CN111389231A - 具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，包括一对膜盒(4)和层叠膜片(1)，层叠膜片(1)的每层单体膜片包括等间距膜丝排列体和沿长度方向设置在等间距膜丝排列体两端的弹性体，所述弹性体包括第一弹性体(2)和第二弹性体(3)，所述第一弹性体(2)位于第二弹性体(3)的近端，且第二弹性体(3)沿等间距膜丝排列体长度方向的覆盖宽L₄大于第一弹性体(2)沿等间距膜丝排列体长度方向的覆盖宽L₃；当层叠膜片(1)设置在膜盒(4)中时，第一弹性体(2)至少部分暴露在膜盒(4)之外。本发明的膜元件由于减少了膜丝间交叉现象，从而有效减缓积泥和积毛发，提高了膜元件运行通量的稳定性，减少膜丝根部破损情况。

Description

具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件及其生产方法

【技术领域】

本发明涉及中空纤维膜元件，特别是一种具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，还涉及所述膜元件的生产方法。

【背景技术】

膜分离技术作为当今针对水污染处理行业最为有前景的清洁处理工艺，是最为有前景且发展最快的一种水处理工艺。而MBR工艺中应用最广泛的就是帘式膜，帘式膜在实际运行中因膜丝之间交叉严重、抖动量控制不均一膜丝抖动效果差等因素常导致膜元件根部毛发、纤维、污泥等的积聚，以及曝气抖动长期摩擦导致根部膜丝膜层破损严重，这使得工程在线药洗时50％以上的药液从根部流失，在线药洗效果差，加速了膜污染降低膜使用寿命。这些问题一直是帘式膜在实际应用中的难题所在，也是限制帘式膜在实际应用中的主要因素。所以开发一款可以降低帘式膜积泥积、纤维、毛发、减缓膜丝根部破损延长膜元件使用寿命的膜产品显得尤为重要。

中国发明专利申请CN106457155A公开了采用伸长率为100％的苯乙烯系弹性体来在膜片的两个端部形成至少一列的困扎部实现固定平行排列的膜丝制成一种中空纤维膜片状物，将这些片状物互相采用点粘接形成中空纤维膜层叠体，将层叠体入盒注胶制作成的膜元件也可以实现膜丝不交叉功能和阻止灌封胶产生的毛细现象。

然而该现有技术所制备的膜元件对采用的工艺复杂机械化依赖程度高、对设备和人工要求程度高，膜元件尺寸控制不易于实现。且对于捆扎部若是采用伸长率100％的弹性体束缚膜丝过程中由于韧性差会造成膜元件在运行过程中造成膜片层叠体不能起到很好的缓冲作用。另一方面，该技术所涉及的两道捆扎部均采用同样弹性体成本较高，或者不采用第二捆扎部时注胶密封性能较难实现。

中国发明专利申请CN107661697A公开了将层叠体膜片与具有平面结构的对接部件接触进行膜片对齐来实现层叠体的制造过程。

然而，CN107661697A的层叠体的制备过程对设备要求较高，因此设备不易于实现、设备投资高、即使采用价格昂贵的设备也存在精度不易控制的问题。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有的帘式膜在运行中膜丝间交叉严重、且存在积泥和积毛发的缺陷，从而减少帘式膜的离线清洗或者化学清洗频率，从而减少清洗或化学药品对帘式膜可能造成的损伤，进而延长膜的使用寿命。

此外，本发明期望通过膜元件结构改进以克服帘式膜生产过程中由于膜丝间隙小且不均匀、膜丝交叉等因素导致的灌封树脂与膜丝之间的毛细作用，进而使得灌封胶沿膜丝向上爬升的爬胶现象，从而避免爬胶现象导致的膜丝可使用面积下降、避免膜丝与爬胶交接处形成应力集中造成膜丝根部损坏的问题，从而延长膜使用寿命。

为了实现上述目的，本发明提供了一种具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，所述层叠体中空纤维膜元件包括一对具有集水通道5的膜盒4和设置在该对膜盒4之间的层叠膜片1，所述层叠膜片1由多层单体膜片层叠排列构成，其中，每层单体膜片包括由等间距排列的膜丝构成的等间距膜丝排列体和沿长度方向设置在等间距膜丝排列体两端的弹性体，所述弹性体包括第一弹性体2和第二弹性体3，所述第一弹性体2位于第二弹性体3的近端，且第二弹性体3沿等间距膜丝排列体长度方向的覆盖宽L4大于第一弹性体2沿等间距膜丝排列体长度方向的覆盖宽L3；当层叠膜片1设置在膜盒4中时，第一弹性体2至少部分暴露在膜盒4之外。

在本发明中，第二弹性体主要作用为固定膜丝、保护膜丝根部和阻止灌封树脂爬胶，而第一弹性体的主要作用为固定膜丝和密封膜丝之间的缝隙。因此，优选地，L4为10-35mm，L3为2-15mm。更优选地，L4为20-30mm，L3为5-10mm。通过比较不同的L3和L4的长度，确定了L4为20-30mm范围内可以优先的固定膜丝外，还可以有效减少膜丝抖动过程中膜丝弯折应力点，从而减少膜丝根部破损，表现为膜丝耐用性的提高。

根据一种优选的实施方式，所述层叠膜片1由3-15层单体膜片层叠排列构成。

根据一种领优选的实施方式，第一弹性体2与膜丝端部的距离L1为 35-55mm，第二弹性体3与膜丝端部的距离L2为2-10mm。

在本发明中，所述第一弹性体2和/或第二弹性体3在膜丝上的覆盖厚度为 0.2-2mm，更优选地0.3-1mm。

优选地，所述第一弹性体2和/或第二弹性体3的弹性材料的伸长率为＞ 300％、更优选地≥1600％、弹性模量≥20MPa、邵氏硬度为10-98A。如选用乙烯-醋酸乙烯EVA、聚酰胺PA、聚酯PES、聚乙烯LOPE和HDPE、聚酯酰胺PEA 或苯乙烯等采用，或采用具有类似性能的热塑性弹性材料。

根据一种特别优选的实施方式，所述第一弹性体2的伸长率大于第二弹性体 3的伸长率，且所述第一弹性体2的邵氏硬度小于第二弹性体3的邵氏硬度。通过选择第二弹性体的材料，用价格较低廉的弹性材料制造第二弹性体，从而降低膜元件制作成本。

优选地，第二弹性体3暴露在膜盒4之外5-35mm，进一步地应确保当膜片被固定到膜盒内使，第二弹性体插入膜盒内部0-10mm高度，确保弹性体与灌封树脂粘接强度，避免弹性体的脱出形成新的应力集中点。

本发明还提供上述层叠体中空纤维膜元件的生产方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将膜丝等间距排列得到等间距膜丝排列体；

(2)在等间距膜丝排列体的两端覆盖弹性体，分别构造第一弹性体和第二弹性体，得到单体膜片层；

(3)将多层单体膜片层两端对齐、层叠排列，将相邻两层单体膜片的弹性体进行点粘接，然后用夹具固定，然后粘接成一体，得到层叠膜片；

(4)在层叠膜片的两端分别密封固定膜盒，并使第一弹性体2至少部分暴露在膜盒4之外。

根据一种更优选的实施方式，在步骤(3)中，将相邻两层单体膜片的弹性体进行面粘接，替代点粘接。

更优选地，只对第二弹性体进行粘接，而不粘接第一弹性体。

通过对比试运行发现，本发明通过在膜丝等间距排列膜元件上下两端分别设置第一弹性体和第二弹性体，减少膜丝间交叉现象，从而有效减少积泥和积毛发情况的发生，提高了膜元件运行通量的稳定性。

此外，两层弹性体的设计可以保护膜丝根部，减少膜丝与膜盒胶接处应力，减少膜丝根部破损情况。

【附图说明】

图1为单层膜片结构示意图；

图2为层叠膜片结构示意图；

图3为本发明的具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件的结构示意图；

图4为具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件的生产流程示意图；

图5为实施例1的膜元件经过两个月试运行后的外观；

图6为实施例2的膜元件经过两个月试运行后的外观。

【具体实施方式】

以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。

实施例1

采用机械排丝方式进行中空纤维膜排丝，膜丝排列数60根、膜丝外径为2mm、相邻膜丝间距为1mm。

在膜丝排列体的前后两端覆盖第一弹性体和第二弹性体，其中，第一弹性体更靠近膜丝中部，而第二弹性体更靠近膜丝端部。弹性体在膜丝上的覆盖厚度为 1mm、其中，第一弹性体距离膜丝端部距离L₁为8mm、第二弹性体距离膜丝端部L2为50mm，第一弹性体的覆盖宽为30mm，第二弹性体的覆盖宽为10mm。弹性体均采用伸长率为500％聚酰胺(PA)材料构成，通过现有的一体化涂胶设备将材料覆盖在膜丝上，得到如图1所示的单层膜片。

将7层单层膜片两端对齐、层叠排列，采用粘接剂粘接成层叠膜片，并用夹具固定，确定膜片固定紧密、密封良好。

用夹具分别夹紧四组层叠膜片，避免膜片间发生滑动或开裂，将层叠膜片依次装入带有集水通道的膜盒内，制成膜元件，每片层叠膜片在膜盒内分列排列，中间由灌封胶固定，并确保第一弹性体暴露在膜盒外20mm。此时，第二弹性体被完整插入到膜盒内深处，由灌封树脂掩埋超过10mm，通过灌封树脂确保与膜盒紧密粘接。

对比实施例1不设置第二弹性体的膜元件

根据现有技术制备常规膜元件，与实施例采用相同的参数，区别在于每端均只设置一道覆盖宽为30mm的弹性体(相当于实施例1的第一弹性体)，该弹性体部分插入膜盒内，部分暴露在膜盒以外。

将实施例1和2的膜元件在相同条件下试运行两个月，运行条件为：运行通量为25LMH曝气强度为110m³/h/㎡、污泥浓度为12000mg/L。

两个月后停机观察并比较两组膜元件的积泥和积毛发情况。其中，实施例1 的膜元件只在上端存在积泥，其中中间区域的膜丝存在4-5cm的积泥高度，两侧区域的积泥高度为8-9cm(如图4所示)，而实施例2的膜元件存在较大面积的积泥，其中中间区域积泥高度为10-15cm，，两侧积泥高度可以达到20cm(如图 5所示)。结果显示设置在膜盒内的第二弹性体能够有效减少膜丝摆动，从而减少污泥淤积、减少毛发粘结。

对比实施例2层叠式的膜元件

根据中国发明专利申请CN107661697A公开的内容构造层叠体膜片，参数为采用4片中空纤维膜片状物进行层叠制成层叠体，在制作过程中发明人发现膜元件层叠过程中两个捆扎部均需要进行粘接固定，这样的制作工序复杂。而本发明在完成该步骤时，采用将多层单体膜片层两端对齐、层叠排列并用夹具固定然后粘接的工艺，工序简单。由于工序不同，因此本发明的方法更有利于与使每个膜片品质更统一。

将该膜元件在相同的条件下进行试运行，运行条件为：运行通量为25LMH 曝气强度为110m³/h/㎡、污泥浓度为12000mg/L。连续运行两个月，在运行过程中和运行后观察膜元件的状态，发现在运行过程中膜片的摆动较差，不利于曝气对膜表面积泥的脱落。

出现这种结果的原因可能是依据该现有技术得到的膜元件需要在其第二捆扎部与集水通道之间留有一定距离以方便注胶，但该间隙也造成了根部积泥无法脱落得缺陷，并且在运行中可能会造成膜丝根部的损伤。

此外，采用该现有技术制作的膜元件将整个元件为一个整体而未进行分区，尽管这样有利于获得较高的填充率，但同样也造成在运行中会造成污泥淤积不易掉落的现象。

与之相比，本发明的制作方法在膜元件层叠过程中只需要对第二弹性体进行固定即可，这样很大程度上降低了操作的复杂性，从而提高了产品品质一致性。

另一方面，本发明的膜元件层叠过程中第二弹性体进行灌封胶掩埋10mm左右的高度，这使得膜片与弹性体粘接更加稳定，降低了弹性体脱落造成的膜元件损伤问题。

这样，通过两侧的第一弹性体和第二弹性体将膜元件分为4个区域，这种设置有效减少了膜片抖动时的阻力，使得污泥更容易脱落，并且由于分区间有一定间距使得局部污泥浓度更加均匀，有效的避免了局部污泥浓度过高的问题。

这些结构的差异和制作过程中的区别使得最终所得产品在性能上表现出优劣，本发明的膜元件由于减少了膜丝间交叉现象，从而有效减少积泥和积毛发情况的发生，提高了膜元件运行通量的稳定性，并减少膜丝根部破损情况。

Claims (11)

1.具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，所述层叠体中空纤维膜元件包括一对具有集水通道(5)的膜盒(4)和设置在该对膜盒(4)之间的层叠膜片(1)，所述层叠膜片(1)由多层单体膜片层叠排列构成，其特征在于每层单体膜片包括由等间距排列的膜丝构成的等间距膜丝排列体和沿长度方向设置在等间距膜丝排列体两端的弹性体，所述弹性体包括第一弹性体(2)和第二弹性体(3)，所述第一弹性体(2)位于第二弹性体(3)的近端，且第二弹性体(3)沿等间距膜丝排列体长度方向的覆盖宽L₄大于第一弹性体(2)沿等间距膜丝排列体长度方向的覆盖宽L₃；当层叠膜片(1)设置在膜盒(4)中时，第一弹性体(2)至少部分暴露在膜盒(4)之外。

2.根据权利要求1所述的具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，其特征在于L₄为10-35mm，L₃为2-15mm，第一弹性体(2)与膜丝端部的距离L₁为35-55mm，第二弹性体(3)与膜丝端部的距离L₂为2-10mm。

3.根据权利要求1所述的具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，其特征在于所述层叠膜片(1)由3-15层单体膜片层叠排列构成。

4.根据权利要求1所述的具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，其特征在于所述第一弹性体(2)和/或第二弹性体(3)在膜丝上的覆盖厚度为0.2-2mm。

5.根据权利要求1所述的具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，其特征在于所述第一弹性体(2)和/或第二弹性体(3)的弹性材料的伸长率为＞300％、弹性模量≥20MPa、邵氏硬度为10-98A。

6.根据权利要求6所述的具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，其特征在于所述第一弹性体(2)的伸长率大于第二弹性体(3)的伸长率，且所述第一弹性体(2)的邵氏硬度小于第二弹性体(3)的邵氏硬度。

7.根据权利要求1所述的具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，其特征在于第一弹性体(2)暴露在膜盒(4)之外5-35mm。

8.根据权利要求1所述的具有等膜丝间距的层叠体中空纤维膜元件，其特征在于所述第一弹性体(2)和/或第二弹性体(3)的弹性材料为乙烯-醋酸乙烯(EVA)、聚酰胺(PA)、聚酯(PES)、聚乙烯(LOPE和HDPE)、聚酯酰胺(PEA)或苯乙烯。

9.权利要求1所述的层叠体中空纤维膜元件的生产方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将膜丝等间距排列得到等间距膜丝排列体；

(2)在等间距膜丝排列体的两端覆盖弹性体，分别构造第一弹性体和第二弹性体，得到单体膜片层；

(3)将多层单体膜片层两端对齐、层叠排列，将相邻两层单体膜片的弹性体进行点粘接，然后用夹具固定，然后粘接成一体，得到层叠膜片；

(4)在层叠膜片的两端分别密封固定膜盒，并使第一弹性体(2)至少部分暴露在膜盒(4)之外。

10.根据权利要求9所述的生产方法，其特征在于在步骤(3)中，将相邻两层单体膜片的弹性体进行面粘接。

11.根据权利要求10所述的生产方法，只对第二弹性体进行粘接，而不粘接第一弹性体。

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