CN110559863A - 一种用于控制膜污染的膜片及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于控制膜污染的膜片及方法，属于膜技术领域。膜片包括负载于膜片表面的导电结构，导电结构包括至少两条电极条，电极条包括阴极条和阳极条，阴极条与阳极条相互间隔设置，阴极条的端部相连形成阴极端，阳极条的端部相连形成阳极端，阴极端和阳极端相对设置且与外接电源相连。本发明主要应用于膜片及其控制膜污染，通过在膜片表面负载相互间隔设置的阴极条和阳极条，使阴极条和阳极条之间形成微电场，利用不同的加电方式，控制整个膜片表面电清洗污染物的过程，实现原位在线膜污染清洗；此膜片对材质无要求，适用范围广，经济可靠。

Description

一种用于控制膜污染的膜片及方法

技术领域

本发明属于膜技术领域，尤其是涉及一种用于控制膜污染的膜片及方法。

背景技术

膜分离技术主要利用物理筛分效应对大于膜孔尺寸的污染物进行截留作用，然而，截留的污染物容易在膜表面堆积，且水体中微生物容易在膜表面生长，造成膜的出水通量下降，影响膜组件正常运行，降低了膜使用寿命。因此，如何控制膜污染，延长膜使用寿命成为当前研究热点。

现有技术中，常采用水体预处理、膜清洗等手段控制膜污染。膜分离之前的水体预处理虽效果显著，但预处理往往会增加水处理的流程单元，增加占地面积、投资成本及运营成本。膜清洗包括反冲洗、化学洗涤、电化学原位清洗等。反冲洗对膜材料机械强度要求较高，尤其对于非对称膜孔结构，易造成复合膜的皮层脱落，使得膜结构遭到破坏，导致出水水质恶化；化学清洗需采用特殊清洗药剂，成本较高，且往往需要离线清洗，导致膜分离运行受到影响；采用导电膜的电化学的原位清洗可以实现原位在线清洗，但导电膜制备成本较高，商业化困难，难以大规模应用。

发明内容

本发明提出一种用于控制膜污染的膜片及方法，通过在膜片表面负载相互间隔设置的阴极条和阳极条，使阴极条和阳极条之间形成微电场，利用不同的加电方式，控制整个膜片表面电清洗污染物的过程，实现原位在线膜污染清洗；此膜片对材质无要求，适用范围广，经济可靠。

本发明提出一种用于控制膜污染的膜片，包括：

负载于膜片表面的导电结构，导电结构包括至少两条电极条，电极条包括阴极条和阳极条，阴极条与阳极条相互间隔设置，阴极条的端部相连形成阴极端，阳极条的端部相连形成阳极端，阴极端和阳极端相对设置且与外接电源相连。

进一步地，电极条之间相对平行设置。

进一步地，电极条的间隔距离为毫米级别；优选的，电极条的间隔距离为1-10mm。

进一步地，电极条的宽度为毫米级别；优选的，电极条的宽度为1-10mm。

本发明还提出一种控制膜污染的方法，采用上述的膜片，具体包括：

向含有待清洗膜片的反应池内通水，将膜片的阴极端、阳极端分别与外接电源接通，阴极条和阳极条之间形成微电场；

反应池内发生原位电解水产生大量气体，同时，污染物在电极条处发生化学反应、物理作用，从而实现污染物的降解脱落。

进一步地，污染物包括有机物污染物、无机物污染物和微生物中的一种或两种以上；无机污染物包括碳酸钙；

当污染物为有机污染物时，有机污染物在阳极条处发生氧化反应；

当污染物为碳酸钙时，碳酸钙在阳极条处与电解水产生的氢离子作用实现清洗；

当污染物为微生物时，微生物在电极条处通过高压电灭杀。

进一步地，外接电源为直流电源或交流电源；

进一步地，交流电源的频率为1Hz～10000Hz，交流电源的电压为1～100V；

直流电源的电压为1-100V；

进一步地，直流电源的电压为方波电压，方波电压为1～10V时持续1～10min，-10～-1V时持续1～10min。

进一步地，当外接电源为直流电源时，有机污染物在阳极条处发生原位氧化反应，实现有机污染物降解脱落；转换电极连接方式，有机污染物在新的阳极条处发生原位氧化反应，实现有机污染物降解脱落；电解水产生气体将有机污染物剥离膜片表面。

进一步地，当外接电源为交流电源时，有机污染物在阳极条处发生原位氧化反应，实现有机污染物降解脱落；电解水产生气体将有机污染物剥离膜片表面；在交变电场作用下，膜上的带电污染物可从膜表面脱落。

本发明提出的用于控制膜污染的膜片及方法具有以下优势：

(1)本发明提出的膜片，通过在膜表面负载特殊导体结构，具体为若干条电极条，电极条包括相互间隔设置的阴极条和阳极条，使得整个膜片上均匀布满电极条，便于处理整个膜片上污染物；在电极条上正负交错地施加电位，相邻的阴极条和阳极条之间可形成平行于膜表面的微电场，不再需要额外添加对电极；利用不同的加电方式，控制膜片表面的电清洗污染物的过程，可实现原位在线膜污染清洗；该膜片结构简单，成本低廉，便于使用，且对材质无要求，适用范围广。

(2)本发明采用上述膜片控制膜污染的方法，由于膜片的特殊结构，可将电化学反应作用、电气浮作用以及电场效应进行一体化组合，电化学反应可使膜表面上的污染物反应从而脱离膜表面；电气浮作用可通过电解水产生的微气泡将污染物剥离膜表面；电场效应也可将膜表面污染物杀灭或使其松动从而脱落；各作用之间相互协同，针对不同的污染物产生不同的作用，去除膜表面污染物，减缓膜污染，达到膜清洗的目的。并且，由于可正负交错地施加电位，使得每根电极条上均能发生氧化反应等，进而实现所有电极条上污染物的去除，实现整个膜片的清洗。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例膜片的结构示意图；

附图标记说明：

1-膜片；2-电极条；3-阴极端；4-阳极端。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明一实施例提出一种用于控制膜污染的膜片，包括：负载于膜片1表面的导电结构，导电结构包括至少两条电极条2，电极条2包括阴极条和阳极条，阴极条与阳极条相互间隔设置，阴极条的端部相连形成阴极端3，阳极条的端部相连形成阳极端4，阴极端3和阳极端4相对设置且与外接电源相连。

如图1所示，本发明实施例通过在膜片表面负载导电结构，具体为若干条电极条，电极条包括相互间隔设置的阴极条和阳极条，使得整个膜片上均匀布满电极条，便于处理整个膜片上污染物；在电极条上正负交错地施加电位，相邻的阴极条和阳极条之间可形成平行于膜表面的微电场，不再需要额外添加对电极；利用不同的加电方式，控制膜片表面的电清洗污染物的过程，可实现原位在线膜污染清洗；该膜片结构简单，成本低廉，便于使用，且对材质无要求，适用范围广。

本发明一优选实施例中，阴极条与阳极条相对平行设置。平行且相互间隔设置的电极条之间产生的微电场更为稳定，便于电场发挥作用，因此更有利于污染物的去除。

进一步地，电极条的间隔距离为毫米级别。优选的，电极条的间隔距离为1-10mm。具体地，可以为2mm、3mm、5mm、8mm等。此间隔最为适宜形成微电场。电极条之间的间隔过大，会增加能耗，电极条之间的间隔过小，会使得阴、阳极条不易区别，容易导致短路。

需要指出，膜片表面负载的导电结构可能会覆盖住部分膜孔，但对膜片的膜通量影响相对较小，不影响膜片的正常使用，且膜片上负载导电结构可大大提高其抗污染能力。

进一步地，电极条的宽度为毫米级别。优选的，电极条的宽度为1-10mm。具体地，可以为2mm、3mm、5mm、8mm等。

本发明一实施例还提出一种控制膜污染的方法，采用上述的膜片，具体包括：

向含有待清洗膜片的反应池内通水，将膜片的阴极端、阳极端分别与外接电源接通，阴极条和阳极条之间形成微电场；

反应池内发生原位电解水产生大量气体，同时，污染物在电极条处发生化学反应、物理作用，从而实现污染物的降解脱落。

本发明实施例通过在膜表面负载特殊导体结构，包括多条相对平行设置的阴极条和阳极条，且阴极条和阳极条相互间隔设置。利用不同的加电方式，控制膜污染的电清洗过程，包括电化学反应、电气浮作用以及电场效应等，各作用之间相互协同，针对不同的污染物产生不同的化学反应、物理作用等，从而实现整个膜片上的污染物得到去除。

进一步地，污染物包括有机物污染物、无机物污染物和微生物中的一种或两种以上；无机污染物包括碳酸钙。

具体地，当污染物为有机污染物时，有机污染物在阳极条处发生氧化反应；

当污染物为碳酸钙时，碳酸钙在阳极条处与电解水产生的氢离子作用实现清洗；

当污染物为微生物时，微生物在电极条处通过高压电灭杀。

可见，电化学反应(包括有机污染物的电氧化反应、结垢的碳酸钙与氢离子的化学反应等)可使膜表面上的污染物与膜表面进行剥离；电气浮作用可通过电解水产生的微气泡将剥离的污染物带离水面；电场效应也可使得膜表面污染物被杀灭或通过交变电流震荡实现脱落；各作用之间相互协同，共同去除膜表面污染物，减缓膜污染，达到膜清洗的目的。

本发明一实施例中，外接电源为直流电源或交流电源。

进一步地，交流电源的频率为1Hz～10000Hz，交流电源的电压为1～100V。

进一步地，直流电源的电压为1-100V。当直流电源为1-10V，可以通过改变电极连接方式，使得每个电极条上都发生氧化反应去除有机污染物；或者使得每个电极条出都能电解水产生氢离子从而实现碳酸钙的去除等。

优选的，直流电源的电压为方波电压，方波电压为1～10V时持续1～10min，-10～-1V时持续1～10min。此时无需切换电极连接方式，直接实现每个电极条处污染物的去除，从而实现整个膜片上污染物的去除。

具体而言，处理有机污染物时：

当外接电源为直流电源且电压为方波电压时，当电压为1～10V时，有机污染物在阳极条处发生原位氧化反应，实现有机物降解脱落；当电压-10～-1V时，有机污染物在新的阳极条处发生原位氧化反应，实现有机物降解脱落。

当直流电源的电压为1-10V时，可先接通阴极端和阳极端，处理一段时间后，转换阴极端和阳极端的连接方式，从而使得新的阳极条处发生氧化反应，最终实现所有电极条处均能够发生氧化反应。

当外接电源为交流电源时，有机污染物在阳极条处发生原位氧化反应，实现有机物降解脱落；在交变电场力作用下，膜上的带电污染物可从膜表面脱落，从而控制膜污染。

并且，无论外接电源是直流电源或交流电源，电解水过程中都会产生气体还将污染物剥离膜片表面。

具体而言，处理结垢的碳酸钙时：

当外接电源为直流电源且电压为方波电压时，当电压为1～10V时，碳酸钙在阳极条处与电解水产生的氢离子反应，实现碳酸钙的脱落；当电压-10～-1V时，碳酸钙在新的阳极条处与电解水产生的氢离子反应，进一步实现碳酸钙的脱落。

当外接电源为交流电源时，碳酸钙在阳极条处与电解水产生的氢离子反应，实现碳酸钙的脱落；同时，在交变电场力作用下，膜上的带电污染物可从膜表面脱落，从而控制膜污染。

并且，无论外接电源是直流电源或交流电源，电解水过程中都会产生气体还将污染物剥离膜片表面。

具体而言，处理微生物时：

当外接电源为直流电源，当电压为100V高压时，微生物在电极条处被高压电灭杀；

当外接电源为交流电源时，微生物在电极条处被高压电灭杀，实现碳酸钙的脱落；同时，在交变电场力作用下，膜上的带电污染物可从膜表面脱落，从而控制膜污染；

并且，无论外接电源是直流电源或交流电源，电解水过程中都会产生气体还将污染物剥离膜片表面。

下面将结合具体实施例来阐述本发明的技术方案。

实施例1一种控制膜污染的方法

本实施例为原水处理，其中待处理水中含TOC浓度为100mg/L。

采用本发明实施例中膜片，其中，电极条间距10mm，电极条的宽度为5mm，各电极条之间平行设置，初始膜通量为1500L·m^-2h^-2bar^-1，

不通电处理5min后，实验后膜通量为1255.05L·m^-2h^-2bar^-1；

接通交流电源(频率为100Hz，电压20V)处理5min后，膜通量为1390.5L·m^-2h^-2bar^-1。

实施例2一种控制膜污染的方法

本实施例为原水处理，其中待处理水中含碳酸钙浓度为10mM。

采用本发明实施例中膜片，其中，电极条间距3mm，电极条的宽度为5mm，各电极条之间平行设置，初始膜通量为1500L·m^-2h^-2bar^-1；

不通电处理10min后，膜通量为1097.1L·m^-2h^-2bar^-1；

接通直流电源(采用方波电压，10V通电5min，然后切换至-10V通电5min)，膜通量为1459.5L·m^-2h^-2bar^-1。

实施例3一种控制膜污染的方法

本实施例为原水处理，其中待处理水中含大肠杆菌浓度为10^6CFU/L。

采用本发明实施例中膜片，其中，电极条间距8mm，电极条的宽度为8mm，初始膜通量为1500L·m^-2h^-2bar^-1；

不通电处理5min后，膜通量为942L·m^-2h^-2bar^-1；

同样条件下，接通交流电源(频率为1000Hz，电压100V)处理5min后，膜通量为1368L·m^-2h^-2bar^-1。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于控制膜污染的膜片，其特征在于，包括：

负载于膜片(1)表面的导电结构，所述导电结构包括至少两条电极条(2)，所述电极条(2)包括阴极条和阳极条，所述阴极条与所述阳极条相互间隔设置，所述阴极条的端部相连形成阴极端(3)，所述阳极条的端部相连形成阳极端(4)，所述阴极端(3)和所述阳极端(4)相对设置且与外接电源相连。

2.根据权利要求1所述的膜片，其特征在于，

所述电极条(2)之间相对平行设置。

3.根据权利要求1或2所述的膜片，其特征在于，

所述电极条(2)的间隔距离为毫米级别；优选的，所述电极条(2)的间隔距离为1-10mm。

4.根据权利要求1或2所述的膜片，其特征在于，

所述电极条(2)的宽度为毫米级别；优选的，所述电极条的宽度为1-10mm。

5.一种控制膜污染的方法，其特征在于，

采用权利要求1-4任一项所述的膜片，具体包括：

向含有待清洗膜片(1)的反应池内通水，将膜片的阴极端(3)、阳极端(4)分别与外接电源接通，阴极条和阳极条之间形成微电场；

反应池内发生原位电解水产生气体，同时，污染物在电极条(2)处发生化学反应、物理作用，从而实现污染物的降解脱落。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述污染物包括有机物污染物、无机物污染物和微生物中的一种或两种以上；所述无机污染物包括碳酸钙；

当所述污染物为有机污染物时，有机污染物在阳极条处发生氧化反应；

当所述污染物为碳酸钙时，碳酸钙在阳极条处与电解水产生的氢离子作用实现清洗；

当所述污染物为微生物时，微生物在电极条处通过高压电灭杀。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述外接电源为直流电源或交流电源。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述交流电源的频率为1Hz～10000Hz，所述交流电源的电压为1～100V；

所述直流电源的电压为1-100V；优选的，所述直流电源的电压为方波电压，所述方波电压为1～10V时持续1～10min，-10～-1V时持续1～10min。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

当外接电源为直流电源时，有机污染物在阳极条处发生原位氧化反应，实现有机污染物降解脱落；转换电极连接方式，有机污染物在新的阳极条处发生原位氧化反应，实现有机污染物降解脱落；电解水产生气体将有机污染物剥离膜片表面。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

当外接电源为交流电源时，有机污染物在阳极条处发生原位氧化反应，实现有机污染物降解脱落；电解水产生气体将有机污染物剥离膜片表面；在交变电场作用下，膜上的带电污染物可从膜表面脱落。