CN1485124A - 实用于清洁生产的新型板框式超滤器和反渗透装置 - Google Patents

Abstract

实用于清洁生产的CLB－X型超滤器和FSB－X型反渗透装置(属膜分离技术领域)，是由玻璃纤维增强树脂模压成型的多孔透水板，合成纤维织物、膜和水流通道隔板交替重叠起来，以系紧螺栓固定组成的矩形超滤和反渗透装置。从装配形式看类似常规板框式而具有结构牢固、能承受高压、膜面积装密度高等优点；从水流状态看又似多根串联的管式装置而具有很好的水力条件，因此能有效防止浓差极化和膜污染，提高膜的水通量。由于全部革除了目前工业用板框式装置中不锈钢膜组件，简化了膜组件结构和生产工艺，从而大幅度降低了生产成本。作为一种价格低廉、适于实用的新型水处理装置，将广泛普及应用于工业清洁生产的多种用途中。本装置的超滤(反渗透)流程和膜组件示意图见摘要附图。

Description

实用于清洁生产的新型板框式超滤器 和反渗透装置

一、技术领域：

本发明专利技术方案属膜分离技术领域。

二、背景技术

超滤和反渗透技术作为一种新型水处理方法，与常规水处理方法相比，具有分离过程无相变化，可以选择性分离溶液中的溶质，且装置简单、适用范围广、处理效率高、能耗低、容易操作和控制等特点，正受到人们普遍重视并日益得到发展。

目前工业上常用的膜组件主要有板框式、园管式、螺旋卷式、中空纤维式和毛细管式等五种类型。由于工业废水成分复杂、水溶性物和悬浮物含量高，或者是一些胶体类物质，所以能够适用于工业废水处理的也仅限于板框式和园管式两种类型。其中具有代表性的平板式组件是丹麦D.D.S公司产品[1]，超滤膜配置在椭园形支撑板两侧，膜与支撑板上有料液的进口与出口，透过液支撑板由支撑板边缘的导流管引出，组件由许多膜与支撑板相互叠加而成，支撑板上的料液进出口用抛物线形导管连接，以利于避免料液在膜表面形成死角，减少膜的浓差极化。这种组件在欧州、新西兰等国家，特别是在乳品工业中得到了广泛应用。我国除了应用这种膜组件系统进行牛奶分离浓缩，以及乳糖的反渗透回收外，于1987年在吉林开山屯化学纤维浆厂建成了迄今同类中最大一套超滤和反渗透装置。其中UF780m²、RO190m²，用于从酸法制浆蒸煮废液中分离、纯化、浓缩木素磺酸盐和糖类物质，取得了良好的经济、社会和环境效益[2]。与D.D.S公司平板式相仿的还有欧州Rhone Poulenc公司生产的矩形平板式超滤膜组件。它的结构类似于板式热交换器，液体流道高度约1.5mm，不易堵塞、折装方便、主要用于处理含油废水[3]。

对于以园管式膜组件用于工业废水处理具有代表性的是日本大王造纸公司三岛硫酸盐浆厂投资6亿日元，建成了世界上最大规模的管式超滤设备用以处于漂白废水。该设备于1981年6月开始投入生产，日处理量为4000m³，纸浆漂白废水经该套设备处理后可以用作浆料洗涤用水[4]。

目前，工业用板框式模组件大都是用不锈钢做的，虽然在可靠性、耐溶剂腐蚀和承受高温、高压等方面都具有优势，但其价格较贵，其成本几乎是螺旋卷式组件的10倍(生产成本为200-300美元/m²，销售价通常为生产成本的2-5倍)。管式膜组件，由于其制作工艺较复杂，其生产成本在各类膜组件中也是较高的(100-200美元/m²)。因此，在国外虽然早已实现了工业化应用，但至今还不能广泛普及地应用于工业生产的各个领域中[5]。

本发明专利技术是在对“碱性(或中性)亚硫酸钠法草浆蒸煮废液资源化综合利用技术”的研究中，开发出的一种经济实用的新型超滤装置，用于从制浆蒸煮废液中分离、纯化和浓缩木素磺酸盐。它是在借鉴丹麦D.D.S公司和RhonePoulenc公司平板式的成功经验基础上，对其膜组件材料、结构、制造和装配工艺进行了全面改革，即以一次模压成型的玻璃纤维增强的乙烯基酯树脂的多孔透水板，和粘有鱼鳞网的聚丙烯有回路水流通道隔板，全部取代不锈钢制的支撑板和带有抛物线形导流管隔板，构成一个以多孔透水板、合成纤维织物、超滤膜、水流通道隔板交替重叠起来，以系紧螺栓固定组成的矩形超滤装置。由于全部革除了不锈钢制膜组件，简化了制造和装配工艺，从而大幅度降低了生产成本(为D.D.S公司同类产品的1/10)。它不仅成功应用于从制浆蒸煮废液中分离、纯化和浓缩木素磺酸盐，而且在扩大应用于麦草湿法备料废水、制浆中段水、纸机白水的处理与再生和最终实现制浆造纸生产用水全封闭，也都取得了令人满意的实用效果。由此我们推断，这种价格低廉又具有很好实用性能的新型超滤和反渗透装置，可以广泛普及地应用于工业清洁生产领域中。

三、发明内容：

实用于清洁生产的CLB-X型超滤器和FSB-X型反渗透装置，是由玻璃纤维增强乙烯基酯树脂模压成型的多孔透水板、合成纤维织物、超滤(反渗透)膜、和粘有鱼鳞网(或挤塑网)有回路水流通道隔板交替重叠起来，以系紧螺栓固定组成的矩形超滤和反渗透装置。从装配形式看它类似常规板式而具有结构牢固、能承受高压、单位体积膜面积装密度高、运行费用低等优点；从水流状态看又似置有湍流促进器多根串联的管式装置，而具有很好的水力条件，因此能有效防止浓差极化和膜污染，显著提高膜的水通量。由于全部革除了目前工业用板框式超滤器中的不锈钢膜组件，简化膜组件结构和制造装配工艺，从而大幅度降低了生产成本。作为一种价格低廉、适于实用的新型超滤(反渗透)装置，能够广泛普及地应用于工业清洁生产的多种用途中。

CLB-X型超滤器和FSB-X型反渗透装置膜组件与常用膜组件主要特征比较列下表：

膜组件类型	CLB-XFSB-X	园管式	板框式	螺旋卷式	中空纤维式
						组件结构	简单	简单	非常复杂	复杂	复杂
生产成本￥$/m2	25-30	100-200	200-300	30-100	5-20
						膜装填密度m2/m3	200-300	33-300	160-500	650-1000	16000-30000
原液流道高mm	1-2	3-25	0.3-1	0.5-1	1-2.5
						流道长度m	4-6	3	0.2-1	0.5-2	0.3-2
原液流速m/s	3-6	3-6	0.7-2	0.2-1	0.5-3.5
						流动形态	湍流	湍流	层流	湍流	层流
膜支撑结构	简单	简单	复杂	简单	不需要
						抗污能力	很好	很好	好	适中	很差
膜清洗难易	易	(内压)易	易	难	难
						膜更换难易	易	(内压)费时	尚可	易	更换组件

注：常用膜组件主要特征摘自：时钧，袁权，高从揩主编。膜技术手册。北京：化学工业出版社2001.1.213页。

CLB-X型超滤器和FSB-X型反渗透装置的流程与装置和膜组件示意图见附图-1。

本发明专利技术产品与丹麦D.D.S公司和欧州Rhone Poulenc公司产品相比，明显具有以下特点和有益效果：

(1)采用玻璃纤维增强树脂和塑料材质的膜组件，在保证产品耐溶剂侵蚀和承受高温(80℃)、高压等方面的可靠性前提下，大幅度降低了膜组件的生产成本；

(2)简化膜组件结构和制造装配工艺，提高膜组件的生产效率，降低了生产成本；

(3)采用粘有鱼鳞网(或挤塑网)的有回路水流通道隔板，不仅使板式模组件具有和管式一样或更好的水力条件与抗污染能力；同时也克服了板式组件因流程较短而造成单程回收率较低之缺陷，从而提高了处理工业废水的适应能力；

(4)基于以上特点和效果，本发明专利产品将能够以一种价格底廉，且具有更好的实用性能，广泛普及地应用于工业清洁生产的多种用途中。作为一种具有独特优点的新型水处理方法，在工业废水处理与再生，水溶性物质的分离、纯化、浓缩和利用，以及最终实现工业生产用水全封闭等方面，都将起到不可替代的具有划时代意义的重要作用。

四、附图说明：

附图-1所示为CLB-X型超滤器和FSB-X型反渗透装置的流程和膜组件示意图。图(a)为超滤(反渗透)流程与装置，进料液由压力水泵送入装置的进水口，流入各片水流通道隔板内，沿隔板与配置在多孔透水板两侧超滤(反渗透)膜形成的高度为1-2mm回路通道流动。通道中设有鱼鳞网(或挤塑网)，使流体产生湍流，以减少污染、提高分离效率。在压力作用下，水和小于超滤膜规定的切割相对分子质量的水溶性物质，即透过超滤膜，经起有支撑和导流作用的尼龙(或涤纶)布流入密布筛孔的透水板内，沿板内“迷宫式”透过液通道流向底部(平放式为两端)，经出水孔道排出。各片水流通道隔板中的浓缩液，由隔板出水孔汇集经装置出水口排出。

图(b)所示为膜组件中的多孔透水板和有回路水流通道隔板示意图。多孔透水板由玻璃纤维增强乙烯基酯树脂模压成形的两张多孔单板相对(里表面)粘合而成。如剖面图所示，单板是里表面为凸出0.5mm的四边(长边宽30mm，幅边宽40mm)、三条等分筋条(宽5mm)和均布蜂窝状形体的密孔(孔径φ3mm、横排园心距4mm、纵排园心呈等边三角形分布)筛板。板里面两端布有宽10mm、深0.5mm流水沟槽和透过孔，中心线上的上、下二个透孔(φ20mm)是透过液出水孔、与流水沟槽相连。下端左角为原料液进水孔(φ20-25mm)，右角为浓缩液出水孔，分别与水流通道隔板上的进、出水孔相连。将二张单板的里表面相对，用环氧树脂粘合起来，即成为一块两侧面(厚2mm)平整且密布筛孔，内里由蜂窝体支撑形成的高1mm“迷宫式”水流通道的多孔透水板(厚度5mm)。

回路流水通道隔板的四边框、水道隔条和透过孔均与多孔透水板相对应，用厚度1-2mm均匀平整的聚丙烯板材冲切成型，然后粘贴或热压上一定形式的隔网。要求产生较强湍流的用鱼鳞网，一般的可采用挤塑网。

实用的膜组件产品，是先在多孔透水板的两侧面沿边框四周涂胶粘贴上尼龙布、而后再粘贴超滤(反渗透)膜，形成一个透水板单元组件。然后按一层粘有鱼鳞网有回路水流通道隔板、一层透水板单元组件交替重叠起来，两边配以玻璃钢旁板，最后用夹板和系紧螺栓固定做成的。

五、具体实施方式：

本发明专利技术产品的生产实施，主要包括多孔透水板的模压成型和制作，水流通道隔板的冲剪和隔网的粘结、玻璃钢旁板的模压成型、合成纤维织物和膜的裁剪备料、膜组件装配与固定等工艺程序，现就以上工艺程序的具体实施方式说明如下：

1、多孔透水板的模压成型和制作

(1)片状模塑料SMC：多孔透水板是由玻璃纤维增强乙烯基酯树脂片状模塑料(SMC)模压成型的。乙烯基酯树脂是一种新型树脂，它是在不饱和聚酯和环氧树脂的基础上，结合了两者优点而发展起来的。在性能上保留了环氧树脂的机械性能高、耐热、耐化学腐蚀等优良性能，在工艺上又吸取了不饱和聚酯易成型的长处，从而产生的一种在耐热、耐化学及高延伸率等方面性能优良的新型树脂。采用这种新型树脂，配以玻璃纤维为主(占40％)的填料，加入引发剂、增稠剂、内脱膜剂以及低收缩和低轮廓添加剂等，组成一种供模压成型用的中间材料。其外观为一定厚度的平卷材，可挠曲、裁剪，存放数周不致凝胶固化，也不影响其固化性能。在使用时可切割成需要形状放入模具中，经热压制成具有良好强度、耐冲击、耐腐蚀的平整光洁制品。应用这种具有特殊性能的片状模塑料，是生产质量合格多孔透水板的基本工艺保障。在小规模生产时可按实用需要向专门生产厂家订购，其规格尺寸为宽1.1M、厚2mm的平卷材。大规模批量生产时，也可以根据实际情况，组建专业车间自行安排生产。

(2)热压用钢模具

热压用钢模具质量好坏对生产影响极大，模具成本也高，约占生产总成本的25％左右，在模具的设计与制造技术上都较复杂。现仅就模具组件、模具材料、成型压力、表面光洁度、尺寸精度、剪切边类型、导轨、脱模装置和加热方法加以简要说明。

a.模具组件：热压用钢模具的主要组件结构如附图-2所示。阴模底板上密布有φ3mm和φ25-30的锥尖园柱体，用以成形多孔透水板上的筛孔和进、出水孔。阴膜托面板为带有与这些园柱体配作孔的平面板，用以将成形的多孔透水板托出。阳模面板上除了带有与这些园柱体锥尖配作的锥形孔腔外，还有用以成形多孔透水板里表面上凸出的边框、筋条、透过液水槽、和均布的蜂窝状形体(是以上下三个等边园孔的中心划出φ3mm、深0.5mm园孔得到的)的，凹下0.5mm深的不同形面体。它被固定在阳模底板上。阳模底板表面有与面板上锥形孔腔配作的进气沟槽，用以压缩空气清除锥形孔腔内溢进的固化树脂。固定在阴模底板上的边框板，用以成型多孔透水板四周表面，并与托面板呈滑动配合。定位块用作控制成品厚度、顶出销用以顶起托面板，它与压机底板下面的顶出机构相配合。

b、模具材料：模板全部选用预硬化钢，洛氏硬度30-35，加工后不需另作处理。成型孔用的园柱锥尖体可选用镍铬基不锈钢。

c、成型压力：为30-60kgf/cm²(3-6MPa)。

d、表面光洁度：对成型多孔透水板正面用的托面板上表面须经镀铬(或热喷涂铬)，后650磨料细磨，使表面光洁度达₁₂。其它与成品面接触的模具板面也应磨光达₁₀。

e、尺寸精度：模具尺寸精度应根据制品性能加以确定，重点要保证阴模底板上成型孔用的锥尖园柱体；与托面板上透过孔和阴模面板上锥形孔腔的整体配合精度，这就必须要以三板上园孔一体配作方法才能得以实现。此外，多孔透水板是由两张单板里表面相对粘合而成的一个整体，因此要求单板里表面凸起部分必须有较精确的对称性。在考虑片状模塑料固化收缩率时，可取收缩率为1.2％。

f、剪边类型：剪切边又称“夹出边”或“溢出边”。对于这一类模边设计可以有多种形式，这里适宜选用的为垂直溢出、半垂直模边。如附图-2所示，模腔锥度为3-5°，充许溢出2-5％树脂余料，由于合模时的压力足以使片状模塑料加压到所需要的密度，可以使制品具有优良的机械性能。

g、导轨：模具上、下动作的导轨必须有极高的刚度和硬度，可以抵抗除垂直方向外的其它任何方向来的力，以保证模具处于中心线上。这里的导轨可用φ25-35mm工具钢园柱体作导引装置。

h、脱模装置：由于制品是密布筛孔的薄单板，所以要采用由托面板、顶出销、顶出杆和顶出机构组成的一整套脱模装置。片状模塑料中予先配有如硬脂酸的金属皂类的内脱模剂，对于一个新模具，经外脱模剂(有机硅烷脱模剂)涂复使用几次后，模具表面已渗透有足够的外脱模剂后，即可在不再涂复外脱模剂条件下，通过脱模装置顺利地将制品从模腔内托出。

i、加热方法：可根据工厂条件采用蒸气加热，电加热或循环液体加热。加热温度为135-155℃。

(3)油压机

适于多孔透水板热压成型的油压机为双缸柱塞式油压机。其总压力为400T，压机台板尺寸1200×800mm。考虑到应与模具脱膜装置配套使用，油压机的设计要与模具统一进行。

(4)多孔透水板制作工艺

予先将片状模塑料裁剪成一定规格尺寸(1080×575×2mm)；按照图纸冲切原料液进、出水孔和透过液透过孔(小于实际孔径2mm)，然后即可将其准确放入模腔内的托面板上合模热压。热压温度为140-150℃，压力4-5MPa，保温时间3-4分钟。开启模具后，阴模板随压机下台板下行退回原位，由顶出机构将托面板顶出后即可将热压成型的多孔透水板单片取出。取出的单板置于平板上在接触压力下冷至室温。经清理毛刺后即可用清洗剂洗去表面的脱模剂，干燥后用辊式涂胶器在单板里表面的凸起部位，均匀涂复一层环氧聚酰胺树脂胶。将两张涂了胶的单板叠合在一起，于低压、室温下固化，即为一张多孔透水板成品。

2、水流通道隔板的冲剪和隔网的粘结。

水流通道隔板由隔板框和隔网组成，常用隔板材料有聚丙烯或合成橡胶等。本产品用的隔板厚度有1mm、1.5mm和2mm三种规格，由均匀平整的平卷材以专用模具在冲剪机上冲切制得。

常用隔网有鱼鳞网和挤塑网二种类型，材质均为聚丙烯。隔板与隔网间的粘结，小规模生产可采用手工热焊，规模生产以专用设备一次性将隔网热压到隔板框上。

3、玻璃钢旁板的模压成型

在规模批量生产中，玻璃钢旁板应采用一次模压成型工艺。附图-3所示为玻璃纤维增强乙烯基树脂团状模塑料(BMC)，用金属模具一次热压成型的玻璃钢旁板，其面板部分厚2cm、加强筋厚3cm，预埋有进、出水管的金属接头。平面尺寸和进、出水管接头孔径与水流通道隔板相配合。

玻璃钢旁板模压成型用的金属模具的设计制造，和成型工艺均可参照多孔透水板。

4、合成纤维织物和膜的裁剪备料

粘贴在多孔透水板面上的合成纤维织物，既起支撑作用，又具有导流作用，因此应采用较厚的的短丝尼龙(涤纶)平织布。考虑到它是在棚紧情况下粘贴到多孔透水板面上，其裁剪规格尺寸应大于多孔透水板的长、宽各10mm。

用于本产品的超滤(反渗透)膜应有足够的机械强度，以满足装配、更换和经受住湍流造成的波动等要求。通常应采用由直接在支撑材料(细尼龙布或涤纶布)上流延，膜与支撑材料构成一体的高强度干态平板膜。使用时裁剪成与多孔透水板同样规格尺寸，并沿边框四周粘贴在合成纤维织物上。

值得考虑的问题是目前国内对于这种干态保存的高强度平板膜，还没有形成工业化生产，其质量也很不稳定、且价格较高。因此如果本产品规模化生产与应用，还应解决高质量平板膜的规模化工业生产问题，其较好的选择是引进国外先进的成膜技术和工艺装备。这不仅可以提高国产工业用平板式超滤(反渗透)装置的质量，还将在很大程度上进一步降低生产成本和运行费用。

5、膜组件的装配与固定

在多孔透水板平面上，沿四周边框(长边宽3cm、宽边宽4cm)和对应的筋条部位(宽5mm)，均匀刮涂密封胶，然后将棚紧的尼龙(涤纶)布粘贴上去。稍干后在布面上沿以上涂胶部位，再次刮涂密封胶(应保证胶液完全渗透到布的纤维中)，再粘贴上平展的超滤(反渗透)膜。以同样方法完成另一面的尼龙布和膜的粘贴，凉干后用切孔器除去板面上进、出水口上的膜和布料，即为一张有效膜面积为1m²的透水板模组件。

在平放的玻璃钢旁板平面上，按隔板、透水板膜组件交替重叠至规定层数(标准型的透水板模组件为100张、隔板101张、总有效膜面积为100m²)后，盖上另一张玻璃钢旁板，用5道夹板和系紧螺栓固定后，即为一件膜组件半成品。

将膜组件半成品，以直立或平放形式固定在配套的四轮推车上，并与车上予装的压力表、流量计等仪表相连接(采用标准规格的耐压工程塑料管件)，即为一件超滤(反渗透)装置产品。

采用本发明专利技术的膜组件结构，还可以组装生产具有同样实用性能的微滤(WLB-X)和纳滤(NLB-X)装置产品。

Claims (2)

1、实用于清洁生产的CLB-X型超滤器和FSB-X型反渗透装置的主要技术特征是：

(1)由玻璃纤维增强树脂模压成型的多孔透水板、合成纤维织物、超滤(反渗透)膜、和水流通道隔板交替重叠起来，系以螺栓固定组成的矩形超滤和反渗透装置；

(2)既有常规板框式结构牢固，能承受高压、膜面积装密度高、运行费用低等优点；同时又具有管式装置水力条件好，抗污染能力强等优点，因此能广泛应用于工业清洁生产的多种用途中；

(3)以玻璃纤维增强树脂模压成型的多孔透水板和塑料材质的水流通道隔板，全部取代了目前工业用板框式装置中的不锈钢膜组件，从而大幅度降低了生产成本；

(4)膜组件结构简单，易于装配生产。

2、根据上述技术特征，要求对本发明专利技术以下各项权利予以专利保护：

(1)对具有以上技术特征，实用于清洁生产的CLB-X型超滤器和FSB-X型反渗透装置，本发明专利申请人依法拥有的独立知识产权；

(2)对采用如附图-1、(a)膜组件结构的实施、制造权；

(3)对采用如附图-1、(b)多孔透水板里剖面所示的，以玻璃纤维增强树脂模压成型生产多孔透水板的实施权；

(4)对采用本发明专利专技术中的膜组件结构，生产制造微滤和纳滤装置的实施权。

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