CN107694349A - 一种制备管式纳滤膜的喷管、膜喷涂装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种制备管式纳滤膜的喷管、膜喷涂装置及系统。喷管一端封闭，另一端敞口，喷管内径向分隔成互不相通的水相区、油相区及热风区，各区的喷管管壁上轴向贯通开设微孔。制备管式纳滤膜的膜喷涂装置包括上述喷管，以及驱动喷管旋转的动力机构和滑动支撑机构。制备管式纳滤膜的系统包括膜固定装置、膜喷涂装置、进料装置及热风装置，水相介质及油相介质通过进料装置及喷涂装置先后喷涂到管式膜的内壁上进行界面聚合，通过热风装置进行热处理，完成管式纳滤膜的制备。本发明解决了传统方法在浸泡过程中管膜内外壁易同时发生界面聚合的技术缺陷；减少了界面聚合过程中药剂的使用量及废液量，同时形成的致密分离层更薄，增大了膜通量。
Description
技术领域
本发明属于膜技术领域，特别涉及一种界面聚合法制备管式纳滤膜的制备系统。
背景技术
纳滤(NF)是介于超滤与反渗透之间的一种压力驱动型膜分离技术。纳滤膜孔径为0.5～2nm，截留分子量为200～1000Dalton，操作压力在0.35～1.0MPa。由于操作压力较低，对不同价态离子的选择性好以及对小分子有机物有较高截留率的特点，纳滤已被广泛地应用于食品、医药、化工以及水处理等领域。
近几年国内外纳滤膜的制备方法主要有相转化法和复合法。由于复合法具有更高的自由度，可以针对活性层和支撑层分别进行优化从而获得更高的分离性能及渗透通量，越来越受到人们的青睐。复合法中的界面聚合法是目前应用最广的制备方法，界面聚合法制备纳滤膜是利用两种反应活性很高的单体分别在两种互不相溶的溶剂的界面处发生聚合反应，形成紧密附着在支撑体上的功能层。界面聚合法的制备工艺通常为：将支撑体浸入含有活泼型单体的水溶液中，使其充分浸润后沥干，再将其浸入含有另一种活泼单体的有机溶液中，两种活泼单体在支撑体的表面(基膜的表面)发生反应形成紧密附着在支撑体上的功能层，形成复合膜。如中国专利CN201210203303.4及中国专利CN201510057388.3公开的多层结构管式纳滤膜的制备方法。
现有界面聚合法制备纳滤膜技术，采用浸入法，管膜内外壁易同时发生界面聚合反应，反应生成致密的功能层降低了膜通量；使用的药剂量较大，增大了膜制造成本及废液量。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种界面聚合法制备管式纳滤膜的喷管、膜喷涂装置及制备系统，采用旋转喷涂及热风干燥来替代传统的浸入法制备管式纳滤膜系统。
本发明采取的技术方案是：
一种制备管式纳滤膜的喷管，所述喷管一端封闭，另一端敞口，敞口端为进液端；喷管内由与喷管等长的隔板径向分隔成互不相通的三个腔体，分别为水相区、油相区及热风区，水相区的喷管管壁轴向开设水相微孔，油相区的喷管管壁轴向开设油相微孔，热风区的喷管管壁轴向开设热风微孔，水相微孔、油相微孔及热风微孔均为通孔。
喷管在使用时，进液端连接多路旋转喷头，封闭端伸入到待喷涂的管式基膜内，保持喷管在管式基膜内缓慢旋转，水相、油相及热风分别经多路旋转喷头进入入水相区、油相区及热风区。
喷管的设计可使得水相喷涂、油相喷涂及热风干燥在一个喷管内进行且互不干涉，使用过程中不会因水相与油相的混合而造成喷涂质量的下降或工序的延长。因为如果在一个喷管内进行水相与油相的喷涂，水相喷涂完成后需清洗喷管内腔然后再通入油相进行油相喷涂，清洗不干净必然造成水相与油相的混合，清洗环节也延长了管式基膜的制备过程。通过轴向布置的微孔可将水相、油相或热风均匀地喷涂到管式基膜的内表面。
优选的，所述喷管内水相区、油相区及热风区均布。这样的结构使得喷管在旋转过程中受力均匀、转动平稳。
优选的，所述水相微孔、油相微孔及热风微孔均均匀开设。均匀开设喷孔能使水相、油相及热风沿喷管长度方向均匀喷出，使管式基膜内形成均匀的涂层。
优选的，所述喷管的水相微孔的孔径为0.1～2mm，孔间距为10～50mm；油相微孔的孔径为0.1～2mm，孔间距为10～50mm；热风微孔的孔径为0.5～5mm，孔间距为10～100mm。限制喷孔的直径及间距为了保证喷涂及热处理效果，使形成的涂层更为均匀牢固。
一种制备管式纳滤膜的膜喷涂装置，包括上述的喷管，以及驱动喷管旋转的动力机构和滑动支撑机构；所述动力机构包括电机及减速机构，喷管的进液端通过减速机构与电机相连，其封闭端为自由端；滑动支撑机构包括滑动支架及与其配合的滑轨，喷管及动力机构均安装在滑动支架上并可随滑动支架一同沿滑轨滑动。
膜喷涂装置的设计可使喷管在伸入到管式基膜的内腔中时保持平稳快捷且在喷涂过程中旋转定位。水相喷涂、油相喷涂及热风干燥在一个喷管内进行且互不干涉，使用过程中不会因水相与油相的混合而造成喷涂质量的下降或工序的延长。通过轴向布置的微孔可将水相、油相或热风均匀地喷涂到管式基膜的内表面。
优选的，所述减速机构包括一对外啮合的减速齿轮，其中，小齿轮套装固定在电机轴上，大齿轮套装固定在喷管上。采用齿轮组减速机构结构简单、运行可靠。
优选的，所述喷管通过轴承座可转动地安装在滑动支架上，轴承座位于减速机构与喷管的封闭端之间；所述滑动支架的底部设有滑轮，滑动支架通过滑轮沿滑轨滑动。这样设计可使喷管转动可靠、受力良好。滑轮与滑轨配合使滑动可靠。
一种制备管式纳滤膜的系统，包括上述的膜喷涂装置，以及膜固定装置、进料装置和热风装置；
膜固定装置包括管式基膜、多孔支撑管、密封片及固定槽；所述管式基膜具有一中空内腔，其内周面包覆有基膜层，所述膜喷涂装置的喷管的封闭端伸入到管式基膜的中空内腔并延伸出管式基膜；多孔支撑管的管壁上开设若干通孔，多孔支撑管套设在管式基膜上且其两端面与管式基膜的端面平齐，多孔支撑管的两端套设有密封片；所述固定槽设有开口，密封片卡设在开口内；
进料装置包括水相进料装置及油相进料装置；水相进料装置包括水相原料罐、水相计量泵及水相雾化器，水相原料罐通过水相管道及水相阀门与水相计量泵的进口相连通，水相计量泵的出口通过水相管道与水相雾化器连通，水相雾化器经多路旋转接头与喷管的水相区连通；油相进料装置包括油相原料罐、油相计量泵及油相雾化器，油相原料罐通过油相管道及油相阀门与油相计量泵的进口相连通，油相计量泵的出口通过油相管道与油相雾化器连通，油相雾化器经多路旋转接头与喷管的油相区连通；
热风装置包括热风机，热风机的出风口通过风管经多路旋转接头与喷管的热风区连通。
优选的，制备管式纳滤膜的系统还包括放置于管式基膜管端的水相废液回收罐及油相废液回收罐，水相废液回收罐用于收集水相废液，油相废液回收罐用于收集油相废液。废液回收装置可以回收喷涂过程中产生的废液，防止污染环境且可将回收的废液配比一定的新液后循环使用，减少药剂使用量，降低制造成本。
优选的，制备管式纳滤膜的系统还包括油相进料清洗装置，油相进料清洗装置包括油剂罐，油剂罐通过油剂管道及油剂阀门与油相计量泵的进口连通；水相进料清洗装置，水相进料清洗装置包括纯水罐，纯水罐通过纯水管道及纯水阀门与水相计量泵的进口连通。通过油相进料清洗装置可以在完成油相喷涂后清洗油相管路，保证油相管路的清洁，保证喷涂质量。通过水相进料清洗装置可以在喷涂完成后清洗水相管路，保证水相管路的清洁，保证喷涂质量。
管式纳滤膜制备系统的有益效果为：
1、以管腔内部喷涂代替传统浸泡制备管式纳滤膜装置，避免了传统浸泡法在浸泡过程中管膜内外壁易同时发生界面聚合降低膜通量的技术缺陷；
2、管腔内部雾化喷涂，减少了界面聚合过程药剂的使用量，相应地减少了制备过程中产生的废液量，同时界面聚合形成的致密分离层更薄，有利于降低传质过程中的分离阻力，增大了膜通量；
3、管式纳滤膜的组装与功能层的喷涂同过程进行，缩短了管式纳滤膜的生产组装工序。
附图说明
图1是制备管式纳滤膜的喷管的结构示意图。
图2是制备管式纳滤膜的膜喷涂装置的平面结构示意图。
图3是图2的立面结构示意图。
图4是制备管式纳滤膜的系统的结构示意图。
图5是图4中沿A-A方向的剖视结构示意图。
图6是图4中管式基膜的立体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的一个优选的实施例进行详细的描述。
本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外。“上、下”的含义指的是在设备安装使用的状态下设备本身所处的方位。
参阅图1，一种制备管式纳滤膜的喷管6，喷管的一端封闭，另一端敞口，敞口端为进液端。喷管6内由与喷管等长的三块隔板64径向均匀分隔成互不相通的三个腔体，分别为水相区61、油相区62及热风区63。水相区61的喷管管壁轴向均匀开设水相微孔611。油相区62的喷管管壁轴向均匀开设油相微孔621。热风区63的喷管管壁轴向均匀开设热风微孔631。水相微孔611、油相微孔621及热风微孔631均为通孔。
参阅图2及图3，一种制备管式纳滤膜的膜喷涂装置70，包括喷管6，以及驱动喷管旋转的动力机构7及滑动支撑机构5。所述动力机构7包括电机71及减速机构，减速机构包括一对外啮合的大齿轮74及小齿轮73，小齿轮73套设在电机轴72上，大齿轮74套设在喷管6的进液端。滑动支撑机构5包括滑动支架51及与其配合的滑轨53，喷管6通过轴承座54可转动地安装在滑动支架上51，动力机构7固定安装在滑动支架51上，滑动支架51底端设有滑轮52，滑轮52可沿滑轨53滑动。
参阅图4、图5及图6，一种制备管式纳滤膜的系统，包括上述的膜喷涂装置70，以及膜固定装置、进料装置及热风装置。
膜固定装置包括管式基膜2、多孔支撑管1、密封片3及固定槽4。参阅图6，管式基膜2具有一中空内腔21，其内周面包覆有基膜层22。喷管6的封闭端伸入到管式基膜的中空内腔21并延伸出管式基膜2，喷管6能够在管式基膜的内腔21中缓慢转动。多孔支撑管1的管壁上开有通孔，多孔支撑管1套设在管式基膜2上且其两端与管式基膜2的端面平齐，多孔支撑管1的两端套设有环形密封片3；所述固定槽4的中心设有半圆开口，环形密封片3卡设在半圆开口内，固定槽4上开设有与多孔支撑管1的外周面相适配的半圆通孔，半圆通孔的轴线与半圆开口槽的长度方向相垂直。
进料装置包括水相进料装置及油相进料装置。水相进料装置包括水相原料罐12、水相计量泵11及水相雾化器10。水相原料罐12通过水相管道及水相阀门与水相计量泵11的进口相连通，水相计量泵11的出口通过水相管道与水相雾化器10连通，水相雾化器10经多路旋转接头8与喷管的水相区61连通。油相进料装置包括油相原料罐22、油相计量泵21及油相雾化器20。油相原料罐22通过油相管道及油相阀门与油相计量泵21的进口相连通，油相计量泵21的出口通过油相管道与油相雾化器20连通，油相雾化器20经多路旋转接头8与喷管的油相区62连通。
热风装置包括热风机30，热风机30的出风口通过风管及热风阀门经多路旋转接头8与喷管的热风区63连通。
本制备管式纳滤膜的系统还包括水相进料清洗装置，水相进料清洗装置包括纯水罐13，纯水罐13通过纯水管道及纯水阀门与水相计量泵11的进口连通。还包括油相进料清洗装置，油相进料清洗装置包括油剂罐23，油剂罐23通过油剂管道及油剂阀门与油相计量泵21的进口连通。
本制备管式纳滤膜的系统还包括放置于管式基膜2管端的水相废液回收罐14及油相废液回收罐24。水相废液回收罐14用于收集水相废液，油相废液回收罐24用于收集油相废液。
制备管式纳滤膜的系统的工作原理是：
如图4所示，将多孔支撑管1套设在管式基膜2上，将两端剪切平齐，在多孔支撑管1的两端套设密封片3，将密封片3卡设在固定槽4内，完成管式基膜2的固定。套设多孔支撑管是为了增强纳滤膜使用时的支撑力，使组装完的管式膜组件能够在高压的情况下使用。密封片在组装时与套设在管式基膜及多孔支撑管的管端的橡胶圈配合实现管式基膜及多孔支撑管的管端密封。图中只示意了单只纳滤膜的组装，实际应用时也可将多只纳滤膜组装在一只密封片中形成管束，再一一进行功能层的喷涂。组装与喷涂结合在一起进行缩短了纳滤膜的组装工序。
将多路旋转接头8与喷管敞口端密封连接，喷管6安装到滑动支撑机构5上，推动滑动支架在滑轨上滑动，将喷管6导入管式基膜2内腔，并通过动力机构7使喷管6保持缓慢转动。将出水相雾化器10的水相管、出油相雾化器20的油相管及出热风机30的热风管连接到多路旋转接头8上，水相原料罐12中的水相介质通过水相计量泵11泵入水相雾化器10，雾化后经多路旋转接头8扩散至喷管6的水相区61，水相计量泵起到精确控制水相介质流量的作用，水相雾化器主要是为了充分分散水相介质。经雾化的水相介质通过水相微孔611均匀分散在管式基膜2的内壁，充分润湿后，多余的水相介质通过管式基膜2的管端流入水相废液罐14。热风机30通过多路旋转接头8向喷管6的热风区63中吹入40℃热风以沥干管式基膜内腔，至此完成了水相介质的浸润和沥干。
油相原料罐22中油相介质通过油相计量泵21泵入油相雾化器20，雾化后经多路旋转接头8扩散至喷管6的油相区62，经雾化的油相介质通过油相微孔621均匀分散在管式基膜2内壁，与水相介质发生界面聚合反应。反应一段时间后，通过油相计量泵21泵入油剂罐23中的油相溶剂清洗油相管路，清洗废液通过管式基膜2的管端流入油相废液罐24。热风机30通过多路旋转接头8向喷管6的热风区63中吹入80℃热风热处理管式纳滤膜2，至此完成了管式界面聚合纳滤膜的制备。将纯水罐13中的纯水经水相计量泵11泵入水相管路完成水相管路的清洗。
Claims (10)
1.一种制备管式纳滤膜的喷管，其特征在于：所述喷管一端封闭，另一端敞口，敞口端为进液端；喷管内由与喷管等长的隔板径向分隔成互不相通的三个腔体，分别为水相区、油相区及热风区，水相区的喷管管壁轴向开设水相微孔，油相区的喷管管壁轴向开设油相微孔，热风区的喷管管壁轴向开设热风微孔，水相微孔、油相微孔及热风微孔均为通孔。
2.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于：所述喷管内水相区、油相区及热风区均布。
3.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于：所述水相微孔、油相微孔及热风微孔均均匀开设。
4.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于：所述喷管的水相微孔的孔径为0.1～2mm，孔间距为10～50mm；油相微孔的孔径为0.1～2mm，孔间距为10～50mm；热风微孔的孔径为0.5～5mm，孔间距为10～100mm。
5.一种制备管式纳滤膜的膜喷涂装置，其特征在于：包括如权利要求1～4任意一项所述的喷管，以及驱动喷管旋转的动力机构和滑动支撑机构；所述动力机构包括电机及减速机构，喷管的进液端通过减速机构与电机相连，封闭端为自由端；滑动支撑机构包括滑动支架及与其配合的滑轨，喷管及动力机构均安装在滑动支架上并可随滑动支架一同沿滑轨滑动。
6.根据权利要求5所述的膜喷涂装置，其特征在于：所述减速机构包括一对外啮合的减速齿轮，其中，小齿轮套装固定在电机轴上，大齿轮套装固定在喷管上。
7.根据权利要求5所述的膜喷涂装置，其特征在于：所述喷管通过轴承座可转动地安装在滑动支架上，轴承座位于减速机构与喷管的封闭端之间；所述滑动支架的底部设有滑轮，滑动支架通过滑轮沿滑轨滑动。
8.一种制备管式纳滤膜的系统，其特征在于：包括如权利要求5～7任意一项所述的膜喷涂装置，以及膜固定装置、进料装置和热风装置；
膜固定装置包括管式基膜、多孔支撑管、密封片及固定槽；所述管式基膜具有一中空内腔，其内周面包覆有基膜层，所述膜喷涂装置的喷管的封闭端伸入到管式基膜的中空内腔并延伸出管式基膜；多孔支撑管的管壁上开设若干通孔，多孔支撑管套设在管式基膜上且其两端面与管式基膜的端面平齐，多孔支撑管的两端套设有密封片；所述固定槽设有开口，密封片卡设在开口内；
进料装置包括水相进料装置及油相进料装置；水相进料装置包括水相原料罐、水相计量泵及水相雾化器，水相原料罐通过水相管道及水相阀门与水相计量泵的进口相连通，水相计量泵的出口通过水相管道与水相雾化器连通，水相雾化器经多路旋转接头与喷管的水相区连通；油相进料装置包括油相原料罐、油相计量泵及油相雾化器，油相原料罐通过油相管道及油相阀门与油相计量泵的进口相连通，油相计量泵的出口通过油相管道与油相雾化器连通，油相雾化器经多路旋转接头与喷管的油相区连通；
热风装置包括热风机，热风机的出风口通过风管经多路旋转接头与喷管的热风区连通。
9.根据权利要求8所述的制备管式纳滤膜的系统，其特征在于：还包括放置于管式基膜管端的水相废液回收罐及油相废液回收罐，水相废液回收罐用于收集水相废液，油相废液回收罐用于收集油相废液。
10.根据权利要求8或9所述的制备管式纳滤膜的系统，其特征在于：还包括油相进料清洗装置，油相进料清洗装置包括油剂罐，油剂罐通过油剂管道及油剂阀门与油相计量泵的进口连通；水相进料清洗装置，水相进料清洗装置包括纯水罐，纯水罐通过纯水管道及纯水阀门与水相计量泵的进口连通。
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