CN109876671B

CN109876671B - 分离膜抗污染装置、分离膜抗污染系统

Info

Publication number: CN109876671B
Application number: CN201910079325.6A
Authority: CN
Inventors: 俞汉青; 张静霄; 李宇昇
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: CN109876671A

Abstract

本发明公开了一种分离膜抗污染装置、分离膜抗污染系统，该分离膜抗污染装置包括：能够固定于分离膜的从动件，能够对从动件施加磁力的主动件，驱动主动件移动以通过从动件带动分离膜振动的驱动模块。上述分离膜抗污染装置，通过驱动模块驱动主动件移动，由于主动件能够对从动件施加磁力，则从动件会随主动件移动，从而带动与从动件固定相连的分离膜振动，通过分离膜振动，则阻碍了污染物在分离膜表面的沉积，也能清理分离膜上沉积的污染物，有效减缓了污染物在分离膜表面的沉积，延长了分离膜的使用寿命；同时，通过分离膜的振动使得液体紊流，改善了分离膜的传质条件，缓解浓差极化现象，提高了分离膜的水通量。

Description

分离膜抗污染装置、分离膜抗污染系统

技术领域

本发明涉及膜分离技术领域，更具体地说，涉及一种分离膜抗污染装置、分离膜抗污染系统。

背景技术

膜分离技术在污水处理、废水回用、海水淡化等场合中具有良好的应用前景。但是，膜分离技术的发展长期受限于膜污染问题。膜污染通常由污染物在分离膜表面堆积造成，引起膜通量的下降，导致运行成本提升以及分离膜的使用寿命减短。因此，如何有效缓解膜污染是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种分离膜抗污染装置，减缓污染物在分离膜表面的沉积。本发明的另一目的是提供一种具有上述分离膜抗污染装置的分离膜抗污染系统。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种分离膜抗污染装置，包括：能够固定于所述分离膜的从动件，能够对所述从动件施加磁力的主动件，驱动所述主动件移动以通过所述从动件带动所述分离膜振动的驱动模块。

优选地，所述驱动模块驱动所述主动件移动的方向垂直于所述分离膜。

优选地，所述分离膜抗污染装置还包括从动导向结构和/或主动导向结构，其中，沿所述从动件的移动方向所述从动导向结构与所述从动件滑动配合，沿所述主动件的移动方向所述主动导向结构与所述主动件滑动配合。

优选地，所述分离膜抗污染装置还包括：限制所述从动件位移的从动限位结构，和/或限制所述主动件位移的主动限位结构。

优选地，所述从动限位结构和所述主动限位结构均为弹性限位结构；

所述从动限位结构包括：限位槽，以及两端分别与所述从动件和所述限位槽抵接或相连的第一弹性件；

所述主动限位结构包括两端分别与所述主动件和所述驱动模块抵接或相连的第二弹性件。

优选地，所述从动件包括：相互吸引且用于分别位于所述分离膜两侧的第一磁体和第二磁体；其中，所述主动件和所述第一磁体位于所述分离膜的同侧，所述主动件用于对所述第一磁体施加磁力。

优选地，所述主动件和所述从动件之间的磁力为排斥力。

优选地，所述分离膜的振动幅度不大于1mm。

优选地，所述分离膜抗污染装置还包括：控制所述驱动模块运动的控制模块。

优选地，所述驱动模块为电机；所述控制模块包括：用于与电源连接的控制器，与所述控制器相连的直流变压器，与所述直流变压器相连的H桥电路；其中，所述H桥电路与所述电机连接。

优选地，所述分离膜抗污染装置还包括：用于放置存放汲取液的容器且能够在线记录的天平，与所述天平相连的数据处理器。

本发明提供的分离膜抗污染装置，通过驱动模块驱动主动件移动，由于主动件能够对从动件施加磁力，则从动件会随主动件移动，从而带动与从动件固定相连的分离膜振动，通过分离膜振动，则阻碍了污染物在分离膜表面的沉积，也能清理分离膜上沉积的污染物，有效减缓了污染物在分离膜表面的沉积，延长了分离膜的使用寿命；同时，通过分离膜的振动使得液体紊流，改善了分离膜的传质条件，缓解浓差极化现象，提高了分离膜的水通量。

基于上述提供的分离膜抗污染装置，本发明还提供了一种分离膜抗污染系统，该分离膜抗污染系统包括：膜分离装置，上述任一项所述的分离膜抗污染装置；其中，所述从动件位于所述膜分离装置内，所述主动件和所述驱动模块均位于所述膜分离装置外。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的分离膜抗污染装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的分离膜抗污染装置的效果的测试图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的分离膜抗污染装置，包括：能够固定于分离膜15的从动件，能够对从动件施加磁力的主动件11，驱动主动件11移动以通过从动件带动分离膜15振动的驱动模块10。

需要说明的是，主动件11对从动件施加磁力时，从动件亦对主动件11施加磁力，二者之间的磁力是相互作用的。在实际应用过程中，从动件位于膜分离装置5的内部，主动件11和驱动模块10均位于膜分离装置5的外部。

本发明实施例提供的分离膜抗污染装置，通过驱动模块10驱动主动件11移动，由于主动件11能够对从动件施加磁力，则从动件会随主动件11移动，从而带动与从动件固定相连的分离膜15振动，通过分离膜15的振动，则阻碍了污染物在分离膜15表面的沉积，即增加了污染物沉积的难度，也能清理分离膜15上沉积的污染物，有效减缓了污染物在分离膜15表面的沉积，延长了分离膜15的使用寿命；同时，通过分离膜15的振动使得液体紊流，改善了分离膜15的传质条件，缓解浓差极化现象，提高了分离膜15的水通量。

为了带动分离膜15振动，从动件的移动方向存在多种，相应的，主动件11的移动方向也存在多种，即上述驱动模块10驱动主动件11移动的方向存在多种。为了便于带动分离膜15振动，优先选择上述驱动模块10驱动主动件11移动的方向垂直于分离膜15。当然，也可选择上述驱动模块10驱动主动件11移动的方向与分离膜15相对倾斜，对于二者相对倾斜的夹角根据实际需要进行选择，并不局限于上述实施例。

为了保证从动件沿设定方向移动，上述分离膜抗污染装置还包括从动导向结构21，沿从动件的移动方向从动导向结构21与从动件滑动配合。这样，通过从动导向结构21对从动件的移动进行导向，保证了从动件沿设定方向移动，从而保证了分离膜15的振动。

当然，也可通过其他方式保证分离膜15的振动。例如，上述分离膜抗污染装置还包括主动导向结构，沿主动件11的移动方向主动导向结构与主动件11滑动配合。这样，通过主动导向结构对主动件11的移动进行导向，保证了主动件11沿设定方向移动，从而保证了分离膜15的振动。

在实际应用过程中，上述分离膜抗污染装置包括从动导向结构21和主动导向结构中的至少一者。

对于从动导向结构21和主动导向结构的具体结构，根据实际需要进行设计。为了便于安装，上述从动导向结构21为导向轴或导向滑轨，主动导向结构为导向轴或导向滑轨。可以理解的是，上述从动导向结构21为导向轴时，导向轴贯穿从动件；上述主动导向结构为导向轴时，导向轴贯穿主动件11。

为了提高抗污染效果，需要控制分离膜15的振动幅度。为了控制分离膜15的振动幅度，上述分离膜抗污染装置还包括：限制从动件位移的从动限位结构，和/或限制主动件11位移的主动限位结构。

可以理解的是，上述从动限位结构用于限制从动件的正向最大位移和/或反向最大位移，上述主动限位结构用于限制主动件11的正向最大位移和/或反向最大位移。需要说明的是，从动件向远离驱动模块10的方向移动时的最大位移记为正向最大位移，则从动件向靠近驱动模块10的方向移动时的最大位置即为反向最大位移；相应的，若从动件向靠近驱动模块10的方向移动时的最大位移记为正向最大位移，则从动件向远离驱动模块10的方向移动时的最大位置即为反向最大位移。

同理，主动件11向远离驱动模块10的方向移动时的最大位移记为正向最大位移，则主动件11向靠近驱动模块10的方向移动时的最大位置即为反向最大位移；相应的，若主动件11向靠近驱动模块10的方向移动时的最大位移记为正向最大位移，则主动件11向远离驱动模块10的方向移动时的最大位置即为反向最大位移。

当上述分离膜抗污染装置包括从动限位结构和主动限位结构时，可优先选择上述从动限位结构用于限制从动件的正向最大位移，上述主动限位结构用于限制主动件11的反向最大位移；或者，上述从动限位结构用于限制从动件的反向最大位移，上述主动限位结构用于限制主动件11的正向最大位移。

为了减小振动以及避免因碰撞发生损坏，上述从动限位结构和主动限位结构均为弹性限位结构。这样，当从动件与从动限位结构接触后以及主动件11与主动限位结构接触后，从动限位结构和主动限位结构提供了缓冲作用力，从而减小了振动，也避免了因碰撞发生损坏。

优选地，上述从动限位结构包括：限位槽，以及两端分别与从动件和限位槽抵接或相连的第一弹性件22。具体地，上述第一弹性件22的两端分别与从动件和限位槽抵接，或者上述第一弹性件22的两端分别与从动件和限位槽相连。

优选地，上述主动限位结构包括两端分别与主动件11和驱动模块10抵接或相连的第二弹性件9。具体地，上述第二弹性件9的两端分别与主动件11和驱动模块10抵接，或者上述第二弹性件9的两端分别与主动件11和驱动模块10相连。

在实际应用过程中，也可选择上述从动限位结构和上述主动限位结构为其他结构，并不局限于上述实施例。

为了便于带动分离膜15振动，上述从动件包括：相互吸引且用于分别位于分离膜15两侧的第一磁体6和第二磁体7；其中，主动件11和第一磁体6位于分离膜15的同侧，主动件11用于对第一磁体6施加磁力。

上述结构中，通过第一磁体6和第二磁体7的吸附力将分离膜15夹紧，实现第一磁体6、第二磁体7和分离膜15的固定相连。此时，主动件11为磁体。当然，也可选择其他方式实现从动件与分离膜15的固定相连，并不局限于此。

为了提高可靠性，上述第一磁体6、第二磁体7和主动件11均为强磁体。

当然，也可选择上述从动件仅包括位于分离膜15一侧的磁体，并不局限于上述实施例。

上述分离膜抗污染装置中，主动件11和从动件之间的磁力可为排斥力，也可为吸引力。为了便于带动分离膜15振动，上述主动件11和从动件之间的磁力为排斥力。

在实际应用过程中，可根据实际需要选择分离膜15的振动幅度。优选地，上述分离膜15的振动幅度不大于1mm。当然，也可选择上述分离膜15的振动幅度为其他数值，并不局限于此。

为了便于控制分离膜15的振动，上述分离膜抗污染装置还包括：控制驱动模块10运动的控制模块1。

上述控制模块1可控制驱动模块10按照一定的频率驱动，从而控制主动件11以一定的频率往复运动；上述控制模块1还可控制驱动模块10的驱动时间，以控制主动件11移动的位移。

对于上述驱动模块10和控制模块1的具体类型，根据实际需要进行选择。优选地，上述驱动模块10为电机；上述控制模块1为可编程控制的脉冲电压电源。可以理解的是，上述电机为往复电机。

上述控制模块1用于输出电压、频率及占空比可调的脉冲电压，为电机供能并控制其运动方式。上述控制模块1输出的脉冲电压的频率范围为0-100Hz，占空比范围为0-80％。

具体地，上述控制模块1包括：用于与电源24连接的控制器2，与控制器2相连的直流变压器3，与直流变压器3相连的H桥电路4；其中，H桥电路4与电机连接。

上述控制器，即逻辑编辑器，通过改变其占空比来实现电机频率和力度的调节。由于本系统内各部件对工作电压的要求不同，则需要直流变压器3控制电机的输入电压。

进一步地，上述控制器2为可编程逻辑控制器。

当然，也可选择上述驱动模块10和控制模块1为其他类型，并不局限于上述实施例。

上述分离膜抗污染装置，所适用的分离膜15可为正渗透膜、反渗透膜、微滤膜、超滤膜、或纳滤膜等，本发明实施例对分离膜15的类型不做限定。

为了测试上述分离膜抗污染装置的抗污染效果，需要将存放汲取液的容器放置在能够在线记录的天平17上，与天平17信号连接的数据处理器25。具体地，上述分离膜抗污染装置还包括：用于放置存放汲取液的容器且能够在线记录的天平17，与天平17相连的数据处理器25。可以理解的是，该天平17用于称量该容器以及该容器内的汲取液的质量。

进一步地，上述数据处理器25为电脑。

上述分离膜抗污染装置中，容器内汲取液增加的质量通过天平17传输到数据处理器25中。具体地，该容器内汲取液增加的质量通过传输到提前建立的文本文档。

基于上述实施例提供的分离膜抗污染装置，本发明实施例还提供了一种分离膜抗污染系统，该分离膜抗污染系统包括：膜分离装置5，上述实施例所述的分离膜抗污染装置；其中，从动件位于膜分离装置5内，主动件11和驱动模块10均位于膜分离装置5外。

由于上述分离膜抗污染装置具有上述技术效果，上述分离膜抗污染系统包括上述分离膜抗污染装置，则上述分离膜抗污染系统也具有相应的技术效果，本文不再赘述。

当分离膜15为正渗透膜时，膜分离装置5包括：流动池20，设置于流动池20内且将流动池20分隔为第一腔体和第二腔体的分离膜15，第一输送泵14，第二输送泵16，存放进料液的第一容器13，存放汲取液的第二容器18，连通第一腔体的第一进水管12和第一容器13的第一管路，连通第一腔体的第一出水管8和第一容器13的第二管路，连通第二腔体的第二进水管23和第二容器18的第三管路，连通第二腔体的第二出水管19和第二容器18的第四管路；其中，第一输送泵14串接于第一管路或第二管路，第二输送泵16串接于第三管路或第四管路。

上述膜分离装置5中，分离膜15的活性层面向进料液，分离膜15的基底层面向汲取液。上述进料液为低渗透压溶液，如地表水或污水厂生化反应池污水等；上述汲取液为高渗透压的无机盐溶液。水在渗透压差条件下自第一腔体通过分离膜15流入第二腔体中。

为了便于处理，优先选择进料液和汲取液以错流方式运行。

对于上述第一输送泵14和第二输送泵16的类型，根据实际需要进行选择，例如第一输送泵14和第二输送泵16均为蠕动泵16，本发明实施例对此不做限定。

优选地，分离膜15的活性层和基底层的表面流速为0.05-0.25m/min。当然，也可选择表面流速为其他数值，并不局限于此。

优选地，上述膜分离装置5的适用温度为10-30℃。当然，也可选择上述温度为其他数值，本发明实施例对此不做限定。

为了更为具体地说明本发明，以下结合实施例对本发明实施例提供的分离膜抗污染系统进行详细地描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

实施例一

本实施例提供的分离膜抗污染系统中，上述膜分离装置5为正渗透膜分离装置，分离膜15的基底层为聚醚砜、分离膜15的活性层为聚酰胺层，分离膜15为基底层和活性层非对称结构，分离膜15的厚度为150μm，分离膜15的有效膜面积为20.02cm²。进料液与汲取液分别在分离膜15的两侧以错向方式流动，分离膜15的表面流速为0.06m/min，汲取过程中分离膜15在上述分离膜抗污染装置的作用下以50HZ频率振动。存放汲取液的第二容器18放置于天平17上，每2min记录一个数值，并通过所连接的电脑将数据传输到终端软件中。当然，也可选择每隔其他时间来记录天平17所称得的质量，并不局限于此2min。

上述分离膜抗污染装置包括：从动件、主动件11、驱动模块10、从动导向结构21、主动导向结构、从动限位结构、主动限位结构、控制模块1、天平17、和数据处理器25。其中，上述控制模块1中，直流变压器3的电压为5-12V，上述分离膜15的振动幅度不大于1mm。

实施例二

采用实施例1提供的分离膜抗污染系统进行分离膜15的水通量测试，具体的：

将电源24接通控制模块1，将其输出电压调至为5-12V，往复电机驱动主动件11相对于流动池20做垂直的往返运动，在主动限位结构的作用下，主动件11的最大位移为±1mm。相应的，从动件的最大位移为±1mm，分离膜15的振动幅度不大于1mm。

先采用去离子水作为进料液和汲取液，离子水在分离膜15的两侧流动持续6-8h，保证上述膜分离装置5的稳定。然后以去离子水为处理对象，使500mL的去离子水在分离膜15的活性层侧循环流动，分离膜15的活性层侧的表面流速为0.06m/min；使500mL、1mol/L的氯化钠在分离膜15的基底层侧循环流动，分离膜15的基底层侧的表面流速为0.06m/min。

第二容器18放置于天平17上，天平17和电脑的终端软件连接，每2min记录一个质量数值，该质量数值经由终端软件传输至提前建立的文本文档中。

在2小时的处理过程中，分离膜15的水通量提高了20％，分离膜15的反向盐通量降低了34％，则水通量和反向盐通量的比值提高了40％。

实施例三

采用实施例1提供的分离膜抗污染系统进行分离膜15的膜污染测试，具体的：

先采用去离子水作为进料液和汲取液，离子水在分离膜15的两侧流动持续6-8h，保证上述膜分离装置5的稳定。然后，以250mg/L的富含蛋白质废水为处理对象，具体地，采用500mL富含蛋白质废水作为进料液在分离膜15的活性层侧循环流动，分离膜15的活性层侧的表面流速为0.06m/min，上述富含蛋白质废水包括：250mg/L的牛血清蛋白、0.5mM的CaCl₂、0.93mM的NH₄Cl、0.45mM的KH₂PO₄、9.2mM的NaCl、0.61mM的MgSO₄、0.5mM的NaHCO₃。采用500mL、2mol/L的氯化钠在分离膜15的基底层侧循环流动，分离膜15的基底层侧的表面流速为0.06m/min。

在15-20小时的处理过程中，分离膜15的临界通量提高了65％。

实施例四

采用实施例1提供的分离膜抗污染系统进行活性污泥悬浮液处理，具体的：

先采用去离子水作为进料液和汲取液，离子水在分离膜15的两侧流动持续6-8h，保证上述膜分离装置5的稳定。然后，以实际活性污泥混合液为处理对象，采用500mL、混合液悬浮固体浓度为3000mg/L的活性污泥悬浮液作为进料液在分离膜15的活性层侧循环流动，分离膜15的活性层侧的表面流速为0.06m/min。使500mL、2mol/L的氯化钠在分离膜15的基底层侧循环流动，分离膜15的基底层侧的表面流速为0.06m/min。

在15-20小时的处理过程中，分离膜15的临界通量提高了35％。

通过上述实施例可知，上述分离膜抗污染系统进能够有效提高分离膜15的水通量，以及减小汲取液盐分的反向渗透量，使得分离膜15具有更强的抗污染能力。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种分离膜抗污染装置，其特征在于，包括：能够固定于分离膜（15）的从动件，能够对所述从动件施加磁力的主动件（11），驱动所述主动件（11）移动以通过所述从动件带动所述分离膜（15）振动的驱动模块（10）；

所述从动件位于膜分离装置（5）的内部，所述主动件（11）和所述驱动模块（10）均位于所述膜分离装置（5）的外部；

所述从动件包括：相互吸引且用于分别位于所述分离膜（15）两侧的第一磁体（6）和第二磁体（7）；其中，所述主动件（11）和所述第一磁体（6）位于所述分离膜（15）的同侧，所述主动件（11）用于对所述第一磁体（6）施加磁力。

2.根据权利要求1所述的分离膜抗污染装置，其特征在于，所述驱动模块（10）驱动所述主动件（11）移动的方向垂直于所述分离膜（15）。

3.根据权利要求1所述的分离膜抗污染装置，其特征在于，还包括从动导向结构（21）和/或主动导向结构，其中，沿所述从动件的移动方向所述从动导向结构（21）与所述从动件滑动配合，沿所述主动件（11）的移动方向所述主动导向结构与所述主动件（11）滑动配合。

4.根据权利要求1所述的分离膜抗污染装置，其特征在于，还包括：限制所述从动件位移的从动限位结构，和/或限制所述主动件（11）位移的主动限位结构。

5.根据权利要求4所述的分离膜抗污染装置，其特征在于，所述从动限位结构和所述主动限位结构均为弹性限位结构；

所述从动限位结构包括：限位槽，以及两端分别与所述从动件和所述限位槽抵接或相连的第一弹性件（22）；

所述主动限位结构包括两端分别与所述主动件（11）和所述驱动模块（10）抵接或相连的第二弹性件（9）。

6.根据权利要求1所述的分离膜抗污染装置，其特征在于，所述主动件（11）和所述从动件之间的磁力为排斥力。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的分离膜抗污染装置，其特征在于，还包括：控制所述驱动模块（10）运动的控制模块（1）。

8.根据权利要求7所述的分离膜抗污染装置，其特征在于，所述驱动模块（10）为电机；所述控制模块（1）包括：用于与电源（24）连接的控制器（2），与所述控制器（2）相连的直流变压器（3），与所述直流变压器（3）相连的H桥电路（4）；其中，所述H桥电路（4）与所述电机连接。

9.一种分离膜抗污染系统，包括：膜分离装置（5），其特征在于，还包括如权利要求1-8中任一项所述的分离膜抗污染装置；其中，所述从动件位于所述膜分离装置（5）内，所述主动件（11）和所述驱动模块（10）均位于所述膜分离装置（5）外。