CN111974220A - 一种低压力损失陶瓷膜元件、组件及组件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压力损失陶瓷膜元件、组件及组件的制备方法，低压力损失陶瓷膜元件，陶瓷膜元件的外形为正棱柱结构；陶瓷膜元件为多通道结构，通道两端的通道口均为向外渐扩的喇叭状，通道口向外渐扩的角度为0°<α<90°。本发明在多通道陶瓷膜通道入口处设立的坡度，不仅减少了大流量对陶瓷膜端面的撞击，避免了陶瓷膜端面产生破损等膜缺陷，而且通过坡度的缓冲，极大地降低了流体流经膜通道时由于端面撞击和流道突然变窄而产生的压力损失；本发明膜组件直接将膜和膜以及膜与膜壳在端头处用胶胶装在一起，省去了组件密封处制作和安装的麻烦，避免了密封泄露的风险，加强了膜端头的整体强度；而且这种一体化组件可做成膜面积标准化组件，可以更方便地装卸。

Description

一种低压力损失陶瓷膜元件、组件及组件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种低压力损失陶瓷膜元件、组件及组件的制备方法，属于陶瓷膜应用领域。

背景技术

陶瓷膜以其独特的高强度、良好的化学稳定性、窄的孔径分布以及高通量的运行等优势，具有一般有机膜无法达到的使用性能。早已成功地应用于食品饮料、生物医药、石油化工、冶金电子以及环保水处理行业中。但是陶瓷膜在使用过程中，在膜组件的进水端往往会出现较大压力损失。这种压力损失一方面来自于流体对陶瓷膜元件通道之间膜面的冲击，另一方面来自于流体对组件花盘孔道之间盘面的冲击。这种冲击一方面产生了较大的压力降，导致能耗增加，另一方面对陶瓷膜的端面产生了极大的冲刷，一旦料液中有硬性颗粒时，很容易造成陶瓷膜端面产生磨损，甚至凹陷等瑕疵，大大降低了陶瓷膜的使用寿命。这在盐水精制陶瓷膜设备中经常会遇到的现象。现有通常的解决办法，是在膜端面压着一块金属挡片。但这会增加膜安装时的麻烦，而且挡片稍微松动，就会被流体冲击挪位，反而使挡片堵塞部分膜通道入口，从而影响正常的过滤过程。再者，这种方法也只是降低流体对膜端面的冲击磨损，不能从根本上降低因此形成的压力损失。

而且，现有的陶瓷膜组件结构绝大部分都是采用膜壳里焊接花盘，再将陶瓷膜安装在花盘、密封圈以及压盖之间的传统密封方法，制作工序复杂，安装和拆卸很不方便，增加了工作量。

发明内容

为了从根本上解决进水时组件压力损失大，膜元件端面被冲刷的问题，同时也为了解决陶瓷膜组件安装和拆卸时的麻烦，本发明提供了一种低压力损失陶瓷膜元件、组件及组件的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种低压力损失陶瓷膜元件，陶瓷膜元件的外形为正棱柱结构；陶瓷膜元件为多通道结构，通道两端的通道口均为向外渐扩的喇叭状，通道口向外渐扩的角度α取值为0°＜α＜90°。

上述通道两端的通道口均为向外渐扩的喇叭状，也即陶瓷膜的通道入口具有一定坡度，这种坡度表现为由外向内通道直径是逐渐变小的，申请人经研发实践发现，在多通道陶瓷膜通道入口处设立的坡度，不仅减少了大流量对陶瓷膜端面的撞击，避免了陶瓷膜端面产生破损等膜缺陷，而且通过坡度的缓冲，极大地降低了流体流经膜通道时由于端面撞击和流道突然变窄而产生的压力损失。

通道口向外渐扩的角度指通道口内侧壁与陶瓷膜元件端面之间的夹角。

为了进一步减少陶瓷膜端面破损，降低压力损失，优选地，通道口向外渐扩的角度α取值为45°＜α＜90°。

为了方便组件制备，陶瓷膜元件的外形为正六棱柱结构。

一种低压力损失陶瓷膜组件，包括上述低压力损失陶瓷膜元件，还包括膜壳、上盖和下盖；陶瓷膜元件密集有序地排列在膜壳内、且陶瓷膜元件的轴向与膜壳的轴向相互平行，相邻两陶瓷膜元件的相邻侧面相互平行、且相对；膜壳内的两端采用粘结胶胶封、将膜壳和膜壳内所有的陶瓷膜元件胶装为一体结构；上盖和下盖分别螺纹连接在膜壳的上下两端，上盖和下盖与膜壳之间均采用“O”型圈的密封，上盖和下盖上均设有进(出)水口。进(出)水口用于进出原水和浓缩液。

本发明从陶瓷膜元件的通道结构入手，充分考虑到陶瓷膜过滤时流体通过陶瓷膜组件的压力损失，同时考虑到现有陶瓷膜组件拆卸和安装的复杂性，创新性地开发出通道口具有一定坡度的多通道陶瓷膜元件，并将具有通道口坡度的陶瓷膜和膜壳密集有序地胶装成一体化的组件，大大降低了陶瓷膜组件的流体压力损失，降低了陶瓷膜端面破损的风险，方便了陶瓷膜组件的安装和拆卸。

为了提高密封的稳定性，上盖和下盖内侧均设有沿周边设置的密封槽，密封槽内设有“O”型圈，密封时，拧紧上盖和下盖，使盖内的密封圈与组件端面充分接触和挤压。

为了进一步降低压力损失，相邻两陶瓷膜元件之间的间隔小于1mm。进一步优选，相邻两陶瓷膜元件之间的间隔为0.5～1mm。

需要指出的是，膜元件之间和膜与膜壳之间的距离不能太小，更不能没有，因为距离太小了，胶不容易渗透进入膜元件和膜与膜壳之间的空隙，从而导致组件不能完全密封而产生渗透侧漏料现象。

为了提高密封性和稳定性，膜壳内两端的胶封深度为2～4cm。

上述所用粘结胶为与膜壳材质相容的有机胶，包括环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂或聚乙烯树脂等；膜壳所用材料为与粘结胶相容、并有一定强度和耐温性能的金属或有机聚合物材料，如不锈钢、钛材、玻璃钢、PVC(聚氯乙烯)、UPVC(硬PVC)、CPVC(由PVC氯化改性制得)、HDPE(高密度聚乙烯)或FRPP(玻纤增强聚丙烯管)等。

上述低压力损失陶瓷膜组件的制备方法，将陶瓷膜元件密集有序地竖直摆放在膜壳里，然后再用胶将膜和膜壳胶装成一体；上盖和下盖内侧的密封槽内均设有“O”型圈，将上盖和下盖分别螺纹连接在膜壳的上下两端，拧紧上盖和下盖，使盖内的“O”型圈与组件端面充分接触和挤压。

本申请从降低膜组件在使用过程中压力损失出发，采取了在陶瓷膜元件通道入口设计一定坡度以及采用与膜壳材料相容的封胶密集胶装陶瓷膜元件于一体的方法，制成了具有低压力损失的陶瓷膜组件，大大降低了陶瓷膜使用过程中能量损失。

本发明未提及的技术均参照现有技术，例如参考徐南平等著的《无机膜分离技术与应用》，化学工业出版社，2003等。

本发明以降低陶瓷膜组件的压力损失为目标，通过设立陶瓷膜通道入口坡度，密集有序地胶装陶瓷膜的方法，极大地减少了流体对陶瓷膜端面的冲击，既保护了陶瓷膜，又降低了流体进入陶瓷膜组件时的压力损失，具有明显的先进性，与现有陶瓷膜元件和组件相比，具有如下的有益效果：

1、本发明低压力损失的多通道陶瓷膜元件，在多通道陶瓷膜通道入口处设立的坡度，不仅减少了大流量对陶瓷膜端面的撞击，避免了陶瓷膜端面产生破损等膜缺陷，而且通过坡度的缓冲，极大地降低了流体流经膜通道时由于端面撞击和流道突然变窄而产生的压力损失；

2、本发明低压力损失陶瓷膜组件为胶装的一体化陶瓷膜组件，本发明针对这种通道之间端面距离很小的陶瓷膜端头抗压强度低的特点，一改传统的膜组件制作方法，直接将膜和膜以及膜与膜壳在端头处用胶胶装在一起，既省去了组件密封处制作和安装的麻烦，避免了密封泄露的风险，又加强了膜端头的整体强度；而且这种一体化组件可做成膜面积标准化组件，可以更方便地更换和安装拆卸；

3、本发明低压力损失陶瓷膜组件，要求膜元件外形是正棱柱，且膜元件之间排列采用棱柱侧面对侧面的方式，进一步要求元件之间的间隔在0.5～1mm以下，这样也极大地降低了膜元件之间端面距离，从而降低了陶瓷膜组件的压力损失；

4、本发明低压力损失陶瓷膜组件两端采用上下盖的密封方法，进一步，在陶瓷膜组件端与上下盖密封时，“O”型密封圈装在上下盖的顶部密封槽内，密封时通过拧紧上下盖，让盖内的密封圈与组件端面充分接触和挤压，与用卡箍式密封相比，盖内密封圈位置不宜发生偏移，既保证了密封效果，又极大地方便了密封的操作，还节省了组件成本，外形紧凑美观。

附图说明

图1为本发明低压力损失陶瓷膜元件的俯视图；

图2为图1的A-A向视图；

图3为图2中B处放大示意图；

图4为本发明低压力损失陶瓷膜组件的截面图(图5中D-D向视图)；

图5为图4中C-C向视图；

图6为本发明低压力损失陶瓷膜组件的拆装示意图；

图中，1、通道口；2、通道；3、陶瓷膜元件外侧面；4、陶瓷膜元件内侧面；5、陶瓷膜元件端面；6陶瓷膜元件通道口坡面；7、粘结胶；8、陶瓷膜元件；9、膜壳；10、下盖；11、上盖；12、“O”型密封圈；13、膜组件螺纹接口；14、膜组件清液侧出口；15、下盖进(出)口；16、上盖进(出)口；α、坡度。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本申请“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等方位词为基于附图所示或使用状态时的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

实施例1

低压力损失的陶瓷膜元件：

如图1-3所示，陶瓷膜元件：外形为正六棱柱结构，且为多通道结构，通道两端的通道口均为向外渐扩的喇叭状，也即陶瓷膜的通道入口具有一定坡度，这种坡度表现为由外向内通道直径是逐渐变小的结构，坡度α(45°≤α＜90°)；流体从通道2中通过，在进入膜通道2时，先经过通道口1的坡面6缓冲而减缓对膜的冲击，从而降低流体的压力损失。经过实测，前述通道口渐扩的通道结构的膜比通道口没有向外渐扩的结构(通道口为直管，没有坡面坡度)，膜压力损失降低了20％～50％。图1相对图2有放大。

低压力损失的陶瓷膜组件：

如图4-6所示，选用以上低压力损失的陶瓷膜元件，将陶瓷膜元件8按照棱柱侧面3对侧面3的方式竖直排列于膜壳9里，控制膜元件侧面3之间的间隔为0.5～1mm，膜壳9采用玻璃钢等材料，膜壳9内的两端采用与膜壳9材料相容的粘结胶7胶封、将膜壳9和膜壳9内所有的陶瓷膜元件8胶装为一体结构；形成了一个低压力损失的陶瓷膜组件。经实验验证，该陶瓷膜组件的压力损失比膜元件间距离大于1mm的膜组件压力损失降低了10～30％。图4相对图5有放大。

为了使陶瓷膜组件更实用，在胶装成一体的陶瓷膜组件封胶端下面设有清液侧出口14，在组件两端配上盖11和下盖12，在上盖11和下盖12设有下盖进(出)口15和上盖进(出)口16。

值得一提的是，为了确保胶装成一体的陶瓷膜组件与上盖11和下盖12之间的密封，本发明特地在上下盖内的顶部设一密封槽，里面装有“O”型密封圈12，当上盖11和下盖12与陶瓷膜组件进行螺纹连接时，通过上盖11和下盖12顶部与陶瓷膜组件端面之间挤压，牢牢地将“O”型密封圈12锁定在密封位置上，从而保证了整个组件进出水端的密封性。

实施例2

低压力损失的陶瓷膜元件：

横截面为边长为19.4mm的正六边形，长度为1.2m，通道数为61，通道内径为2.5mm，坡度α为60°，通道之间间隔为1.5mm，通道口无间隔。当通道内的膜面流速为4m/s时，以2g/L碳酸钙水溶液为过滤介质，陶瓷膜元件横着放置时，其压力损失为0.105Ma。端面连续使用两年以上无磨损。

对照例1

通道口无渐扩结构的陶瓷膜元件：

横截面为边长为19.4mm的正六边形，长度为1.2m，通道数为61，通道内径为2.5mm，无坡度，也即通道口没有渐扩结构，通道口之间间隔为1.5mm，当通道内的膜面流速为4m/s时，以2g/L碳酸钙水溶液为过滤介质，陶瓷膜元件横着放置时，其压力损失为0.15Ma。8个月后，端面开始有磨损。

实施例3

低压力损失的陶瓷膜组件：

选用实施例2中陶瓷膜元件19支，将陶瓷膜元件8按照棱柱侧面3对侧面3的方式竖直排列于直径为174mm圆筒形膜壳9里，控制相邻陶瓷膜元件侧面3之间的间隔0.8mm，膜壳9采用聚酚醛树脂玻璃钢材料，膜壳9内的两端采用聚酚醛树脂有机粘结胶7胶封、将膜壳9和膜壳9内所有的陶瓷膜元件8胶装为一体结构，胶封深度为3cm，形成了一个低压力损失的陶瓷膜组件。经实验验证，将陶瓷膜组件横着放置，当陶瓷膜通道内的膜面流速为4m/s时，以2g/L碳酸钙水溶液为过滤介质，该陶瓷膜组件的压力损失为0.13MPa，密封性好、无泄漏。端面和胶面连续使用两年以上无磨损。

实施例4

膜元件间间隔大于1mm的陶瓷膜组件：

选用实施例2中陶瓷膜元件19支，将陶瓷膜元件8按照棱柱侧面3对侧面3的方式竖直排列于直径为184mm圆筒形膜壳9里，控制相邻陶瓷膜元件侧面3之间的间隔2.5mm，膜壳9采用聚酚醛树脂玻璃钢材料，膜壳9内的两端采用聚酚醛树脂有机粘结胶7胶封、将膜壳9和膜壳9内所有的陶瓷膜元件8胶装为一体结构，胶封深度为3cm，形成了一个低压力损失的陶瓷膜组件。经实验验证，将陶瓷膜组件横着放置，当陶瓷膜通道内的膜面流速为4m/s时，以2g/L碳酸钙水溶液为过滤介质，该陶瓷膜组件的压力损失为0.16MPa，密封性好、无泄漏。8个月后，端面开始有磨损。

Claims (9)

1.一种低压力损失陶瓷膜元件，其特征在于：陶瓷膜元件的外形为正棱柱结构；陶瓷膜元件为多通道结构，通道两端的通道口均为向外渐扩的喇叭状，通道口向外渐扩的角度α取值为0°＜α＜90°。

2.如权利要求1所述的低压力损失陶瓷膜元件，其特征在于：通道口向外渐扩的角度α取值为45°＜α＜90°。

3.如权利要求1或2所述的低压力损失陶瓷膜元件，其特征在于：陶瓷膜元件的外形为正六棱柱结构。

4.一种低压力损失陶瓷膜组件，包括权利要求1-3任意一项所述的低压力损失陶瓷膜元件，其特征在于：还包括膜壳、上盖和下盖；陶瓷膜元件密集有序地排列在膜壳内、且陶瓷膜元件的轴向与膜壳的轴向相互平行，相邻两陶瓷膜元件的相邻侧面相互平行、且相对；膜壳内的两端采用粘结胶胶封、将膜壳和膜壳内所有的陶瓷膜元件胶装为一体结构；上盖和下盖分别螺纹连接在膜壳的上下两端，上盖和下盖与膜壳之间均采用“O”型圈的密封，上盖和下盖上均设有进出水口。

5.如权利要求4所述的低压力损失陶瓷膜元件组件，其特征在于：上盖和下盖内侧均设有沿周边设置的密封槽，密封槽内设有“O”型圈，密封时，拧紧上盖和下盖，使盖内的密封圈与组件端面充分接触和挤压。

6.如权利要求4或5所述的低压力损失陶瓷膜元件组件，其特征在于：相邻两陶瓷膜元件之间的间隔小于1mm；膜壳内两端的胶封深度为2～4cm。

7.如权利要求6所述的低压力损失陶瓷膜元件组件，其特征在于：相邻两陶瓷膜元件之间的间隔为0.5～1mm。

8.如权利要求4或5所述的低压力损失陶瓷膜元件组件，其特征在于：粘结胶为环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂或聚乙烯树脂；膜壳所用材料为不锈钢、钛材、玻璃钢、PVC、UPVC、CPVC、HDPE或FRPP。

9.一种权利要求4-8任意一项所述的低压力损失陶瓷膜组件的制备方法，将陶瓷膜元件密集有序地竖直摆放在膜壳里，然后再用胶将膜和膜壳胶装成一体；上盖和下盖内侧的密封槽内均设有“O”型圈，将上盖和下盖分别螺纹连接在膜壳的上下两端，拧紧上盖和下盖，使盖内的“O”型圈与组件端面充分接触和挤压。

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