CN116282378A - 一种旋转疏水膜高通量反渗透水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，涉及水处理领域，本发明提供装置疏水过滤膜覆盖带有导流收集槽的内转筒外壁，经由中心通道导出过滤液。同时，引入一种“时间维度选择性”的新原理作为本发明的理论基础，允许反渗透膜孔径比过滤物尺寸大得多，不仅使得膜方便加工，易于生产，并且很好的解决了分离过程中的膜面的浓差极化和膜污染现象，显著提高膜的渗透通量，带来不低的物质截留率，大幅度改善水处理中的分离性能。

Description

一种旋转疏水膜高通量反渗透水处理装置

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及一种具备分离或提纯特定尺寸微颗粒物的动态疏水膜反渗透水处理装置。

背景技术

随着我国工、农业的飞速发展，城市建设的不断扩大，对水资源的需求量急剧增加，然而水资源污染加剧了供需矛盾。发展水资源的循环利用技术对提高我国水资源利用效率，缓解水资源紧张问题来说意义重大。传统水处理行业使用如物理沉降方法，生物反应器等过滤方法，效率低下，成本高，占地面积大，而膜分离技术目前正在被引入水处理行业，成为了目前污水处理最主要的发展方向之一。

由于过滤物的复杂性，简单的通过原料液压力差驱动污水过滤方法十分局限，因为胶体粒子及溶质大分子会被吸附沉积，堵塞滤孔从而导致膜污染、膜劣化、浓差极化等现象，过滤过程中需要经常清洗及维护，大大降低膜分离效率。

动态膜水处理技术是一种新兴的固液分离技术，如CN200510060861提供了一种旋转膜生物膜反应器，利用液体在中空纤维膜中的流动以及自身的绕轴旋转运动，提高了装置的耐污染性能，CN202221727277提供了一种盘式动态生物膜反应器，料液从中间通道流通过程中被旋转的膜片过滤分离；这些发明能在一定程度上控制膜污染，但是，现有方法一方面是借助离心力提供反渗透压强，另一方面是通过剪切作用提升反渗透膜表面的防污性能。难以从根本上解决选择性和渗透性相互制约的问题，其根本矛盾在于目前分离所需的膜孔径要求比待分离物尺寸(如粒径等)小，以达到分离特定颗粒物的目的，但这样在长时间的运行下势必会造成不可避免的过滤物堵塞膜孔造成的分离效率下降。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种旋转疏水膜高通量反渗透水处理装置，本发明允许膜孔大小不必严格小于所需截留物的大小，打破了传统过滤方式的膜孔一定要小于截留物的物理限制，从根本上克服了分离技术一直以来的膜面污染以及浓差极化问题，与此同时，大孔径膜带来的超高过滤水通量，大幅提高膜的分离性能，为水处理行业带来更高的生产效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：

一种旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，包括旋转膜组件、连接支撑组件和驱动组件；所述驱动组件用来驱动连接支撑组件，所述连接支撑组件能够带动旋转膜组件竖直旋转；

所述连接支撑组件包括上支撑盖、下支撑底座、上长高颈法兰和下长高颈法兰；所述上高颈法兰通过上支撑盖支撑，所述下长高颈法兰通过下支撑底座支撑；所述上高颈法兰、下长高颈法兰分别与旋转膜组件的上端和下端连接；

所述旋转膜组件包括内转筒、疏水过滤膜和过滤装置外壁；所述内转筒外侧壁设置有疏水过滤膜，所述疏水过滤膜外设置有过滤装置外壁；工作时，内转筒和疏水过滤膜竖直旋转；

所述过滤装置外壁上设置有进水口和出水口，液体经进水口进入，浓缩液体经出水口流出。

上述方案中，所述内转筒外侧壁上开设有导流槽，所述导流槽为螺旋状，所述内转筒轴向方向上开设有中心通道，内转筒径向方向上开设有孔道，所述孔道与中心通道相连通；孔道沿轴向分布。

上述方案中，上长高颈法兰和下长高颈法兰中心开设有孔，且孔与中心通道相通。

上述方案中，所述疏水过滤膜为疏水覆膜涂层或疏水性薄膜材料，所述疏水过滤膜与过滤装置外壁间距为1～10mm；疏水过滤膜孔隙率为1～10％，孔径1mm～5mm；工作温度为10～60℃。

上述方案中，所述过滤装置外壁通过上支撑盖和下支撑底座支撑，所述过滤装置外壁上安装有传感器以监测流场。

上述方案中，所述上支撑盖和下支撑底座通过支撑柱支撑。

上述方案中，所述驱动组件包括电机和齿轮；所述齿轮将转矩传递到上高颈法兰上，上高颈法兰带动内转筒旋转。

上述方案中，所述上长高颈法兰和下长高颈法兰与上支撑盖和下支撑底座配合处油毡密封；所述上长高颈法兰和下长高颈法兰通过设置在上支撑盖和下支撑底座内的轴承支撑。

上述方案中，所述下支撑底座下方连接有下端盖，下端盖下方设有集水器，过滤液经集水器收集，下端盖上开设有排水孔，意外进入下支撑底座与下端盖之间的液体经排水孔排出。

上述方案中，所述电机为高速电机，通过可变传动比的齿轮传动系统带动内转筒旋转，内转筒转速为3000～10000r/min。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用旋转疏水膜过滤净化水的方法，相较于传统的静态过滤分离方法，本发明采用动态膜技术，并结合“时间维度选择性”新原理，高疏水性渗透膜所导致的边界滑移，利用颗粒径向穿过渗透膜孔隙和周向滑过渗透膜孔隙的时间差，从而实现类似“时间维度”的选择性的全新原理。引入新原理具有十分巨大的优势，膜孔径不必严格小于待分离物尺寸，依然能实现固液的高效分离，同时大膜孔带来的高滤液通量，使得传统的选择性与渗透性权衡被打破。另外，本发明还可通过调节不同的膜厚和转速等“时间维度选择性”原理关键参数，实现对不同尺寸颗粒物的截留，尽可能大的孔径获得更高的水通量，同时实现了过滤膜的高通量与高截留率。

2.本发明一方面通过在Couette流中建立操作机制，提供了一种利用环隙间过滤物质的改进方法，待过滤液体存在于疏水过滤膜表面与过滤装置外壁之间的环形间隙之间，对于一定的环隙的长度、厚度、角速度，形成剧烈的涡流效应使得在膜表面产生一系列连续得环形泰勒涡流单元，并沿轴长度上移动并在内循环方向上交替，泰勒数范围为70至250之间。颗粒物在膜表面的高剪切速率分量对膜自洁有重要贡献，倾向于清除膜上物质，减少膜上物质沉积。

3.本发明因为不需要非常精细的膜孔直径，因此，本发明优势可以采用大孔径的膜，而大孔径的膜更易于加工制造，更易获取，简单便捷。

4.本发明中污染液体可存在于内转筒或疏水过滤膜与过滤装置外壁的环形间隙内，进而被过滤，且都能获得高选择性与高滤液通量。

附图说明

图1为本发明实施例涉及到的一种旋转疏水膜高通量反渗透水处理装置结构示意图；

图2为图1中涉及到得内转筒的结构示意图；

图3为图1中涉及到的疏水过滤膜表面孔的结构示意图；

图4为旋转疏水膜高通量反渗透水处理装置的理论依据简示图。

附图标记如下：

1-紧锁螺母；2-弹簧垫圈；3-第一直齿圆柱齿轮；4-上端盖；5-环形垫片；6-上支撑盖；7-上长高颈法兰；8-第一角接触球轴承；9-油毡密封；10-内转筒；11-疏水过滤膜；12-过滤装置外壁；13-下长高颈法兰；14-立柱；15-集水器；16-排水孔；17-下端盖；18-第二角接触球轴承；19-下支撑底座；20-出水口；21-电机；22-进水口；23-螺栓；24-电机固定架；25-第二直齿圆柱齿轮；26-第三直齿圆柱齿轮；28-旋转膜组件；29-连接支撑组件；30-螺钉；32-孔道；34-中心通道；35-导流槽。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。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。

基于一种“时间维度选择性”的新原理，高疏水性渗透膜覆于内转筒之上以使得污水在壁面产生边界滑移速度，利用颗粒径向穿过渗透膜孔隙和周向滑过渗透膜孔隙的时间差，来实现对污浊水体悬浮液中颗粒的截留。

一种旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，包括旋转膜组件28、连接支撑组件29和驱动组件；所述驱动组件用来驱动连接支撑组件29，所述连接支撑组件29能够带动旋转膜组件28竖直旋转；

所述连接支撑组件29包括上支撑盖6、下支撑底座19、上长高颈法兰7和下长高颈法兰13；所述上高颈法兰7通过上支撑盖6支撑，所述下长高颈法兰13通过下支撑底座19支撑；所述上高颈法兰7、下长高颈法兰13分别与旋转膜组件28的上端和下端连接；

所述旋转膜组件28包括内转筒10、疏水过滤膜11和过滤装置外壁12；所述内转筒10外侧壁设置有疏水过滤膜11，所述疏水过滤膜11外设置有过滤装置外壁12；工作时，内转筒10和疏水过滤膜11竖直旋转；

所述过滤装置外壁12上设置有进水口22和出水口20，液体经进水口22进入，浓缩液体经出水口20流出。

上述方案中，所述内转筒10外侧壁上开设有导流槽35，所述导流槽35为螺旋状，所述内转筒10轴向方向上开设有中心通道34，内转筒10径向方向上开设有孔道32，所述孔道32与中心通道34相连通；孔道32沿轴向分布。

上述方案中，上长高颈法兰7和下长高颈法兰13中心开设有孔27，且孔27与中心通道34相通。

上述方案中，所述疏水过滤膜11为疏水覆膜涂层或疏水性薄膜材料，所述疏水过滤膜11与过滤装置外壁12间距为1～10mm；疏水过滤膜11孔隙率为1～10％，孔径1mm～5mm；工作温度为10～60℃。

上述方案中，所述过滤装置外壁12通过上支撑盖6和下支撑底座19支撑，所述过滤装置外壁12上安装有传感器以监测流场。

上述方案中，所述上支撑盖6和下支撑底座19通过支撑柱14支撑。

上述方案中，所述驱动组件包括电机21和齿轮；所述齿轮将转矩传递到上高颈法兰7上，上高颈法兰7带动内转筒10旋转。

上述方案中，所述上长高颈法兰7和下长高颈法兰13与上支撑盖6和下支撑底座19配合处油毡密封9；所述上长高颈法兰7和下长高颈法兰13通过设置在上支撑盖6和下支撑底座19内的轴承支撑。

上述方案中，所述下支撑底座19下方连接有下端盖17，下端盖17下方设有集水器15，过滤液经集水器15收集，下端盖17上开设有排水孔16，意外进入下支撑底座19与下端盖17之间的液体经排水孔16排出。

上述方案中，所述电机21为高速电机，通过可变传动比的齿轮传动系统带动内转筒10旋转，内转筒10转速为3000～10000r/min。

结合附图1所示，一种旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，包括旋转膜组件28、连接支撑组件29、驱动组件、立柱14和电机21，被固定在上支撑盖6、下支撑盖19中间，通过上长高颈法兰7、下长高颈法兰13与第一角接触球轴承8、第二角接触球轴承18承接，保证同心度的同时，一对角接触球轴承采用背对背安装方式，能承受高速状态下的刚性和倾覆力矩，轴承靠中心端有油毡密封9防止有液体进入连接支撑组件29腔体内部，在连接支撑组件29端部压有上端盖4、下端盖17，与上支撑盖6、下支撑底座19通过螺栓连接，并且下端盖17底部开有排水孔16，及时排出连接支撑组件29内部液体，过滤装置外壁通过过盈配合嵌入上支撑盖6与下支撑座19的凹槽中，并保证被完全固定压牢。连接支撑组件29被自上而下穿过的四根空心圆立柱14通过热胀冷缩装配连接，立柱14穿过上支撑盖6的部分深度，并完全穿透下支撑底座19的外缘部分，最后立柱14通过螺栓连接在目标工作地点，四个立柱保证装置呈竖直状态并传导运行过程中的大部分震动，稳定高速状态下装置的可靠性。

驱动组件中的传动组件包括第一直齿圆柱齿轮3、第二直齿圆柱齿轮25和第三直齿圆柱齿轮26，第一直齿圆柱齿轮3上端被弹簧垫圈2及紧锁螺母1固定，第一直齿圆柱齿轮3与第二直齿圆柱齿轮25通过键分别连接在上长高颈法兰7末端与电机轴，并转递转矩，第三直齿圆柱齿轮26安装在上长高颈法兰7延长外缘，采取快拆快装方案，方便更换不同齿数的齿轮以实现不同的转动比。

旋转膜组件28包括内转筒10、进水口22、出水口20、疏水过滤膜11和过滤装置外壁12，进水口22与出水口20通过螺纹连接在过滤装置外壁12，待滤液体从进水口22以一定速度进入疏水过滤膜11和过滤装置外壁12环隙间，在经过过滤装置后经由出水口20流出浓缩液。上长高颈法兰7、下长高颈法兰轴13与带有疏水过滤膜11的内转筒10固定在一起，采用螺钉30连接，以传递扭矩，同时，上长高颈法兰7和下长高颈法兰13中心开设有孔27，且孔27与中心通道34相通，目的是平衡装置内压强以及作为最终滤液的流经通道，内筒10内部亦有细小管道与中空管道34相连通。

结合附图2所示，内转筒10轴向方向上开设有中心通道34，内转筒10径向方向上开设有孔道32，孔道32与中心通道34相连通；孔道32沿轴向分布，孔道32在同平面不相交，内转筒10表面开有螺旋状导流槽35，类似于螺旋输送机构，当过滤液穿疏水过滤膜11到达内转筒10表面时，会被特定旋转方向的螺旋状导流槽向下输送，并在距离最近的细小孔道32被输送至中心通道34从而被收集，优选地，可以改变导流槽螺距与沟槽宽度，并在内转筒10表面开通更多细小通道，可以保证滤液顺利顺畅持续的产出，滤液经由孔27最终在集水器15下端的集水口被收集，集水口可以外接水管导出滤液，亦可串联到另一台旋转疏水膜反渗透水处理装置的进水口达到多级分离提纯的目的。

疏水过滤膜11由膜支撑结构与表面疏水涂层或覆膜组成，并紧贴在内转筒10外侧壁，过滤液穿过膜后流到导流槽被收集，覆膜材料为疏水性强且表面光滑规则的材料，例如，选用石墨烯、聚碳酸酯等材料以达到较大的表面滑移。过滤膜片段的未按比例绘制的理想化透视图如图3，过滤膜表面不规则性不大于孔径，光滑且疏水性强，过滤孔径不必严格小于过滤物质大小，疏水过滤膜11与过滤装置外壁12之间的间距为5mm。可根据分离不同的物质做不同的调整。

本发明中选用表面不规则性不大于孔径的光滑疏水膜材料，以期带来更高的污水滑移速度。

新本型旋转疏水膜反渗透水处理装置基于时间维度筛选理论，结合附图4所示，污水进入旋转的膜内部，然后污水与膜表面产生边界滑移，同时在离心压力差的作用下，水分子穿过膜，而污水中的杂质颗粒物等大尺寸物质被截留。

时间维度筛选理论是根据污水中杂质切向通过微米孔的时间小于径向穿过微米孔的时间来达到截留污水中杂质的目的，实现了不依靠孔径大小来过滤污水中的杂质。理论上，孔周围的每一个杂质颗粒都受到一个滤膜内污水溶液内部压力，可以用牛顿第二定律计算出杂质颗粒的径向加速度。进而获得污水中杂质颗粒径向穿透孔隙所需要的时间，另一方面，随着膜的旋转驱动压力增大，滑移速度也越大，产生的巨大离心力，可以获得杂质颗粒切向穿透孔隙所需要的时间。在一定范围内，可以通过调节反渗透膜的角速度、膜的孔隙率、孔径、膜厚与转速，可以很容易地获得所需的滤液通量和杂质过滤率，实现高截留率与高水通量。

具体地，该装置运行时，结合附图1和图2所示，首先，在污水经过初步处理之后，通过水泵，经由注水口22输入装置中，存在于膜组件与外壁的环隙间，装置启动时，电机开始工作，带动第一直齿圆柱齿轮3带动旋转膜组件28进行旋转，流经疏水过滤膜11和过滤装置外壁12环隙间的污水由于与膜面之间的摩擦力，被带动着一起旋转，但由于疏水过滤膜11表面的极强疏水性，污水与疏水过滤膜11会产生相对滑移，并产生一定的速度差，根据“时间维度选择性”新原理，颗粒物与水分子径向穿过渗透膜孔隙和切向滑过渗透膜孔隙的时间长度并不相同，于是颗粒物被截留于膜表面并被释放回污水中，分离出的澄清液经由膜孔洞，抵达内转筒10外壁，并顺势流入内转筒10表面的导流槽35中，由于导流槽35呈左(右)螺旋状，配合旋转轴顺时针(逆时针)旋向，分离出的澄清液受到牵引力的力并沿着导流槽向下流动，直到从临近孔道32输送至中心通道34，最终被集水器收集流出滤液，疏水过滤膜11和过滤装置外壁12环隙中被过滤后的浓缩液从下端出水口20经由管道流出，经过水泵后可再次过滤循环直至水体达到目标值。本发明运行过程中，对于一些意外进入膜连接支撑组件29的腔体中液体，可通过下端盖17上开设的排水孔16导出，避免堆积导致装置寿命减少。同时，因为引入的新机理，滤液通量大幅提高，同时带来较高的物质截留率，膜孔周围附近的沉积物大量较少，从根本上克服了膜污染及浓差极化的问题，反渗透疏水膜无需经常清洗，大幅改善性能，提高分离效率。此发明有利于水处理行业长久高效发展。

工作过程：工作时，电机21高速旋转，齿轮组带动旋转膜组件28旋转，旋转膜组件28带动待滤液高速流动，同时，过滤液不断从中心通道27流出并被集水口15收集，当旋转膜组件28旋转时，新的待滤液从进水口22补充进疏水过滤膜11和过滤装置外壁12的环形间隙，经过分离浓缩提纯之后从出水口20流出，装置内偶尔会有意外进入的液体，可以通过下端排水口16排除以防止液体堆积损坏零部件。

本发明中采用的是旋转膜组件旋转，过滤装置外壁固定，也可以为旋转膜组件与过滤装置外壁同时旋转。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，其特征在于，包括旋转膜组件(28)、连接支撑组件(29)和驱动组件；所述驱动组件用来驱动连接支撑组件(29)，所述连接支撑组件(29)能够带动旋转膜组件(28)竖直旋转；

所述连接支撑组件(29)包括上支撑盖(6)、下支撑底座(19)、上长高颈法兰(7)和下长高颈法兰(13)；所述上高颈法兰(7)通过上支撑盖(6)支撑，所述下长高颈法兰(13)通过下支撑底座(19)支撑；所述上高颈法兰(7)、下长高颈法兰(13)分别与旋转膜组件(28)的上端和下端连接；

所述旋转膜组件(28)包括内转筒(10)、疏水过滤膜(11)和过滤装置外壁(12)；所述内转筒(10)外侧壁设置有疏水过滤膜(11)，所述疏水过滤膜(11)外设置有过滤装置外壁(12)；工作时，内转筒(10)和疏水过滤膜(11)竖直旋转；

所述过滤装置外壁(12)上设置有进水口(22)和出水口(20)，液体经进水口(22)进入，浓缩液体经出水口(20)流出。

2.根据权利要求1所述的旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，其特征在于，所述内转筒(10)外侧壁上开设有导流槽(35)，所述导流槽(35)为螺旋状，所述内转筒(10)轴向方向上开设有中心通道(34)，内转筒(10)径向方向上开设有孔道(32)，所述孔道(32)与中心通道(34)相连通；孔道(32)沿轴向分布。

3.根据权利要求2所述的旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，其特征在于，上长高颈法兰(7)和下长高颈法兰(13)中心开设有孔(27)，且孔(27)与中心通道(34)相通。

4.根据权利要求1所述的旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，其特征在于，所述疏水过滤膜(11)为疏水覆膜涂层或疏水性薄膜材料，所述疏水过滤膜(11)与过滤装置外壁(12)间距为1～10mm；疏水过滤膜(11)孔隙率为1～10％，孔径1mm～5mm；工作温度为10～60℃。

5.根据权利要求1所述的旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，其特征在于，所述过滤装置外壁(12)通过上支撑盖(6)和下支撑底座(19)支撑，所述过滤装置外壁(12)上安装有传感器以监测流场。

6.根据权利要求1所述的旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，其特征在于，所述上支撑盖(6)和下支撑底座(19)通过支撑柱(14)支撑。

7.根据权利要求1所述的旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，其特征在于，所述驱动组件包括电机(21)和齿轮；所述齿轮将转矩传递到上高颈法兰(7)上，上高颈法兰(7)带动内转筒(10)旋转。

8.根据权利要求1所述的旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，其特征在于，所述上长高颈法兰(7)和下长高颈法兰(13)与上支撑盖(6)和下支撑底座(19)配合处油毡密封(9)；所述上长高颈法兰(7)和下长高颈法兰(13)通过设置在上支撑盖(6)和下支撑底座(19)内的轴承支撑。

9.根据权利要求1所述的旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，其特征在于，所述下支撑底座(19)下方连接有下端盖(17)，下端盖(17)下方设有集水器(15)，过滤液经集水器(15)收集，下端盖(17)上开设有排水孔(16)，意外进入下支撑底座(19)与下端盖(17)之间的液体经排水孔(16)排出。

10.根据权利要求7所述的旋转疏水膜高通量反渗透处理装置，其特征在于，所述电机(21)为高速电机，通过可变传动比的齿轮传动系统带动内转筒(10)旋转，内转筒(10)转速为3000～10000r/min。

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