂构成挡板，卷成圆筒体；再以塑料薄膜将整个圆筒体绕紧密封固定，形成膜芯，将膜芯装入圆筒形外壳内，膜芯的两端头与外壳之间用粘合剂浇铸固定，构成带四个进出口接管的螺旋卷式扩散渗析膜组件；所述中心管的左右两部分周壁上分别布有集液孔；位于离子交换膜两侧的两组“中心管左端-流道隔网-中心管右端”通道分别构成双程螺旋式的扩散液流道和渗析液流道。

所述中心管可采用截面为圆形的管道或截面为半圆形的管道；作为优选，采用截面为半圆形的管道，这样可使一对中心管拼合起来后总体截面为圆形，以保证组件卷制形成后为圆筒体外形；所述中心管及中心管轴向中间的堵板可由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯材料制成。

所述离子交换膜为平板型膜；阴离子交换膜要求耐酸，通常由带有季铵基团的高分子材料制成；而阳离子交换膜要求耐碱，通常由带有磺酸基团或羧酸基团的高分子材料制成。

所述流道隔网可由聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酯(用于酸回收)、或聚酰胺(用于碱回收)材料所编织制成，单张流道隔网的长度为所用单张离子交换膜的0.5-1倍，可采用单层或多层，为了减小流动阻力，在组件径向上隔网的厚度可由外向内逐渐增厚。

所述挡板由粘合剂固化形成；或使用自带挡板的流道隔网，与流道隔网合为一体。

所述挡板末端离底边一定距离，作为优选，距离为流道隔网宽度的一半。

作为在所述膜芯外安装外壳的替代做法，可在所述膜芯外直接缠绕玻璃丝和涂上胶黏剂，固化后形成玻璃钢，以替代外壳的作用。

本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件在作为回收工业废酸使用时，膜组件内的离子交换膜选用平板型阴离子交换膜，废酸料液走渗析液流道，由其中一根中心管右端流入，由其右半部分集液孔进入流道隔网，在离子交换膜一侧由内向外螺旋式流动，绕过挡板再由外向内螺旋式流动，最后通过这根中心管左半部分集液孔进入其左端并流出；水走扩散液流道，由另一根中心管左端流入，通过分布在其左半部分周壁上的集液孔进入流道隔网，在离子交换膜一侧由内向外螺旋式流动，绕过挡板再由外向内螺旋式流动，最后从分布在中心管右半部分周壁上的集液孔进入这根中心管右端并流出；废酸料液和水在膜的两侧保持螺旋式逆流流动。与回收工业废酸类似，本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件在作为回收工业废碱使用时，膜组件内的离子交换膜选用平板型阳离子交换膜。

本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件利用膜扩散渗析原理，以浓度差作为推动力，实现废酸或废碱及盐类的分离。

本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件采用双程螺旋式逆流流动，增加了平均浓度差，提高了传质推动力；同时由于流体的流动路程长、流动速度快，增大了传质系数，使组件的性能达到优化；膜组件排列紧凑，装填密度大，重量轻，可立体式组装，易于成圆，占地面积小。

在现有螺旋卷式膜组件中，与中国专利CN 101983756B所提出的一种螺旋卷式扩散渗析膜组件相比，由于在中心管中引入堵板，将中心管分成左右两部分，将所有四个接口都设置在两只中心管上，省去了侧流管，使得膜组件装填密度更大，同时膜组件更易成圆密封；新的密封方式使得膜组件流道更长，传质更充分；制作工艺更加简便，卷制操作更易行，生产过程对自动化要求更低，有利于提高生产效率。

附图说明

图1为本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的总体结构示意图；

图2为本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的中心管示意图；

图3为本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件膜、网、管装配示意图；

图4为本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的横截面结构即流道示意图；

图5为本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的废酸回收性能测试装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本双程螺旋卷式扩散渗析膜组件作详细说明。

实施例1：膜面积为1.1平方米的螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备过程

图1为本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的总体结构示意图；图2给出了双程螺旋卷式扩散渗析膜组件中心管的示意图。在中心管1和3管内中间安装固定堵板8，把中心管1和3分成左右两部分，即1B和1A及3B和3A；在两根中心管1和3之间夹入一张离子交换膜2及两张流道隔网4和5，使两张流道隔网4和5分别布置在离子交换膜2的两侧，保持以中心管1和3为界，两端离子交换膜长度相等，并将离子交换膜2、流道隔网4、5与中心管1和3之间粘结固定；离子交换膜2及流道隔网4和5相互紧贴着围绕两根中心管1和3按同一方向一起卷，边卷边在离子交换膜2及两张流道隔网4和5的轴向边缘和底边涂上粘合剂粘合密封，边卷边在流道隔网4和5宽幅一半处自中心管1和3开始至距底边一定距离(一般为流道隔网宽度的一半)为止涂上粘合剂构成挡板11，卷成圆筒体；用塑料薄膜将整个圆筒体绕紧密封固定，形成膜芯，将膜芯装入圆筒形外壳12内，使膜芯的两端头与外壳12之间用粘合剂浇铸固定，构成带四个进出口接管的螺旋卷式扩散渗析膜组件13；所述中心管1、3的周壁上分别分布有集液孔7和6；位于离子交换膜2两侧的两组“中心管A端-流道隔网-中心管B端”通道分别构成双程螺旋式的扩散液流道9和渗析液流道10。

所制成的螺旋卷式扩散渗析膜组件，包括分布在离子交换膜2两侧的流道隔网4和5，其中一侧构成扩散液流道9并与一对扩散液进出接管3A和3B相连通，另一侧构成渗析液流道10并与一对渗析液进出接管1A和1B相连通；以拼合起来的一对中心管1和3为轴心，由离子交换膜2及流道隔网4和5相互紧贴着螺旋式卷成圆筒体；由流道隔网4和5支撑起的空间构成流体通道并始终位于离子交换膜2的两侧，其中一侧为扩散液流道9，则另一侧为渗析液流道10；扩散液由中心管3A端流入，通过分布在其周壁上的集液孔6进入流道隔网5，在离子交换膜2一侧由内向外螺旋式流动，绕过挡板11再由外向内螺旋式流动，最后从分布在中心管3B周壁上的集液孔6进入并从中心管3B端流出；渗析液由另一根中心管1A端流入，通过分布在其周壁上的集液孔7进入流道隔网4，在离子交换膜2另一侧由内向外螺旋式流动，绕过挡板11再由外向内螺旋式流动，最后从分布在中心管1B周壁上的集液孔6进入并从中心管1B端流出；扩散液和渗析液在膜的两侧始终保持双程螺旋式逆流流动。

本实施例中，中心管1和3均采用耐酸碱的聚氯乙烯塑料管，其截面为半圆形，内半径为10mm，周壁分别开设有集液孔6和7，单管集液孔总面积之和大于半圆管截面积的两倍，两中心管拼合起来后其总体为圆形。

图3给出了本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件膜、网、管装配示意图：本实施例中，在中心管1和3之间夹入一张尺寸为2200×500mm的DF120型渗析阴膜(山东天维膜技术有限公司提供)作为离子交换膜2和两张聚丙烯流道隔网4和5，使两张流道隔网4和5分别布置在离子交换膜2的两侧，并端头对齐，流道隔网4和5的长度相等且为离子交换膜2总长度的一半，在离子交换膜2长度方向二分之一处，用粘合剂使离子交换膜2、流道隔网4、5与中心管1、3粘结固定；图4给出了本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的横截面结构即流道示意图：如附图4中所示，与中心管1贴近卷出的流道隔网4构成扩散液流道10，与中心管3贴近卷出的流道隔网5构成渗析液流道9，扩散液流道10与渗析液流道9始终位于离子交换膜2的两侧，根据所流经的流动流体类型的不同，两流道名称可互换。将卷成的整个圆筒体以聚氯乙烯薄膜绕紧密封固定，构成本螺旋卷式扩散渗析膜组件13的膜芯。把膜芯安装于聚氯乙烯圆筒形外壳12中，端头用环氧树脂粘结剂浇铸密封固定，构成本螺旋卷式扩散渗析膜组件13。

整个组件膜面积为1.1m²,外形尺寸为510×Φ75mm，设有四个进出口接管，即扩散液进口接管1A、扩散液出口接管1B、渗析液进口接管3A和渗析液出口接管3B。为方便串并联组装，可在外壳12上可安装矩形或六边形支架。

在本实施例其他条件不变的情况下，将中心管替换为截面为圆形的管道也可制得类似的螺旋卷式扩散渗析膜组件；作为优选，本实施例中采用半圆形截面管道，这样可使一对中心管拼合起来后总体截面为圆形，以保证组件卷制形成后为圆筒体外形。

所述中心管除可由聚氯乙烯材料所制成外，也可由聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、或聚四氟乙烯材料所制成。

在其他条件不变的情况下，将本实施例中所用的DF120型渗析阴膜替换为其它平板型耐酸的阴离子交换膜或耐碱的阳离子交换膜，都可制得类似形状和结构的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件。其中阴离子交换膜通常由带有季铵基团的高分子材料制成，由阴离子交换膜制得的膜组件用于废酸的分离回收；而阳离子交换膜通常由带有磺酸基团或羧酸基团的高分子材料制成，由阳离子交换膜制得的膜组件用于废碱的回收。

所述的流道隔网除可由聚丙烯材料所编织制成外，也可由聚乙烯、聚氯乙烯、聚酯(用于酸回收)、或聚酰胺(用于碱回收)材料所编织制成，单张流道隔网的长度可为所用单张离子交换膜的0.5-1倍，可采用单层或多层，为了减小流动阻力，在组件径向上，隔网的厚度可由外向内逐渐增厚。

所述挡板可由粘合剂固化形成，也可使用自带挡板的流道隔网，与流道隔网合为一体。

所述挡板末端离底边一定距离，作为优选，距离为流道隔网宽度的一半。

作为在所述膜芯外安装外壳的替代做法，可在所述膜芯外直接缠绕玻璃丝和涂上胶黏剂，固化后形成玻璃钢，以替代外壳的作用。

图5为本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的废酸回收性能测试装置示意图。如图5所示，使用本双程螺旋卷式扩散渗析膜组件13进行废酸回收，在废酸高位槽14和水高位槽15中分别注入等体积的废酸与自来水，分别由渗析液进口接管1A和扩散液进口接管3A流入本双程螺旋卷式扩散渗析膜组件13，调节酸、水流量，维持废酸和自来水的流量比在一定范围内，保持液位，由渗析液出口接管1B流出残酸，由扩散液出口接管3B流出回收酸。为提高流速、方便计量和有利排气，在渗析液出口接管1B和扩散液出口接管3B可分别连接一台恒流泵或真空泵。

本实施例中所制作的膜面积为1.1m²的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件适合于实验室小试研究用，其装填密度为488.5m²/m³，而之前专利CN 101983756 B中的带有侧流管的类似用途膜组件的装填密度仅为206.9m²/m³。

实施例2：双程螺旋卷式扩散渗析膜组件回收工业钛白废酸液

采用如附图5中所示的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的废酸回收性能测试装置，使用实施例1中的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件13进行废酸回收过程测试，模拟工业钛白废酸液，配制H₂SO₄/FeSO₄料液样品，浓度见表1：

表1 H₂SO₄/FeSO₄料液样品的浓度

在废酸高位槽14和水高位槽15中分别注入等体积的废酸与自来水，调节酸、水流量，维持废酸和自来水的流量比约为1-2，保持液位，待稳定后，测定残液和回收酸中的硫酸、硫酸亚铁浓度，计算H⁺回收率，Fe²⁺泄漏率等。用氧化还原滴定法测定FeSO₄中亚铁离子浓度，采用酸碱中和法测定溶液中的氢离子浓度。测试结果如表2所示：

表2 H₂SO₄/FeSO₄料液样品的扩散渗析结果

由表2可看出，对于FeSO₄/H₂SO₄体系，H₂SO₄回收率可达80％以上，同时Fe²⁺的泄漏率小于20％，废酸的平均流量为2.274mL/min，也就是说，本实施例所用的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的单位膜面积废酸处理量为2.065mL/min·m²,而根据实验，要达到类似处理效果，现有的螺旋卷式扩散渗析膜组件(CN 101983756B)单位膜面积废酸处理量为1.956mL/min·m²左右，说明双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的传质效率略优于现有技术的螺旋卷式扩散渗析膜组件。

实施例3：双程螺旋卷式扩散渗析膜组件回收化成箔废液

使用实施例1中的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件13进行模拟化成箔废液回收过程测试，配制HCl/AlCl₃料液样品，浓度见表3：

表3 HCl/AlCl₃料液样品的浓度

在废酸高位槽14和水高位槽15中分别注入等体积的废酸与自来水，调节酸、水流量，维持废酸和自来水的流量比约为0.9-1.2，保持液位，待稳定后，测定残酸和回收酸中的盐酸、氯化铝浓度，计算H⁺回收率，Al³⁺泄漏率等。用络合滴定法测定AlCl₃中铝离子浓度，采用酸碱中和法测定溶液中的氢离子浓度。测试结果如表4所示：

表4 HCl/AlCl₃料液样品的扩散渗析结果

由表4可看出，对于HCl/AlCl₃体系，HCl回收率可达87％以上，同时Al³⁺的泄漏率小于18％，废酸的平均流量为12.62mL/min，也就是说，本实施例所用的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的单位膜面积废酸处理量为11.473mL/min·m²,而根据实验，要达到类似处理效果，原螺旋卷式扩散渗析膜组件(CN 101983756B)单位膜面积废酸处理量只能达到10.536mL/min·m²，说明本双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的传质效率优于现有技术的螺旋卷式扩散渗析膜组件。

由实施例1、实施例2、及实施例3，可得出本发明的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件省略了侧流管，体积更小，重量更轻，易于成圆封装；由于双程式流道使得流道更长，传质更加充分，单位膜面积料液处理量更大；制作工艺更加简便，卷制操作更易行，更易实施自动化操作。

Claims (6)

1.一种双程螺旋卷式扩散渗析组件，包括以拼合起来的一对中心管为轴心，由离子交换膜和流道隔网相互紧贴着螺旋式卷成圆筒体；由流道隔网支撑起的空间构成流体通道并始终位于离子交换膜的两侧，其中一侧构成扩散液流道并与一对扩散液进出接管相连通，另一侧构成渗析液流道并与一对渗析液进出接管相连通；其特征在于：每根中心管轴向中间由堵板堵住，形成互不相通的左右两部分；流道隔网的边缘密封，在其宽幅一半处自中心管开始至距底边一定距离为止设置有挡板；扩散液由其中一根中心管左端流入，通过分布在其左半部分周壁上的集液孔进入流道隔网，在离子交换膜一侧螺旋式由内向外流动，绕过挡板再由外向内螺旋式流动，最后从分布在中心管右半部分周壁上的集液孔进入这根中心管右端并流出；渗析液由另一根中心管右端流入，由其右半部分集液孔进入流道隔网，在离子交换膜另一侧螺旋式由内向外流动，绕过挡板再由外向内流动，最后通过这根中心管左半部分集液孔进入其左端并流出。

2.一种制备权利要求1所述的双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的方法，其特征在于：将中心管轴向中间用堵板堵住，形成互不相通的左右两部分；在两根中心管之间夹入一张离子交换膜和两张流道隔网，使两张流道隔网分别布置在离子交换膜的两侧，保持以中心管为界，两端离子交换膜长度相等，并将离子交换膜、流道隔网与中心管粘结固定；离子交换膜和流道隔网相互紧贴着围绕中心管按同一方向一起卷，边卷边在离子交换膜和流道隔网的边缘涂上粘合剂粘合密封，在流道隔网宽幅一半处自中心管开始至距底边一定距离为止涂上粘合剂构成挡板，卷成圆筒体；再以塑料薄膜将整个圆筒体绕紧密封固定，形成膜芯，将膜芯装入圆筒形外壳内，膜芯的两端头与外壳之间用粘合剂浇铸固定，构成带四个进出口接管的螺旋卷式扩散渗析膜组件；所述中心管的左右两部分周壁上分别布有集液孔；位于离子交换膜两侧的两组“中心管左端-流道隔网-中心管右端”通道分别构成双程螺旋式的扩散液流道和渗析液流道。

3.如权利要求2所述双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备方法，特征在于所述离子交换膜为平板型膜；阴离子交换膜由带有季铵基团的高分子材料制成；阳离子交换膜由带有磺酸基团或羧酸基团的高分子材料制成。

4.如权利要求2所述双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备方法，特征在于所述流道隔网由聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酯或聚酰胺材料编织制成，单张流道隔网的长度为所用单张离子交换膜的0.5-1倍，采用单层或多层；在组件径向上隔网的厚度由外向内逐渐增厚。

5.如权利要求2所述双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备方法，特征在于所述挡板由粘合剂固化形成；或使用自带挡板的流道隔网，与流道隔网合为一体。

6.如权利要求2所述双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备方法，特征在于所述将膜芯装入圆筒形外壳内，膜芯的两端头与外壳之间用粘合剂浇铸固定；或在所述膜芯外直接缠绕玻璃丝和涂上胶黏剂，固化后形成玻璃钢外壳。

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