CN111039354A - 过滤系统及其运作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过滤系统及其运作方法，用以将一溶液过滤为一净化水，所述过滤系统包括：一原液槽、一过滤装置、一废液槽以及一流放槽。所述原液槽装载有所述溶液；所述过滤装置与所述原液槽连接，其中所述过滤装置包括有复数个过滤模块，每一个过滤模块包括至少一过滤基板以及至少一多孔过滤薄膜；所述废液槽分别与所述过滤装置和所述原液槽连接，所述废液槽经由所述过滤装置回收浓缩废液，并排放所述浓缩废液至所述原液槽；所述流放槽与所述过滤装置连接，所述流放槽回收并排放净化水。

Description

过滤系统及其运作方法

技术领域

本发明系关于一种过滤系统及其运作方法，尤指一种可长时间透过薄膜蒸馏(Membrane Distillation,MD)法进行溶液过滤的过滤系统及其运作方法。

背景技术

水危机是泛指世界性的水资源相对人类需求的状况，主要的危机来源是可用水的匮乏以及水体污染，因此如何寻找可利用的水资源及解决水体污染是各国目前亟需解决的问题之一。

现有技术针对水危机的问题，目前已有针对海水淡化及过滤工业废水等方式进行。海水是地球上数量最大的资源，包括取之不尽、用之不竭的水资源，开发和利用海水淡化技术，不仅是现代海洋开发的一项重要任务，也是未来开发新水源解决全球性水资源危机的重要途径之一。

而在工业废水上，因传统或科技产业的生产过程中，水源可说是工厂营运的生命线，相对于需求水量大，废水处理后的排出水量也就相当可观，且在生产过程中，通常会排放有机溶剂，此些溶剂不管流入河川或海洋，都会因此危害人类身体健康或影响自然生态，若能以适当的方法回收部份废水，除可提供另一稳定的供水水源外，更可降低总废水排放量，将能落实水资源的有效利用，而现有技术针对废水处理此问题，多是采用薄膜法。然而，薄膜法所需能源消耗大，且若薄膜受到固体微粒的积垢，往往得为了更换薄膜或其他组件而停止整个过滤系统的运作，大幅降低过滤的效率，也使成本相对提高。

有鉴于此，目前亟需一种能长时间不间断处理海水、工业废水及民生废水的过滤系统，以解决目前水危机，并达到水资源的有效回收与利用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种透过薄膜蒸馏(Membrane Distillation,MD)法，进行长时间过滤的过滤系统及其运作方法。

基于上述目的，本发明提出一种过滤系统包括：一原液槽，装载有一溶液；一过滤装置，与所述原液槽连接，所述过滤装置过滤所述溶液以形成一净化水与一浓缩废液，其中所述过滤装置包括有复数个过滤模块，每一个过滤模块包括至少一过滤基板以及至少一多孔过滤薄膜；一废液槽，分别与所述过滤装置和所述原液槽连接，所述废液槽经由所述过滤装置回收所述浓缩废液，并排放所述浓缩废液至所述原液槽；以及一流放槽，与所述过滤装置连接，流放槽回收并排放所述净化水。

更进一步地，所述过滤系统还包括一中和槽设于所述过滤装置与所述流放槽之间。

本发明更提出一种过滤系统的运作方法，用于将一溶液过滤为一净化水，所述方法步骤包括：在步骤a中，引入一原液槽中的所述溶液至一过滤装置；在步骤b中，所述过滤装置过滤所述溶液以形成所述净化水与一浓缩废液，其中所述过滤装置包括有复数个过滤模块，每一个过滤模块包括至少一过滤基板以及至少一聚四氟乙烯(PTFE)多孔过滤薄膜；在步骤c中，一流放槽经由所述过滤装置回收所述净化水，并排放所述净化水；以及在步骤d中，一废液槽经由所述过滤装置回收所述浓缩废液，并排放所述浓缩废液至所述原液槽。

更进一步地，在步骤c中，还可包括一中和槽设于所述过滤装置与所述流放槽之间，所述中和槽用于中和所述净化水的酸碱值(pH值)。

以上对本发明的简述，目的在于对本发明的数种面向和技术特征作一基本说明。发明简述并非对本发明的详细表述，因此其目的不在特别列举本发明的关键性或重要组件，也不是用来界定本发明的范围，仅为以简明的方式呈现本发明的数种概念而已。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明较佳实施例的过滤系统示意图；

图2为本发明较佳实施例的过滤系统的运作方法流程图；

图3本发明较佳实施例的过滤模块示意图；

图4本发明较佳实施例的过滤系统的过滤方法示意图。

附图标号说明：

1…过滤系统

10…原液槽

110…溶液

20…过滤装置

22…过滤模块

221…过滤基板

222…多孔过滤薄膜

223…溶液进液口

224…热交换器

225…废液出液口

226…净化水液出液口

227…冷却交换器

228…抽真空器

30…废液槽

310…浓缩废液

40…流放槽

410…净化水

50…中和槽

60…采样槽

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1所示，其为本发明较佳实施例的过滤系统示意图。过滤系统1包括：装载有一溶液110的一原液槽10；一过滤装置20，与所述原液槽10透过输送管路连接，所述过滤装置20过滤所述溶液110以形成一净化水410与一浓缩废液310，其中所述过滤装置20包括有复数个过滤模块22，每一个过滤模块22包括至少一过滤基板221以及至少一多孔过滤薄膜222(可参照图3)；一废液槽30，分别与所述过滤装置20和所述原液槽10透过输送管路连接，所述废液槽30回收所述过滤装置20回收排放的所述浓缩废液310，并回收所述部分浓缩废液310至所述原液槽10中；以及一流放槽40，透过输送管路与所述过滤装置20连接，所述流放槽40回收所述过滤装置20所排放的所述净化水410，并将所述净化水410排放至外部。

其中，所述过滤系统1还可以包括一中和槽50，设置于所述过滤装置20与所述流放槽40之间，并透过输送管路分别与所述过滤装置20和所述流放槽40连接，所述中和槽50是用来在将所述过滤装置20过滤后的净化水410排放至外部环境之前，加入pH值调整剂以中和所述净化水410的酸碱值(pH值)趋近于酸碱值6至9，更好的是酸碱值趋近于7，避免污染生态环境。

请同时参考图2所示，其为本发明较佳实施例的过滤系统的运作方法流程图。过滤系统1的运作方法是用来将一溶液10过滤为一净化水410，所述方法步骤包括：在步骤a中，将一原液槽10中待过滤的所述溶10液引入至一过滤装置20；在步骤b中，所述过滤装置20过滤所述溶液10以形成所述净化水410与一浓缩废液310，其中所述过滤装置20包括有复数个过滤模块22，且每一个过滤模块22包括至少一过滤基板221以及至少一聚四氟乙烯(PTFE)材质的多孔过滤薄膜222；在步骤c中，一流放槽40经由所述过滤装置20回收所述过滤装置20排放的净化水410，并将所述净化水410排放至外部环境中；以及在步骤d中，与所述过滤装置20连接的一废液槽30经由所述过滤装置20回收所述浓缩废液310，并排放所述浓缩废液310至所述原液槽10中，或经脱水后形成固态或浓稠态废料废弃；其中，在步骤c中，更包括一中和槽50设于所述过滤装置20与所述流放槽40之间，所述中和槽50用于中和所述净化水410的酸碱值(pH值)。

其中，所述过滤系统1还可以包括一采样槽60，透过输送管路与所述流放槽40连接，用于采样检测所述流放槽40中的净化水410是否符合排放至外部环境的标准。

其中，所述废液槽30中还可设有污泥脱水机(图未示)，可将废液槽30中的浓缩废液310脱水形成固态或浓稠态废料后排出，以利于废弃作业；而经污泥脱水机排出的液体可重新回收至所述原液槽10中进行过滤，直至排出溶液中的大部分的废料。

其中，所述溶液110为果汁、海水、工业废水、民生废水、化学浓缩液或高挥发性溶液(VOC)等，所述溶液110也可以是流放槽30排放的所述浓缩废液310或上述经污泥脱水机排出的液体，以达到废水高回收率。

请同时参考图3所示，其为本发明较佳实施例的过滤模块示意图。其中所述过滤模块22包括至少一过滤基板221以及至少一多孔过滤薄膜222。所述多孔过滤薄膜222的材质可以是聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)或聚四氟乙烯(PTFE)或其组合，且以聚四氟乙烯(PTFE)为最佳。聚四氟乙烯(PTFE)材质的多孔过滤薄膜222除了具备耐热、耐燃、耐酸碱、拨水等特性外，还能使薄膜内部的纤维产生物理架锁的结构上下左右拉住结点，使得所述聚四氟乙烯(PTFE)材质的多孔过滤薄膜222发生潜变(creep)的现象减少，若于所述聚四氟乙烯(PTFE)多孔过滤薄膜222的制造时混入活性碳或其他活性物质，更可额外达到净化水质的功用。

其中，所述聚四氟乙烯材质的多孔过滤薄膜222的气孔孔径介于0.01μm至10μm之间，所述聚四氟乙烯孔过滤薄膜222的气孔分布率介于10％至99％之间、所述聚四氟乙烯孔过滤薄膜222的薄膜厚度介于1μm至100μm之间，而所述气孔孔径、气孔分布率及薄膜厚度可以依据使用者所要处理的溶液110(如海水、工业废水及民生废水)质量不同而做变化，本发明不应以此为限。

由图3中可看出所述过滤模块22除了过滤基板221及多孔过滤薄膜222外，还包括一溶液进液口223、一热交换器224、一废液出液口225、一净化水出液口226、一冷却交换器227以及一抽真空器228，前述的过滤基板221、热交换器224以及冷却交换器227均为基板状结构，且彼此堆栈形成卡匣式的过滤模块22。其中，所述溶液进液口223与原液槽10连接，用于引入前述的原液槽10(可参照图1)中待过滤的溶液110；所述热交换器224与所述溶液进液口223连接，用于加热所述溶液110；所述多孔过滤薄膜222设于所述过滤基板221上，且所述过滤基板221及多孔过滤薄膜222设置于所述热交换器224及所述冷却交换器227之间，用于过滤所述溶液110以形成一浓缩废液310(可参照图1)及一净化水蒸气(图未示)；所述废液出液口225与所述过滤基板221和前述的废液槽30(可参照图1)连接，用于排放所述浓缩废液310至废液槽中30；所述抽真空器228设置于所述过滤基板221相对于所述热交换器224一侧(即与所述冷却交换器227同一侧)，用于降低所述冷却交换器227一侧的蒸气压力；所述冷却交换器227用于冷凝穿透过所述多孔过滤薄膜222的净化水蒸气以形成一净化水410(可参照图1)；所述净化水出液口226与所述冷却交换器227和前述的流放槽40(可参照图1)或前述的中和槽50(可参照图1)连接，用于将排出所述净化水410至流放槽40或中和槽50中。

更进一步地，所述过滤膜组22是以薄膜蒸馏(Membrane Distillation,MD)的方法进行溶液的过滤，所述薄膜蒸馏方法的详细步骤如下：将原液槽10中待过滤的溶液110透过溶液进液口223注入热交换器224，所述溶液110经过热交换器224加热后，所述溶液110温度为摄氏60-80度并产生部分水蒸气(含有溶液110及净化水蒸气)。当高温溶液110接触到设于所述过滤基板221上的多孔过滤薄膜222，由于多孔过滤薄222膜靠近热交换器224一侧为疏水性的材质，因此溶液110会被多孔过滤薄膜222挡下而形成浓缩废液310；同时，设置于所述过滤基板221相对于所述热交换器224一侧(即与所述冷却交换器227同一侧)的抽真空器228将冷却交换器227一侧的空气抽真空，使得所述冷却交换器227一侧的蒸气压力降低，由于多孔过滤薄膜222的气孔大小大于溶液110分子却小于净化水蒸气分子，借此净化水蒸气会穿过(气体分子由高压往低压移动)多孔过滤薄膜22上的气孔而进入冷却交换器227。最后，冷却交换器227会将净化水蒸气冷凝为净化水410(溶液)，并透过连接于冷却交换器227上的净化水出液口226排出净化水410至流放槽40或中和槽50中，完成溶液110的过滤。

值得注意的是，至少一多孔过滤薄膜222可进行化学改质处理使其变成亲水性或疏水性，而多孔过滤薄膜222与溶液110接触的一面为仅可以是疏水性表层。因为疏水性表层的特色在于液体无法穿透，仅有水蒸气可以穿透，而亲水性表层则是液体与水蒸气均可穿透。

另外，过滤膜组22中的多孔过滤薄膜222在过滤的过程中是处于负压的状态，因此在长期使用后，多孔过滤薄膜222靠近热交换器224一侧会因为溶液110中固态微粒的积垢，而严重影响过滤膜组22的净化水410出水量和过滤的品质。然而，已知的过滤装置通常透过药水或是人工清理的方法，需全面停止过滤装置的运作，使过滤工程停摆，影响到过滤装置的效率。因此，请参考图4所示，其为本发明较佳实施例的过滤系统的过滤方法示意图，在本较佳实施例中，所述复数个过滤膜组22的数量为八个，且每一个过滤膜组22彼此以并联方式同时过滤由原液槽10引入的待过滤溶液110。若当其中一个(或以上)过滤膜组22中的多孔过滤薄膜222受到固态微粒的积垢而影响过滤效率，或过滤膜组22中(可参照图3的溶液进液口223、热交换器224、废液出液口225、过滤基板221、净化水出液口226、一冷却交换器227以及一抽真空器228)的任一组件故障损坏，仅需将要替换的过滤膜组22组件取出并更换备品，同时其他过滤膜组22仍持续运作过滤溶液110，借此避免长时间停止过滤装置20的运作，以提升过滤的效率。

更进一步地，过滤膜组22还可包括一传感器(图未示出)，用于侦测每一个过滤膜组22中多孔过滤薄膜222受到固态微粒积垢的影响，或侦测每一个过滤膜组22过滤溶液的效率，当多孔过滤薄膜222上的固态微粒积垢过多，或过滤膜组22过滤溶液的效率过低时，即可发出警示提醒检修人员应尽速更换过滤膜组22或其组件。所述过滤装置22也可以更设有一储藏空间(图未示出，所述储藏空间可放置复数个过滤膜组22的备品，当遇到上述状况发生时，所述过滤装置20仅须从所述储藏空间中自动取出过滤膜组22的备品，并自行替换即可持续运作。

经由过滤装置20过滤后所排放的浓缩废液310，还可透过输送管路回收至原液槽10中以进行二次以上的过滤，或是串联多个过滤模块22(可参照图4所示，其为本发明较佳实施例的过滤系统的过滤方法示意图)，依此不断循环直至溶液110的净化水410完全被滤出。在本较佳实施例中，浓缩废液310回收的次数为五次(即单一溶液共过滤六次)，换句话说，是将八个彼此并联的过滤模块22为一个单位，并将六个单位再相互串联(共四十八个过滤模块22，图4仅以串联三个单位共二十四个过滤模块22为例)，如图4中虚线所示，其中每一个过滤模块22可以自行排出所述净化水410至放流槽40中，也可以是八个彼此并联的过滤模块22排出的所述净化水410聚集汇流后，在一并排放至放流槽40中。同时以每次过滤装置20的过滤效果为每100公升溶液可过滤出30公升净化水(即过滤效滤为百分之三十)为实验，请参考下表一的实验数据，可知当所述溶液110经由本发明过滤系统1共六次的过滤后，所述溶液110中会有将近百分之九十的净化水410被过滤出来。借此，浓缩废液310不再是立即丢弃的废弃物，其将会带来额外的回收利益，浓缩废液310回收后可大量减少成本，同时能达到零排放，并大幅降低法规风险、缺水风险等功效。

表一.100公升溶液经六次过滤后所排放净化水和浓缩废液的流量

而前述所述过滤膜组22的数量或所述过滤系统1所过滤的次数，均可依据使用者的需求，或待过滤溶液110的不同自行调整，本发明不应以此为限。更进一步地，本发明过滤系统1所包括的过滤装置20还可与一外部的工业计算机或人机接口(图未示)等逻辑控制装置连接，用户可透过工业计算机或人机接口输入过滤膜组22的数量，或过滤系统1过滤的次数(即前述串联单位的数目)，成为可高度扩充调整的过滤系统1。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种过滤系统，其特征在于，包括：

一原液槽，装载有一溶液；

一过滤装置，与所述原液槽连接，所述过滤装置过滤所述溶液以形成一净化水与一浓缩废液，其中所述过滤装置包括有复数个过滤模块，每一个过滤模块包括至少一过滤基板以及至少一多孔过滤薄膜；

一废液槽，分别与所述过滤装置和所述原液槽连接，所述废液槽经由所述过滤装置回收所述浓缩废液，并排放所述浓缩废液至所述原液槽；以及

一流放槽，与所述过滤装置连接，流放槽回收并排放所述净化水。

2.如权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，更包括一中和槽设于所述过滤装置与所述流放槽之间。

3.如权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，每一个复数个过滤模块彼此以并联方式过滤所述溶液。

4.如权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述多孔过滤薄膜的材质为聚苯乙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚砜或聚四氟乙烯或其组合。

5.如权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述多孔过滤薄膜的气孔孔径介于0.01μm至10μm之间，所述多孔过滤薄膜的气孔分布率介于10％至99％之间，所述多孔过滤薄膜的厚度介于1μm至100μm之间。

6.如权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述溶液为海水、工业废水、民生废水、高挥发性溶液或所述流放槽排放的所述浓缩废液。

7.一种过滤系统的运作方法，其特征在于，方法步骤包括：

a.引入一原液槽中的一溶液至一过滤装置；

b.所述过滤装置过滤所述溶液以形成一净化水与一浓缩废液，其中所述过滤装置包括有复数个过滤模块，每一个过滤模块包括至少一过滤基板以及至少一聚四氟乙烯多孔过滤薄膜；

c.一流放槽经由所述过滤装置回收所述净化水，并排放所述净化水；以及

d.一废液槽经由所述过滤装置回收所述浓缩废液，并排放所述浓缩废液至所述原液槽；

所述复数个过滤模块彼此以并联方式过滤所述溶液。

8.如权利要求7所述的过滤系统的运作方法，其特征在于，所述步骤c中，更包括一中和槽设于所述过滤装置与所述流放槽之间，所述中和槽用于中和所述净化水的酸碱值。

9.如权利要求7所述的过滤系统的运作方法，其特征在于，所述溶液为海水、工业废水、民生废水、高挥发性溶液或所述流放槽排放的所述浓缩废液。

10.如权利要求7所述的过滤系统的运作方法，其特征在于，每一个过滤膜组是以薄膜蒸馏的方法进行过滤。

Images