CN207913535U - 中空纤维陶瓷膜及其应用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种中空纤维陶瓷膜及其应用装置，中空纤维陶瓷膜包括支撑层、一或多层隔离层与功能层。支撑层、隔离层、功能层上包括有若干个均匀分布的孔径，且功能层上的若干个孔径形成膜孔，所述膜孔为楔形结构。支撑层的厚度为1~2mm，隔离层厚度为20~60μm，功能层厚度为3~10μm。若干个中空纤维陶瓷膜按照所需要的方式进行捆扎固定，形成标准尺寸的膜元件，将膜元件置于所述壳体内可形成膜组件。本实用新型提供的中空纤维陶瓷膜及其应用装置根据需要配置成圆筒型、立方型或其他形式的滤芯式过滤器。目前这种中空纤维陶瓷膜已成功应用于高闪点溶剂的回收、废油再生、乳化污水脱油、烟气中废热及水的回收、胺液脱固、油品脱固和氢气的分离与提纯等领域。

Description

中空纤维陶瓷膜及其应用装置

技术领域

本实用新型涉及膜分离技术领域，具体涉及一种新型中空纤维陶瓷膜。

背景技术

陶瓷膜与有机聚合物膜相比，具有耐高温、耐化学腐蚀、机械强度高、孔径均匀分布窄、微观结构可控、使用寿命长等独特优点，可以满足特别苛刻的使用要求，在石油化工、化学工业、冶金工业、食品工业、环境工程、新能源等领域有着广泛的应用前景，因而日益受到重视。陶瓷膜技术的应用对节能减排和实现绿色生产，促进社会经济可持续发展具有重要的作用。

虽然陶瓷膜及陶瓷膜分离技术在过去二十年来得到迅速的发展，应用领域不断扩大，但与有机膜相比，其市场份额仍相对较小，在开发新应用领域时遇到了诸多挑战，仍存在制约其发展的关键瓶颈，主要体现在以下几方面：

（1）膜结构单一、分离效率低。从膜构型方面来看，现有商品化陶瓷膜一般为多通道管式膜，膜的装填密度小，单位体积有效过滤面积小，分离效率低。为满足应用需求，迫切要求陶瓷膜改革组件结构和可靠性，并大大降低造价和提高空间利用率，而目前此种结构形式的陶瓷膜几乎无发展改良的空间。

（2）制造成本高。为降低陶瓷膜渗透阻力和保证膜具有足够的机械强度，现有陶瓷膜一般采用多层非对称结构（包括支撑体、中间过渡层和分离层），制造这样一种结构陶瓷膜需经过多次的制备和高温热处理过程，常规的多通道陶瓷膜为了保证膜管强度，支撑层消耗大量的原料，使得膜的制造成本大大增加。

为有效解决上述制约陶瓷膜技术发展的关键瓶颈，提高陶瓷膜分离效率、降低陶瓷膜成本和满足不同应用领域对陶瓷膜的需求，开发新型陶瓷膜、简化制备工艺、降低烧结温度已成为必然的选择。

发明内容

本实用新型的目的是在保证陶瓷膜优异性能的前提下，克服现有陶瓷膜材料成本高、装填密度低的问题，提供一种新型中空纤维陶瓷膜，由此使中空纤维陶瓷膜所构成的膜组件成功实现工业化应用；按照此方法，还可以实现中空纤维陶瓷膜应用的大面积推广。

为达到上述目的，本实用新型采用如下中空纤维陶瓷膜：

一种中空纤维陶瓷膜，包括支撑层、一或多层隔离层与功能层。所述支撑层、隔离层、功能层上包括有若干个均匀分布的孔径。所述支撑层的厚度为1~2mm，所述支撑层的孔径范围为0.2~0.5μm。所述隔离层厚度为20~60μm，所述隔离层的孔径范围为50~100nm。所述功能层厚度为3~10μm，所述功能层的孔径范围为4~100nm。且所述隔离层的孔径大于所述功能层的孔径，所述功能层的中空内径范围为2-5mm。本实用新型中的各层孔径分布范围较传统陶瓷膜更窄，所述功能层上的若干个孔径形成膜孔，所述膜孔为稳定的楔形结构。所述支撑层可提供足够的机械强度；所述隔离层使构成顶层功能层的颗粒不致内渗至支撑层的孔洞中堵塞膜孔，从而有利于降低跨膜压差；所述功能层孔径小且分布窄，具有良好的分离选择性，满足高分离效率的要求。

较佳的，所述支撑层的材料为金属或金属氧化物或陶瓷或沸石或多孔玻璃，所述隔离层的材料为金属或金属氧化物或陶瓷或沸石或多孔玻璃，所述功能层的材料为金属或金属氧化物或陶瓷或沸石或多孔玻璃。所述支撑层、隔离层、功能层可选用低成本的材料制备，降低本实用新型提供的这种中空纤维陶瓷膜生产成本低。

本实用新型提供的这种中空纤维陶瓷膜具有以下优点：所述功能层薄，沉积在低成本的多孔基材上，可显著降低材料成本。功能层的孔径小、呈楔形结构，使之在分离过程中不易堵塞。且孔径分布均匀、分布范围狭窄，功能层完整，加之所沉积的隔离层和支撑层，使整个膜元件呈非对称复合结构，既提高了过滤精度、增加了渗透通量，又可防止或减少污染物的深层渗透，减缓功能层的表面积垢。

基于上述中空纤维陶瓷膜，其可应用于膜组件中，这种膜组件包括膜元件、中空型壳体。所述膜元件包括若干个上述中空纤维陶瓷膜。若干个所述中空纤维陶瓷膜按照所需要的方式进行捆扎固定，形成标准尺寸（如直径为2"、4"或6"等，长度30"~40"）的膜元件。所述膜元件位于所述壳体内。

较佳的，所述膜元件的内径为3.5mm，长度为800~1000mm。

较佳的，所述膜元件之间为单芯或多芯串联。这种膜组件中，由于膜元件本身呈中空纤维的结构，使得单位体积内的过滤面积得到了有效提高，使工业应用成为可能。同时根据不同的捆扎方式，膜元件既可按照标准尺寸配置于传统的陶瓷膜法兰式壳体内，又可以配置于现有的有机膜壳体（卷式膜壳体），还可以根据不同的场合需求加工定做成多芯并联的陶瓷膜壳体（如7芯、19芯、36芯或61芯等）。

较佳的，所述壳体材料为塑料或玻璃钢或碳钢或合金钢或不锈钢。

较佳的，还包括第一端开口、第二端开口、第一侧开口、第二侧开口。所述第一端开口、第二端开口分别位于所述壳体的两顶端。所述第一侧开口、第二侧开口分别位于所述壳体的两侧面。这种膜组件可用于滤芯式过滤器中，同时，所述壳体的结构可以根据需要配置成圆筒型、立方型或其他形式的滤芯式过滤器。这种滤芯式过滤器可有效减少浓差极化及堵塞对膜的污染，使渗透通量长期维持在平稳的状态。另外，其浓缩比高，可减少系统的损失。

综上所述，本实用新型提供的这种中空纤维陶瓷膜及其应用装置，具备有以下优点：

1.采用有效的表面功能层沉积技术，使低成本的多孔基材可以得到广泛应用，显著降低中空纤维陶瓷膜的材料成本。

2.使用膜加工制备技术，使功能层、隔离层和支撑层的孔径分布均匀，且分布范围集中，整个中空纤维陶瓷膜呈非对称复合结构，且功能层壁薄，膜孔呈楔形结构，既可保证过滤精度，减少渗透阻力，又可增加渗透通量，且应用过程中不会造成膜孔的深层渗透堵塞。

3.合理的捆扎方式和壳体配置，既充分利用空间，使中空纤维陶瓷膜单位体积的过滤面积得到显著提高，同时也有效克服了流体分布不均，消除了放大效应。

4.组件设置灵活，可根据不同的场合需求进行调整，适应性强。

5.中空纤维陶瓷膜在高闪点溶剂的回收、废油再生、生物柴油的清洁、渗透蒸发脱水、渗透蒸发分离（回收）轻烃、烟气中废热及水的回收、氢气的分离与提纯及催化膜反应器等方面的工业化应用，也可推广应用至其它场合。

附图说明

图1为中空纤维陶瓷膜的截面示意图；

图2为膜组件示意图；

图3是膜组件实际应用的工艺流程示意图。

具体实施方式

如图1所示的一种中空纤维陶瓷膜，包括支撑层3、一层隔离层2与功能层1。

所述支撑层3、隔离层2、功能层1上包括有若干个均匀分布的孔径。所述支撑层3的厚度为1mm，所述支撑层3的孔径为0.5μm。所述隔离层2厚度为30μm，所述隔离层2的孔径为200nm。所述功能层1厚度为5μm，所述功能层1的孔径为50nm。这种中空纤维陶瓷膜的各层孔径分布范围较传统陶瓷膜更窄，所述功能层1上的若干个孔径形成膜孔，所述膜孔为稳定的楔形结构。所述支撑层3可提供足够的机械强度。所述隔离层2使构成顶层功能层1的颗粒不致内渗至支撑层3的孔洞中堵塞膜孔，从而有利于降低跨膜压差。所述功能层1孔径小且分布窄，具有良好的分离选择性，满足高分离效率的要求。

所述支撑层3的材料为Al₂O₃材料，所述隔离层2的材料为Al₂O₃材料，所述功能层1的材料为Al₂O₃材料。所述支撑层3、隔离层2、功能层1可选用低成本的材料制备，降低本实用新型提供的这种中空纤维陶瓷膜生产成本低。

这种中空纤维陶瓷膜各层壁薄，尤其是功能层1厚度薄，过滤时的流道短，可显著降低跨膜差压，增大渗透通量；另外，功能层1薄沉积在低成本的多孔基材上，可显著降低材料成本；功能层1的孔径小、呈楔形结构，使之在分离过程中不易堵塞；且其孔径分布均匀、分布范围狭窄，成膜质量高，加之所沉积的隔离层2和支撑层3，使整个膜元件呈非对称复合结构，既提高了过滤精度、增加了渗透通量，又可防止或减少污染物的深层渗透，减缓功能层1的表面积垢。

如图2所示的这种膜组件包括膜元件、中空型壳体、第一端开口7、第二端开口6、第一侧开口5、第二侧开口4。所述膜元件包括若干个上述中空纤维陶瓷膜。将若干个所述中空纤维陶瓷膜进行捆扎固定，形成标准尺寸的膜元件，所述膜元件的标准尺寸为直径2”、4”、6”，长度为800~1000mm。实际应用中，既可以以单芯膜元件配置于壳体内构成单芯膜组件，也可以多芯串联配置于壳体内构成多芯膜组件，如此设置，可使中空纤维陶瓷膜元件既适应传统的陶瓷膜法兰式膜壳，也可以适应有机膜（如卷式膜）壳，还可以加工成多芯并联的陶瓷膜壳体（如7芯、19芯、36芯或61芯等）；这样可使中空纤维陶瓷膜进行灵活配置，适应不同的应用场合需求。壳体的材质可根据物料的性质选择为塑料、玻璃钢、碳钢、合金钢或不锈钢等。所述第一端开口7、第二端开口6分别位于所述壳体的两顶端。所述第一侧开口5、第二侧开口4分别位于所述壳体的两侧面。

所述膜元件的内径为3.5mm，长度为980mm。这样，可使得单位体积内的过滤面积得到了有效提高，使工业应用成为可能。

当所述膜元件配置于陶瓷膜壳时，待过滤的物料自第一端开口7进入，渗透液自壳体上方第一侧开口5排出，浓缩液自第二端开口6排出，第二侧开口4为排污口。而当中空纤维陶瓷膜元件配置于有机膜壳时，待过滤的物料自第二侧开口4进入，渗透液自第二端开口6排出，浓缩液自第一侧开口5排出，第一端开口7为排污口；另外，膜元件与壳体的标准化制作，可进一步利用空间，增大中空纤维陶瓷膜的装填密度。

如图3所示，一种中空纤维陶瓷膜过滤器工业应用时系统示意，将待过滤物料经进料管线14送入系统，并经进料驱动设备15升压后送至循环驱动设备13的入口，并与循环管线9的循环物料充分混合，经循环驱动设备13升压后送至膜过滤器16的进行过滤，经过滤净化后的渗透物料从膜过滤器16的分离膜组件中排出，经渗透物料管线17送出系统；循环物料经膜过滤器16排出，并经循环管线9送至循环驱动设备13的入口，继续过滤；当循环物料的浓度富集时，需少量外排浓缩物料，经浓缩物料管线8排出系统，浓缩物料可根据不同工艺要求进行回收利用。

当系统经长期的运行后，膜过滤器16的渗透通量下降时，需要对膜过滤器进行在线清洗；提前将容器11内配好清洗剂，经清洗驱动设备12将清洗剂升压后，经清洗剂管线10顺流程送入膜过滤器16内，进行循环清洗；经化学清洗后的膜组件，可恢复较高的通量，如此可确保系统的长周期运行。

本实用新型提供的这种中空纤维陶瓷膜及其应用装置可根据需要配置成圆筒型、立方型或其他等形式的滤芯式过滤器。这种中空纤维陶瓷膜可工业应用于高闪点溶剂的回收、废油再生、乳化污水脱油、烟气中废热及水的回收、胺液脱固、油品脱固和氢气的分离与提纯等领域。

1、实验一

某石油公司对炼油二部Ⅲ延迟焦化装置分馏塔顶含油酸性水脱油处理工艺技术进行研究，其实验数据如下：

表1 含油酸性水性质（2015年11月27日11:00）

经过上述无机膜过滤净化装置处理后，酸性水含油分析数据见表2

表2 滤后酸性水含油

从表中的数据可见，本实用新型提供的这种中空纤维陶瓷膜过滤用于焦化含硫污水脱油的良好，酸性水中油含量脱油率在99%以上。

2、实验二

某石油公司对二联合胺液过滤脱固工艺技术进行研究，其研究数据如下：

表3：二联合胺液过滤脱固检测结果

由表3可知，经过本实用新型提供的这种中空纤维陶瓷膜过滤净化后的胺液总悬浮物分析数据为124.3mg/l，脱固率为98 %以上。

综上所述，本实用新型的这种中空纤维陶瓷膜，其过滤效果好，脱固率高，实用性强，不会产生堵塞。

以上仅为本实用新型较佳的实施例，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型说明书内容所作的等效变化与装饰，皆应属于本实用新型覆盖的范围内。

Claims (7)

1.一种中空纤维陶瓷膜，其特征在于包括支撑层、一或多层隔离层与功能层；所述支撑层、隔离层、功能层上包括有若干个均匀分布的孔径，且所述功能层上的若干个孔径形成膜孔，所述膜孔为楔形结构；所述支撑层的厚度为1~2mm，所述支撑层的孔径范围为0.2~0.5μm；所述隔离层厚度为20~60μm，所述隔离层的孔径范围为50~100nm；所述功能层厚度为3~10μm，所述功能层的孔径范围为4~100nm；且所述隔离层的孔径大于所述功能层的孔径；所述功能层的中空内径范围为2-5mm。

2.根据权利要求1中所述中空纤维陶瓷膜，其特征在于所述支撑层的材料为金属或金属氧化物或陶瓷或沸石或多孔玻璃，所述隔离层的材料为金属或金属氧化物或陶瓷或沸石或多孔玻璃，所述功能层的材料为金属或金属氧化物或陶瓷或沸石或多孔玻璃。

3.一种中空纤维陶瓷膜应用装置，其特征在于包括膜元件、中空型壳体；所述膜元件包括若干个权利要求1中所述中空纤维陶瓷膜；若干个所述中空纤维陶瓷膜捆扎形成所述膜元件；所述膜元件位于所述壳体内。

4.根据权利要求3中所述中空纤维陶瓷膜应用装置，其特征在于所述膜元件的内径为3.5mm，长度为800~1000mm。

5.根据权利要求3中所述中空纤维陶瓷膜应用装置，其特征在于所述膜元件之间为单芯或多芯串联。

6.根据权利要求3中所述中空纤维陶瓷膜应用装置，其特征在于所述壳体材料为塑料或玻璃钢或碳钢或合金钢或不锈钢。

7.根据权利要求3中所述中空纤维陶瓷膜应用装置，其特征在于还包括第一端开口、第二端开口、第一侧开口、第二侧开口；所述第一端开口、第二端开口分别位于所述壳体的两顶端；所述第一侧开口、第二侧开口分别位于所述壳体的两侧面。