CN111229044A - 一种碟管式分离膜组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碟管式(DT)分离膜组件，采用自身带有流道的分离膜膜片结构，并对膜组件的密封方式进行优化。与传统膜组件相比，新型碟管式分离膜组件具有结构简单，膜装填面积高，便于维护，成本低廉，组件密封性好等优势，具有良好的应用前景。

Description

一种碟管式分离膜组件
技术领域
本发明涉及膜分离器，具体为一种碟管式(DT)分离膜组件。
背景技术
碟管式膜组件构造与传统的卷式膜和中空纤维膜截然不同，膜柱是通过两端都有螺纹的不锈钢管将一组导流盘与反渗透膜紧密集结成筒状而成的。碟管式膜组的优良性能依赖于品质优良的膜片和导流盘结构。导流盘表面有一定方式排列的凸点，使处理液形成湍流，增加透过速率和自清洗功能。导流盘将膜片夹在中间，使处理液快速切向流过膜片表面。该技术是专门针对高浓度料液的过滤分离而开发的，已成功应用近30年。其中，碟管式反渗透膜组件的应用最为广泛。
和其他膜组件相比，碟管式反渗透具有以下四个明显的特点：
通道宽：膜片之间的通道远大于卷式封装的膜组件。
流程短：液体在膜表面的流程仅7cm，而卷式封装的膜组件为100cm。
湍流行：由于高压的作用，渗滤液打到导流盘上的凸点后形成高速湍流，这种湍流的冲刷下，膜表面不易沉降污染物。在卷式封装的膜组件中，网状支架会截留污染物，造成静水区从而带来膜片的污染。
易维护：当拉杆已释放时，可容易地移除液压盘及膜垫。模块的无损开闭允许低成本滤膜更换。
碟管式膜主要由膜片和导流盘所构成。导流盘保证原料液从膜片外沿-到膜片内沿-再到膜片外沿的顺序流动，且导流盘存在很多小凸点，帮助原料液在膜表面形成湍流。同时，导流盘可以为碟管式膜提供较宽的流道，有助于降低膜污染。因此，导流盘是碟管式分离膜的关键部件。
根据料液在碟管式分离膜中的流动方式，导流盘需要与膜片交替排列。一根商业化8英寸碟管式分离膜中含膜片209片，导流盘为210片，有效膜面积为9.04㎡，远小于商业化8040卷式膜组件的有效膜面积(37m2)。图4中给出了传统碟管式分离膜的导流盘和密封结构。(14)为传统碟管式分离膜膜片。(15)为传统碟管式分离膜垫圈槽。(16)为传统碟管式分离膜组件垫圈。(17)为传统碟管式分离膜导流盘上的凸点。(17)为传统碟管式分离膜组件导流盘。有效膜面积降低导致碟管式分离膜的处理量较小，经济性较差，处理成本高，影响了碟管式分离膜的应用。造成这种现象的原因是导流盘的厚度(4.2mm)比膜片的厚度(0.5mm)大的多。因此，通过结构设计和优化，提高分离膜的集成度，是提高碟管式分离膜性能的关键因素。另一方面，碟管式膜组件采用密封垫挤压密封的方式，该方式对碟管式组件的装配工艺提出较高要求，同时在使用过程中频繁的加压和泄压操作容易造成分离膜垫圈密封性下降，导致分离膜截留性能下降。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是研发一种具有高装填密度，良好密封性能和抗污染的碟管式分离膜组件。
为解决以上技术问题，本发明提出的技术方案是优化碟管式分离膜组件的密封结构，通过改变导流盘结构来增加膜组件的装填密度，提高膜组件的有效膜面积。采用带有抗菌基团的隔网材料，在隔网上形成凸点已保持原料液在分离膜的湍流形态。所述的分离膜膜片分为两种。一种膜片的流道在膜片的外侧；一种膜片的流道在膜片的内侧，两种膜片交替排列，膜片的形状为圆形；所述的密封圈为Y型圈，在加压后可以自动压紧，形成密封层；所述的分离膜隔网形式为传统的反渗透进水隔网，隔网上含有凸点形成湍流。所述的垫圈支撑板的厚度为2.5mm，小于原有导流板的厚度4.2mm，可以大幅度提高碟管式分离膜的装填密度。
按照原有导流板的厚度(4.2mm)和膜片厚度(0.5mm)计算，一个膜单元的厚度为4.7mm，8英寸碟管式分离膜共填装膜片209片，有效膜面积为9.04m2，膜片间有效流道为0.88mm。再采用本发明所选用的结构后，采用垫圈支撑板代替原有导流板，支撑板的厚度为2mm，膜片厚度为0.5mm，一个膜单元的厚度为2.5mm，膜片间有效流道为1mm。8英寸碟管式分离膜共填装膜片400片，有效膜面积为17.22m2。
一种碟管式分离膜组件，包括中部带通孔的膜片、中部带通孔的分离膜垫片、中心支撑杆、密闭的壳体，
于壳体内膜片和垫片通过其上的中心通孔交替穿套于中心支撑杆上，物料进口和出口位于壳体上靠近中心支撑杆的一端或二端；
中心支撑杆二端穿过壳体壁面伸出至壳体外，伸出壳体外的二端或一端作为产水口；
所述膜片是由二片中部带通孔的同样大小和形状的片状膜叠合而成的双层膜，于二片片状膜上均开设有相对应水流道，于二片片状膜之间设有片状格网，二片片状膜的四周边缘密闭连接，二片片状膜的水流道四周边缘密闭连接；形成自身带有流道的膜片，引导原料液按照一定的规律流动；
所述膜片分为两种，一种膜片的水流道设置于靠近其四周边缘的膜片的外侧；一种膜片的水流道设置于靠近其中部的膜片的内侧，两种膜片于中心支撑杆上交替排列，垫片和中心杆之间形成密封的流道，膜片的产水通过此流道通过产水口产水。
所述垫片上下表面无论设有环形突起，中部通孔位于环形突起所围绕的区域内，且膜片的水流道处于环形突起所围绕的区域之外；于远离垫片的环形突起表面设有环形垫圈槽，环形垫圈槽内设有环形垫圈，环形垫圈的四周边缘设有与垫圈同几何中心的环形槽。
所述环形垫圈上的环形槽的轴向截面为Y型，即环形垫圈为Y型垫圈；
所选用分离膜的垫圈为Y型垫圈，Y型垫圈为外端开口，内端实心的密封垫；Y型垫圈的开口侧对着外侧，当外侧增加压力时，开口侧打开，形成密封结构。于环形突起所围绕的区域之外的垫片上下表面分别设有凸点，形成导流流场。分离膜膜片结构为双层膜通过超声波焊接在一起，分离膜的功能层朝外，分离膜之间采用隔网分隔；焊接的部位包括分离膜片的外沿，流道沿；分离膜之间的格网为聚丙烯材质，用于维持膜片透过液的流道；分离膜自身流道形状为圆弧形，两种膜片的水流道分别分布在膜片的内沿和外沿，每个膜片上有2-100个流道，优选为3-20个，圆弧的长度的位置分别沿同一圆周均匀分布。
分离膜组件装配在具有耐压能力的壳体中，壳体的耐压能力为0.01-16MPa之间，所选用的材质包括而不仅限于聚丙烯，聚乙烯，改性聚氯乙烯，不锈钢，玻璃钢等中的一种或二种以上。
所选用的碟管式分离膜膜片包括微孔滤膜，超滤膜，纳滤膜和反渗透膜四种中的一种或二种以上，分离膜形式为平板式。
格网的厚度为5-100mil，优选为20-50mil。
分离膜膜片采用超声波焊接方式进行密封；(1)为中心管口，(2)为膜片预留流道，采用超声波焊接方式，流道口分别在圆形膜片的内侧或外侧，二种膜片交替排列；(3)为分离膜透过液流道；(4)为碟管式分离膜的中心支撑杆；(5)为分离膜垫片；(6)为分离膜膜片外侧自身流道；(7)为分离膜膜片内侧自身流道；(8)为分离膜膜片。
本发明碟管式(DT)分离膜组件，采用自身带有流道的分离膜膜片结构，并对膜组件的密封方式进行优化。与传统膜组件相比，新型碟管式分离膜组件具有结构简单，膜装填面积高，便于维护，成本低廉，组件密封性好等优势，具有良好的应用前景。
与现有碟管式膜组件相比，本发明的优点在于：
分离膜的有效装填面积提高，分离膜的有效膜面积从9.04m2增加到17.22m2，且膜片间的流道宽度增加，处理量增加，抗污染能力增强，原料液湍流程度增加。分离膜的密封安全性大幅度提高。垫圈具Y型结构，可以提高分离膜的密封性。
附图说明：
图1为新型碟管式分离膜膜片结构，(a)第一种分离膜膜片，开口在分离膜外侧；(b)第二种分离膜膜片，开口在分离膜内侧；
图2为新型碟管式分离膜的装配结构和原料液流动方向；
图3为新型碟管式分离膜的垫片和密封圈结构；
图4为传统碟管式分离膜的垫片和密封结构。
具体实施方式
一种碟管式分离膜组件，
包括中部带通孔的膜片、中部带通孔的分离膜垫片、中心支撑杆、密闭的壳体，
于壳体内膜片和垫片通过其上的中心通孔交替穿套于中心支撑杆上，物料进口和出口位于壳体上靠近中心支撑杆的一端或二端；
中心支撑杆二端穿过壳体壁面伸出至壳体外，伸出壳体外的一端作为产水口，另一密封；
所述膜片是由二片中部带通孔的同样大小和形状的片状膜叠合而成的双层膜，于二片片状膜上均开设有相对应水流道，于二片片状膜之间设有片状格网，二片片状膜的四周边缘密闭连接，二片片状膜的水流道四周边缘密闭连接；形成自身带有流道的膜片，引导原料液按照一定的规律流动；
所述膜片分为两种，一种膜片的水流道设置于靠近其四周边缘的膜片的外侧；一种膜片的水流道设置于靠近其中部的膜片的内侧，两种膜片于中心支撑杆上交替排列，垫片和中心杆之间形成密封的流道，膜片的产水通过此流道通过产水口产水。
所述垫片上下表面无论设有环形突起，中部通孔位于环形突起所围绕的区域内，且膜片的水流道处于环形突起所围绕的区域之外；于远离垫片的环形突起表面设有环形垫圈槽，环形垫圈槽内设有环形垫圈，环形垫圈的四周边缘设有与垫圈同几何中心的环形槽。
所述环形垫圈上的环形槽的轴向截面为Y型，即环形垫圈为Y型垫圈；
所选用分离膜的垫圈为Y型垫圈，Y型垫圈为外端开口，内端实心的密封垫；Y型垫圈的开口侧对着外侧，当外侧增加压力时，开口侧打开，形成密封结构。
于环形突起所围绕的区域之外的垫片上下表面分别设有凸点，形成导流流场。分离膜膜片结构为双层膜通过超声波焊接在一起，分离膜的功能层朝外，分离膜之间采用隔网分隔；焊接的部位包括分离膜片的外沿，流道沿；分离膜之间的格网为聚丙烯材质，用于维持膜片透过液的流道；分离膜自身流道形状为圆弧形，两种膜片的水流道分别分布在膜片的内沿和外沿，每个膜片上有2-100个流道，优选为3-20个，圆弧的长度的位置分别沿同一圆周均匀分布。
分离膜组件装配在具有耐压能力的壳体中，壳体的耐压能力为0.01-16MPa之间，所选用的材质包括而不仅限于聚丙烯，聚乙烯，改性聚氯乙烯，不锈钢，玻璃钢等中的一种或二种以上。
所选用的碟管式分离膜膜片包括微孔滤膜，超滤膜，纳滤膜和反渗透膜四种中的一种或二种以上，分离膜形式为平板式。
格网的厚度为5-100mil，优选为20-50mil。
分离膜膜片采用超声波焊接方式进行密封；(1)为中心管口，(2)为膜片预留流道，采用超声波焊接方式，流道口分别在圆形膜片的内侧或外侧，二种膜片交替排列；(3)为分离膜透过液流道；(4)为碟管式分离膜的中心支撑杆；(5)为分离膜垫片；(6)为分离膜膜片外侧自身流道；(7)为分离膜膜片内侧自身流道；(8)为分离膜膜片。
实施例1
新型碟管式反渗透分离膜组件，选用新型碟管式分离膜垫片，密封垫，分离膜膜片和隔网组装碟管式分离膜组件。支撑板的厚度为2mm，膜片厚度为0.5mm，一个膜单元的厚度为2.5mm，8英寸碟管式分离膜共填装膜片400片，有效膜面积为17.22m2。膜片为商业化反渗透膜片，对NaCl截留率为99.5％。
采用碟管式分离膜组件处理某垃圾裂解液，该裂解液为垃圾填埋场的污泥和渗滤液，经高温热解后，采用固液分离方式得到垃圾热解液。原料液的基本情况为：硬度为6000mg/L，蛋白等污染物的固含量为2％，电导率为8000μS/cm。在4.5-5.5MPa下进行过滤，分离膜的水通量为270L/h，料液的浓缩倍数为75％，透过液电导率为175μS/cm，浓缩液固含量为6％。经过4小时过滤后，分离膜组件的水通量不变，组件的过滤压力增加到6.5MPa。经过简单水力清洗后分离膜恢复到初始压力和通量。运行14天内膜组件无渗漏现象。
实施例2
新型碟管式纳滤分离膜组件，选用新型碟管式分离膜垫片，密封垫，分离膜膜片和隔网组装碟管式分离膜组件。支撑板的厚度为2mm，膜片厚度为0.5mm，一个膜单元的厚度为2.5mm，8英寸碟管式分离膜共填装膜片400片，有效膜面积为17.22m2。膜片为商业化纳滤膜片，对NaSO4截留率为99.5％。
采用碟管式纳滤分离膜组件处理某化工厂废水，该废水含NaSO4、NaCl等无机盐和部分污染物，污染物的固含量为1％，电导率为6000μS/cm。在1.5-2.0MPa下进行过滤，分离膜的水通量为300L/h，料液的浓缩倍数为80％，透过液电导率为1000μS/cm，浓缩液固含量为5％。经过4小时过滤后，分离膜组件的水通量不变，组件的过滤压力增加到3MPa。经过简单水力清洗后分离膜恢复到初始压力和通量。运行14天内膜组件无渗漏现象。
实施例3
新型碟管式超滤分离膜组件，选用新型碟管式分离膜垫片，密封垫，分离膜膜片和隔网组装碟管式分离膜组件。支撑板的厚度为2mm，膜片厚度为0.5mm，一个膜单元的厚度为2.5mm，8英寸碟管式分离膜共填装膜片400片，有效膜面积为17.22m2。膜片为商业化超滤膜片，对细胞色素C截留率为90％。
采用碟管式超滤分离膜组件处理多糖物料溶液，该料液中固含量为1％。在0.15MPa下进行过滤，分离膜的水通量为400L/h，料液的浓缩倍数为80％，浓缩液固含量为5％。经过4小时过滤后，分离膜组件的水通量不变，组件的过滤压力增加到0.3MPa。经过简单水力清洗后分离膜恢复到初始压力和通量。
实施例4
新型碟管式微滤分离膜组件，选用新型碟管式分离膜垫片，密封垫，分离膜膜片和隔网组装碟管式分离膜组件。支撑板的厚度为2mm，膜片厚度为0.5mm，一个膜单元的厚度为2.5mm，8英寸碟管式分离膜共填装膜片400片，有效膜面积为17.22m2。膜片为商业化微滤膜膜片，截留分子量为30万。
采用碟管式微滤分离膜组件处理细菌发酵溶液，该料液中固含量为0.4％。在0.1MPa下进行过滤，分离膜的水通量为400L/h，料液的浓缩倍数为95％，浓缩液固含量为8％。经过4小时过滤后，分离膜组件的水通量不变，组件的过滤压力增加到0.3MPa。经过简单水力清洗后分离膜恢复到初始压力和通量。
对比例1
传统碟管式反渗透分离膜组件，支撑板的厚度为4.2mm，膜片厚度为0.5mm，一个膜单元的厚度为4.7mm，8英寸碟管式分离膜共填装膜片209片，有效膜面积为9.04m2。膜片为商业化反渗透膜片，对NaCl截留率为99.5％。
采用碟管式分离膜组件处理某垃圾裂解液，该裂解液为垃圾填埋场的污泥和渗滤液，经高温热解后，采用固液分离方式得到垃圾热解液。原料液的基本情况为：硬度为6000mg/L，蛋白等污染物的固含量为2％，电导率为8000μS/cm。在4.5-5.5MPa下进行过滤，分离膜的水通量为125L/h，料液的浓缩倍数为75％，透过液电导率为175μS/cm，浓缩液固含量为6％。经过4小时过滤后，分离膜组件的水通量不变，组件的过滤压力增加到6.5MPa。经过简单水力清洗后分离膜恢复到初始压力和通量。运行3-4天后膜组件有渗漏现象，需重新紧固。
对比例2
传统碟管式纳滤分离膜组件，支撑板的厚度为4.2mm，膜片厚度为0.5mm，一个膜单元的厚度为4.7mm，8英寸碟管式分离膜共填装膜片209片，有效膜面积为9.04m2。膜片为商业化纳滤膜片，对NaSO4截留率为99.5％。
采用碟管式纳滤分离膜组件处理某化工厂废水，该废水含NaSO4、NaCl等无机盐和部分污染物，污染物的固含量为1％，电导率为6000μS/cm。在1.5-2.0MPa下进行过滤，分离膜的水通量为120L/h，料液的浓缩倍数为80％，透过液电导率为1000μS/cm，浓缩液固含量为5％。经过4小时过滤后，分离膜组件的水通量不变，组件的过滤压力增加到3MPa。经过简单水力清洗后分离膜恢复到初始压力和通量。运行3-4天后膜组件有渗漏现象，需重新紧固。
对比例3
碟管式超滤分离膜组件，支撑板的厚度为4.2mm，膜片厚度为0.5mm，一个膜单元的厚度为4.7mm，8英寸碟管式分离膜共填装膜片209片，有效膜面积为9.04m2。膜片为商业化超滤膜片，对细胞色素C截留率为90％。
采用碟管式超滤分离膜组件处理多糖物料溶液，该料液中固含量为1％。在0.15MPa下进行过滤，分离膜的水通量为200L/h，料液的浓缩倍数为80％，浓缩液固含量为5％。经过4小时过滤后，分离膜组件的水通量不变，组件的过滤压力增加到0.3MPa。经过简单水力清洗后分离膜恢复到初始压力和通量。
对比例4
碟管式微滤分离膜组件，支撑板的厚度为4.2mm，膜片厚度为0.5mm，一个膜单元的厚度为4.7mm，8英寸碟管式分离膜共填装膜片209片，有效膜面积为9.04m2。膜片为商业化微滤膜膜片，截留分子量为30万。
采用碟管式微滤分离膜组件处理细菌发酵溶液，该料液中固含量为0.4％。在0.1MPa下进行过滤，分离膜的水通量为200L/h，料液的浓缩倍数为95％，浓缩液固含量为8％。经过4小时过滤后，分离膜组件的水通量不变，组件的过滤压力增加到0.3MPa。经过简单水力清洗后分离膜恢复到初始压力和通量。

Claims (9)

1.一种碟管式分离膜组件，其特征在于:
包括中部带通孔的膜片、中部带通孔的分离膜垫片、中心支撑杆、密闭的壳体，于壳体内膜片和垫片通过其上的中心通孔交替穿套于中心支撑杆上，物料进口和出口位于壳体上靠近中心支撑杆的一端或二端；
中心支撑杆二端穿过壳体壁面伸出至壳体外，伸出壳体外的二端或一端作为产水口；
所述膜片是由二片中部带通孔的同样大小和形状的片状膜叠合而成的双层膜，于二片片状膜上均开设有相对应水流道，于二片片状膜之间设有片状格网，二片片状膜的四周边缘密闭连接，二片片状膜的水流道四周边缘密闭连接；形成自身带有流道的膜片，引导原料液按照一定的规律流动；
所述膜片分为两种，一种膜片的水流道设置于靠近其四周边缘的膜片的外侧；一种膜片的水流道设置于靠近其中部的膜片的内侧，两种膜片于中心支撑杆上交替排列，垫片和中心杆之间形成密封的流道，膜片的产水通过此流道通过产水口产水。
2.按照权利要求1所述的碟管式分离膜组件，其特征在于：
所述垫片上下表面无论设有环形突起，中部通孔位于环形突起所围绕的区域内，且膜片的水流道处于环形突起所围绕的区域之外；于远离垫片的环形突起表面设有环形垫圈槽，环形垫圈槽内设有环形垫圈，环形垫圈的四周边缘设有与垫圈同几何中心的环形槽。
3.按照权利要求1所述的碟管式分离膜组件，其特征在于：
所述环形垫圈上的环形槽的轴向截面为Y型，即环形垫圈为Y型垫圈；
所选用分离膜的垫圈为Y型垫圈，Y型垫圈为外端开口，内端实心的密封垫；Y型垫圈的开口侧对着外侧，当外侧增加压力时，开口侧打开，形成密封结构。
4.按照权利要求1或2所述的碟管式分离膜组件，其特征在于：于环形突起所围绕的区域之外的垫片上下表面分别设有凸点，形成导流流场。
5.按照权利要求1所述的碟管式分离膜组件，其特征在于：
分离膜膜片结构为双层膜通过超声波焊接在一起，分离膜的功能层朝外，分离膜之间采用隔网分隔；焊接的部位包括分离膜片的外沿，流道沿；分离膜之间的格网为聚丙烯材质，用于维持膜片透过液的流道；分离膜自身流道形状为圆弧形，两种膜片的水流道分别分布在膜片的内沿和外沿，每个膜片上有2-100个流道，优选为3-20个，圆弧的长度的位置分别沿同一圆周均匀分布。
6.按照权利要求1所述的碟管式分离膜组件，其特征在于：分离膜组件装配在具有耐压能力的壳体中，壳体的耐压能力为0.01-16MPa之间，所选用的材质包括而不仅限于聚丙烯，聚乙烯，改性聚氯乙烯，不锈钢，玻璃钢等中的一种或二种以上。
7.按照权利要求1所述的碟管式分离膜组件，其特征在于：所选用的碟管式分离膜膜片包括微孔滤膜，超滤膜，纳滤膜和反渗透膜四种中的一种或二种以上，分离膜形式为平板式。
8.按照权利要求1或5所述的碟管式分离膜组件，其特征在于：格网的厚度为5-100mil，优选为20-50mil。
9.按照权利要求1所述的碟管式分离膜组件，其特征在于：分离膜膜片采用超声波焊接方式进行密封；(1)为中心管口，(2)为膜片预留流道，采用超声波焊接方式，流道口分别在圆形膜片的内侧或外侧，二种膜片交替排列；(3)为分离膜透过液流道；(4)为碟管式分离膜的中心支撑杆；(5)为分离膜垫片；(6)为分离膜膜片外侧自身流道；(7)为分离膜膜片内侧自身流道；(8)为分离膜膜片。
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