CN113101807A - 一种膜组件、具有该膜组件的膜设备及膜系统 - Google Patents

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Abstract

本公开揭示了一种膜组件，包括膜壳、位于所述膜壳两端的端盖及设置在所述膜壳内的膜元件，对应于两端的所述端盖上各构造为相对地进水端和出水端，所述膜元件包括设置有排出纯水的出水孔，所述集水管外缠绕设置有产水流道布，所述产水流道布外缠绕设置有多层膜叶，相邻的两层膜叶之间设置有构成进水流道的进水流道布，其中，所述膜元件彼此串联设置有多个，且多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的所述进水流道布的厚度沿进水端至出水端方向减少。本发明提供的一种膜组件，通过合理调整膜袋长度、膜元件有效膜面积、进水流道布厚度、膜页数等参数，实现反渗透过滤膜组件整体产水平均分布。

Description

一种膜组件、具有该膜组件的膜设备及膜系统
技术领域
本发明涉及反渗透膜元件技术领域，具体涉及一种膜组件，该膜组件可用于工业反渗透膜设备，且该膜组件可以降低反渗透膜设备构成的反渗透膜系统的污染速率。
背景技术
一般地，大型工业反渗透系统中，为了提升系统回收率，通常采用一级两段设计，一般回收率不大于75％，每段膜壳内安装多个反渗透膜元件，一般为6支或7支。原水从一段进水端进入，依次经过膜壳中的各支膜元件，前一支膜的浓水作为后一支膜的进水，膜元件的产水在集水管中统一收集。在此过程中，由于每支膜的产水及压差，导致越往后膜的进水压力逐渐降且含盐量逐渐浓缩，在理想情况下，排在膜壳最后段的膜元件浓差极化现象最严重，最容易结垢。但是，近些年来，在煤化工、石油化工、印染及钢铁等等各个行业的污水深度回用系统反渗透装置中，普遍存在中第一段膜壳内的前两支膜胶体及有机物污堵速度过快，大部分进水无法有效通过前三支膜的流道，导致末端流速进一步降低，加重污染速率，产生了“阀门”效应，造成了进水截留，产生阀门效应后，膜壳中的后几支膜无法正常工作，从而导致整体系统产水量衰减，如不及时清洗，由于一段压差过大，可能会导致最后一支膜爆裂。想解决此种问题，如果单纯的提高进水压力，降低高压泵频率，则更加速污堵，进入恶性循环，导致系统运行受到影响，膜的寿命急剧衰减，只能通过在线或者离线清洗来解决，但大部分污染严重的膜元件无法再生，只能通过更换反渗透膜元件来解决问题，影响正常生产用水的同时，提高了维护及使用成本。
可见，现有技术存在的上述问题亟待改进。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的一方面的目的在于提供一种可以缓解阀门效应的产生，延长膜组件使用寿命的RO反渗透膜系统的膜组件。
为了实现上述目的，本发明实施例一个方面提供的一种膜组件，包括膜壳、位于所述膜壳两端的端盖及设置在所述膜壳内的膜元件，对应于两端的所述端盖上各构造为相对地进水端和出水端，所述膜元件包括设置有排出纯水的出水孔，所述集水管外缠绕设置有产水流道布，所述产水流道布外缠绕设置有多层膜叶，相邻的两层膜叶之间设置有构成进水流道的进水流道布，其中，所述膜元件彼此串联设置有多个，且多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的所述进水流道布的厚度沿进水端至出水端方向减少。
作为优选，除靠近进水端和出水端的两个所述膜元件外，其余多个所述膜元件中，相邻的两个所述膜元件的所述进水流道布的厚度差的绝对值自靠近出水端一侧起符合以下条件：
Tn＝T1*q(n-1),
Tn为第n项厚度差绝对值，T1为第1项厚度差绝对值，q、n为自然数。
作为优选，相邻的两个所述膜元件的所述进水流道布的厚度差自靠近出水端一侧起符合等比数列，q为公比，且q为大于1的自然数。
作为优选，多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的膜页数沿进水端至出水端方向增加。
作为优选，多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的有效膜面积沿进水端至出水端方向增加。
作为优选，多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的膜叶长度沿进水端至出水端方向减少。
作为优选，所述膜元件包括沿进水端至出水端方向依次串联设置的第一膜元件、第二膜元件、第三膜元件、第四膜元件、第五膜元件及第六膜元件，其中，所述第五膜元件及第六膜元件的有效膜面积相同，且所述进水流道布的厚度相同。
作为优选，所述第一膜元件、所述第二膜元件、所述第三膜元件及所述第四膜元件中，自所述第四膜元件起至所述第一膜元件，相邻两个膜元件的有效膜面积符合以下条件：
A2-A1＝2*(A3-A2)＝4*(A4-A3)
其中，A1、A2、A3、A4分别为所述第一膜元件、所述第二膜元件、所述第三膜元件及所述第四膜元件的有效膜面积。
在本发明中，膜袋是由两张膜叶，通过胶水将三面粘接密封后形成的袋子状，整体面积减去三面边缘的密封胶粘面积即为有效膜面积
本发明的另一个目的在于提供一种包含上述膜组件的反渗透膜设备。
本发明的再一个目的在于提供一种包含由上述膜组件构成的反渗透设备的反渗透系统。
相较于现有技术，本发明提供的一种膜组件，通过合理调整膜袋长度、膜元件有效膜面积、进水流道布厚度、膜页数等参数，实现反渗透过滤膜组件整体产水平均分布。避免了产水流道过长影响产水量的问题。同时从进水端膜元件开始，膜元件产水依次增加，进水流道宽度渐缩式减少，有效降低污堵的同时最大化程度提高系统产水量。而且，这样极大程度缓解了上述阀门效应的产生，延长了膜元件的使用寿命，降低了系统维护及运行成本。
应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是用于限制本公开。
本申请文件提供本公开中描述的技术的各种实现或示例的概述，并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。
附图说明
图1为本发明的膜组件的剖视结构图。
图2为本发明的膜组件中的膜元件的顶视图(包括集水管)。
图3为图2中沿A-A向的剖面结构示意图(包括局部放大视图)。
具体实施方式
为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，还可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。
如图1至图3所示，本发明提供的本发明实施例一个方面提供的一种膜组件，包括膜壳14、位于所述膜壳14两端的端盖(未标注)及设置在所述膜壳14内的膜元件1，对应于两端的所述端盖上各构造为相对地进水端(未标注)和出水端(未标注)，所述膜元件1包括设置有排出纯水的出水孔111，所述集水管11外缠绕设置有产水流道布13，所述产水流道布13外缠绕设置有多层膜叶12，膜叶12即膜袋，每片膜叶12由两张正面相背的膜片(未示出)是指一块复合膜，切开膜的横截面依次为：底层由聚酯无纺布，一般约90-100微米；中间层一般为聚砜涂层约40-60微米；而顶层一般还包括聚酰胺层约0.1微米。相邻的两层膜叶12之间设置有构成进水流道的进水流道布15，在本发明实施例中，所述膜元件1彼此串联设置有多个，且多个所述膜元件1中至少部分所述膜元件1的所述进水流道布15的厚度沿进水端至出水端方向减少。以六支膜元件1为例，所述膜元件1可示例性包括沿进水端至出水端方向依次串联设置的第一膜元件10、第二膜元件20、第三膜元件30、第四膜元件40、第五膜元件50及第六膜元件60。在传统的设计中，膜组件中的多个膜元件，往往规格相同，因此靠近进水端的前两支膜元件的胶体及有机物污染物堵塞过快，导致大部分进水无法有效的通过前三支膜元件。因此，在本发明中，可针对多个膜元件合理改变其进水流道布15厚度的方式来实现。例如，除靠近进水端和出水端的两个所述膜元件外，其余多个所述膜元件中，相邻的两个所述膜元件的所述进水流道布的厚度差绝对值自靠近出水端一侧起符合以下条件：Tn＝T1*q(n-1),Tn为第n项厚度差绝对值，T1为第1项厚度差绝对值，q、n为自然数。换句话说，在越靠近出水端一侧，采用厚度较薄的进水流道布。在符合上述公式的条件下，具体来说，可将除靠近进水端和出水端的两个所述膜元件外，其余多个所述膜元件中，相邻的两个所述膜元件的所述进水流道布的厚度差自靠近出水端一侧起符合等比数列，q为公比，且q为大于1的自然数，例如，公比q为2的等比数列。
除进水流道布的设计之外，在本发明中，还可考虑从膜元件的膜页数、有效膜面积及膜叶长度加以调整，具体地，例如，作为优选，多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的膜页数沿进水端至出水端方向增加。再例如，多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的有效膜面积沿进水端至出水端方向增加。再例如，多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的膜叶长度沿进水端至出水端方向减少。
同时，以六支膜元件为例，在一些优选实施方式中，其中，对于最靠近出水端的所述第五膜元件50及第六膜元件60，由于已经处于末端，因此可考虑采用较大的有效膜面积及较小的进水流道布厚度，优选地，所述第五膜元件50及第六膜元件60的有效膜面积相同，且所述第五膜元件50及第六膜元件60对应地所述进水流道布的厚度相同。
另外，与进水流道布厚度设置规则不同的是，对于有效膜面积来说，仍以六支膜元件为例，所述第一膜元件10、所述第二膜元件20、所述第三膜元件30及所述第四膜元件40中，自所述第四膜元件40起至所述第一膜元件10，相邻两个膜元件的有效膜面积符合以下条件：
A2-A1＝2*(A3-A2)＝4*(A4-A3)
其中，A1、A2、A3、A4分别为所述第一膜元件10、所述第二膜元件20、所述第三膜元件30及所述第四膜元件40的有效膜面积。可以看出，在本发明中，设计思路主要集中在：1)整体满足有效膜面积最大化，膜袋长度适中，使产水平均分布，避免产水流道过长，影响产水量；2)从进水端膜元件开始，膜元件产水依次增加，进水流道宽度渐缩式减少，从而有效降低污堵的同时最大化程度提高系统产水量。也即，通过合理配置膜袋长度、膜元件有效膜面积、进水流道布厚度、膜页数，解决污堵问题，也提高纯水产量。但本发明提及的不同进水流道布厚度下，越厚的进水流道布意味着越宽的进水流道，在同等体积及型号的膜元件外形尺寸限制下，膜元件的膜面积会减少，这会导致膜元件整体产水量降低，故在膜元件卷制设计中，需要考虑整体膜面积及产水量。
以下结合具体应用场景对本发明做进一步详细说明。
目前，正常反渗透系统一套6芯膜壳设计产水量通常为4-6吨，整体有效膜面积为200平方米-240平方米，本系统设计的整体有效膜面积为210平方米，充分考虑减少污堵的情况下也保证了整体产水量。
具体地，例如以六支膜元件为例，第一膜元件进水流道为56Mil，膜页数为16页，膜袋长度为1.56米，膜元件的有效膜面积为260平方英尺；第二膜元件进水流道为48mil，膜页数为20页，膜袋长度为1.54米，膜元件的有效膜面积为320平方英尺；第三膜元件的进水流道为40mil，膜页数为22页，膜袋长度为1.53米，膜元件的有效膜面积为350平方英尺；第四膜元件的进水流道为36mil，膜页数为23页，膜袋长度为1.53米，膜元件的有效膜面积为365平方英尺；第五膜元件的进水流道为34mil，膜页数为28页，膜袋长度为1.4米，膜元件的有效膜面积为400平方英尺；第六膜元件进水流道为34mil，膜页数为30页，膜袋长度为1.3米，膜元件的有效膜面积为400平方英尺。
按照本专利设计的思路，选取抚顺某钢厂为实施地点，该系统为中水回用，共3套系统，每套96支，均为两段系统11:5排列。水质如下：
检测项目 检测数值 检测项目 检测数值
电导率(μs/cm) 3000 PH 8.26
总硬度(mg/L) 535 SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>(mg/L) 24.1
总铁(mg/L) 3.2 SiO<sub>2</sub>(mg/L) 14
Cl<sup>-</sup>(mg/L) 101.24 COD<sub>Cr</sub>(mg/L) 116
Mn(mg/L) 0.042 AL(mg/L) 0.078
CO<sub>3</sub><sup>2-</sup>(mg/L) 0 浊度(NTU) 5
SDI<sub>15</sub> 5.2 总碱度(mg/L) 387.7
将设计好的8寸膜元件各卷制16支，共96支，放入第一反渗透系统(未图示，仅做区分说明)，其中第一膜元件进水流道为56Mil；第二膜元件进水流道为48mil；第三膜元件的进水流道为40mil；第四膜元件的进水流道为36mil；第五膜元件的进水流道为34mil；第六膜元件进水流道同为34mil(膜页数及膜袋长度不同)，安装顺序从进水端依次为1-2-3-4-5-6排列。第二第三系统为常规膜元件，选用同批次膜片卷制的普通34mil膜元件，有效膜面积均为365平方英尺。
3套系统数据如下：
Figure BDA0003007526390000071
Figure BDA0003007526390000081
从以上数据可以明显看出，本发明的膜元件及系统数据优于普通膜元件的系统，效果显著，这样会降低清洗频率，增加反渗透膜元件的使用寿命，降低维护成本，后续会继续跟进数据，跟踪长期使用效果。
当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种膜组件，包括膜壳、位于所述膜壳两端的端盖及设置在所述膜壳内的膜元件，对应于两端的所述端盖上各构造为相对地进水端和出水端，所述膜元件包括设置有排出纯水的出水孔，所述集水管外缠绕设置有产水流道布，所述产水流道布外缠绕设置有多层膜叶，相邻的两层膜叶之间设置有构成进水流道的进水流道布，其中，所述膜元件彼此串联设置有多个，且多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的所述进水流道布的厚度沿进水端至出水端方向减少。
2.如权利要求1所述的膜组件，除靠近进水端和出水端的两个所述膜元件外，其余多个所述膜元件中，相邻的两个所述膜元件的所述进水流道布的厚度差的绝对值自靠近出水端一侧起符合以下条件：
Tn＝T1*q(n-1),
Tn为第n项厚度差绝对值，T1为第1项厚度差绝对值，q、n为自然数。
3.如权利要求2所述的膜组件，相邻的两个所述膜元件的所述进水流道布的厚度差自靠近出水端一侧起符合等比数列，q为公比，且q为大于1的自然数。
4.如权利要求1所述的膜组件，多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的膜页数沿进水端至出水端方向增加。
5.如权利要求1所述的膜组件，多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的有效膜面积沿进水端至出水端方向增加。
6.如权利要求1所述的膜组件，多个所述膜元件中至少部分所述膜元件的膜叶长度沿进水端至出水端方向减少。
7.如权利要求1所述的膜组件，所述膜元件包括沿进水端至出水端方向依次串联设置的第一膜元件、第二膜元件、第三膜元件、第四膜元件、第五膜元件及第六膜元件，其中，所述第五膜元件及第六膜元件的有效膜面积相同，且所述进水流道布的厚度相同。
8.如权利要求7所述的膜组件，所述第一膜元件、所述第二膜元件、所述第三膜元件及所述第四膜元件中，自所述第四膜元件起至所述第一膜元件，相邻两个膜元件的有效膜面积符合以下条件：
A2-A1＝2*(A3-A2)＝4*(A4-A3)
其中，A1、A2、A3、A4分别为所述第一膜元件、所述第二膜元件、所述第三膜元件及所述第四膜元件的有效膜面积。
9.一种包含权利要求1至8任一项所述的膜组件的反渗透膜设备。
10.一种包含由权利要求1至8任一项所述的膜组件构成的反渗透设备的反渗透系统。
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