CN208436669U - 一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件 - Google Patents

Abstract

一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件，本实用新型属于净水技术领域，尤其是涉及一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件。本实用新型是要解决现有进口免冲洗DF膜直径大，壁厚，单位质量的原料制备的膜过滤面积小、膜丝充填密度低、膜孔隙率低、运行压力高，从而使能耗增加的问题。它由膜壳筒体、封头、清水端口、若干根PVC芯管和免冲洗PVDF管式膜丝组成；所述免冲洗PVDF管式膜丝均匀封装在PVC芯管内部；所封头设置在PVC芯管的两端。本实用新型可取代进口的DF膜组件，实现在废水处理与回用、物料分离和浓缩、代替传统的沉淀池或过滤池等领域的应用。

Description

一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件

技术领域

本实用新型属于净水技术领域，尤其是涉及一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件。

背景技术

随着社会的不断发展，环境污染问题越来越受到大家的关注。工业污染、生活污水的不断排放对水资源产生了巨大的威胁，水资源短缺问题不断突出。膜处理技术作为21世纪饮用水处理的优选技术，与常规水处理技术比较，具有能耗低、分离效率高、工艺简单、无需投加添加剂、不影响人体健康等优点，在水处理、资源保护、化工分离等领域得到广泛应用。

由于浓差极化和膜污染等问题的存在，导致膜的渗透通量随运行时间的延长而下降，能耗增加，严重阻碍了微孔膜(包括微滤和超滤)技术的更大规模的工业应用。由于产生膜污染的原因很多，膜污染现象比较复杂，因此没有适用于各种膜污染情况的通用的方法。在膜的应用过程中产生膜的污染是很难完全避免的，需要针对不同的膜污染情况采取相应的措施来减小膜的污染程度，使浓差极化和膜污染的影响减小到最低程度。

作为膜污染的防治方法概括起来有化学方法和物理方法。化学方法中有被处理液的前处理、开发低吸附性能的膜材料、膜表面改良以及药物清洗等。物理方法有逆洗等联机清洗，操作条件的优化，利用电泳或Taylor旋涡的装置，流态控制等。国内外的研究在开发高性能膜材料方面开展了大量的研究，研发出大量的亲水性膜材料，为膜技术的发展和大规模应用起到了积极推动作用。但在使用过程中存在反复冲洗、清洗和药洗等过程，需要一定的操作周期和药剂消耗，膜冲洗过程费时、费力，还会削弱膜丝的强度和分离性能，从而影响分离效果。

2003年，美国Duraflow公司Joseph Lander和William Matheson制造出新一代的免冲洗 DF膜，并开展用于废水处理领域。该膜的过滤是基于压力和速度来达到固液分离的,运行时得到20％的滤液，80％浓液实现回流，运行压力为0.35～0.42MPa，通过高速水流的剪切作用避免膜表面形成污染，从而达到免冲洗的目的。该膜具有强度高、寿命长、不需要反冲洗，只是在通量衰减到50％时进行正向清洗，清洗药剂选择低浓度硫酸或次氯酸钠，清洗后能恢复通量、清洗周期可以是1～2周到两个月等特点；与传统的分离膜相比较，可节省药剂、操作简便。已应用于废水处理和回用、取代沉降池等领域。但根据美国Duraflow提供的相关数据显示，该DF膜目前采用烧结法制备，制备的管式膜直径为2.5cm左右，壁较厚，单位质量的原料制备的膜过滤面积小、膜组件充填膜丝密度低(以最大尺寸的DF-415为例，充填面积为1.395m²，膜管材质为高密度聚乙烯，使用pH条件为7.0～12.5)。此外膜的孔隙率低、运行压力高(0.35～0.42MPa)，从而使能耗增加。

经分析研究发现，高水流速度下，膜污染在水流剪切力作用下可以得到缓解，从而可以实现膜的免冲洗。但免冲洗对膜丝的要求高：强度大，在组件里保持竖直等。小尺寸的膜管可更加有效地抑制膜表面污染。而目前非溶剂相转化法制备的膜丝多为中空纤维膜难以满足要求。

实用新型内容

本实用新型是要解决现有进口免冲洗DF膜直径大，壁厚，单位质量的原料制备的膜过滤面积小、膜丝充填密度低、膜孔隙率低、运行压力高，从而使能耗增加的问题，而提供一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件。

本实用新型一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件由膜壳筒体、封头、清水端口、若干根PVC芯管和免冲洗PVDF管式膜丝组成；所述免冲洗PVDF管式膜丝均匀封装在PVC 芯管内部；所述封头设置在PVC芯管的两端，封头的内部设置有预留孔道，PVC芯管两端的封头内的预留孔道对称设置，若干根PVC芯管的两端均对应封装在预留孔道内；所述封头的外侧设置有外螺纹；所述若干根PVC芯管设置在膜壳筒体内，所述膜壳筒体的外圆周上设置有清水端口。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型与国外目前的进口DF免冲洗膜组件比较，具有以下优势：

1、膜丝制备工艺简单，易于实现膜的生产。本实用新型选取的免冲洗膜采用低温热致相相转化法或非溶剂相转化法实现，溶液配制与纺丝工艺成熟，易于实现；而进口的DF免冲洗膜采用烧结法制备，生产效率低，膜质量不容易控制。本实用新型组件中的膜丝直径为 2.0～8.0mm，远小于进口DF膜的直径(约2.5cm)，因此充填密度高，膜有效面积大，提高产水能力；同时可提高原材料制备出膜的有效过滤面积；提高原材料的利用率；此外，还可以提高膜表面附面层的湍流程度，避免污染物积累和堵塞。以最大尺寸的进口DF-415膜组件为例，充填面积为1.395m²，膜管材质为高密度聚乙烯，使用pH条件为7.0～12.5，进水率为8m³/h，出水率为1.14m³/h。本实用新型组件充填面积为5～10m²，膜管材质为聚偏氟乙烯，使用pH 条件为1.0～11，处理能力：进水率为20～40m³/h，出水率为4～8m³/h。

2、本实用新型免冲洗膜组件可在低压下运行，可显著降低膜在水处理和分离过程的能耗，同时降低了膜的污染程度，延长清洗时间。

3、本实用新型免冲洗膜组件中由于采用低温热致相相转化法或非溶剂相转化法制备膜丝，可制备更小孔径的膜，提高膜的截留能力，进一步减轻膜污染。

4、本实用新型可直接与管道连接。

因此，本实用新型可取代进口的DF膜组件，实现在废水处理与回用、物料分离和浓缩、代替传统的沉淀池或过滤池等领域的应用。

附图说明

图1为清水端口设置在膜壳筒体一端两侧的用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件的结构示意图；

图2为清水端口设置在膜壳筒体中间两侧的用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件的结构示意图；

图3为封头的结构示意图；

图4为膜壳筒体的截面示意图；

图5为PVC芯管的结构示意图；

图6为PVC芯管的截面示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～图6所示，本实施方式一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件由膜壳筒体1、封头2、清水端口3、若干根PVC芯管4和免冲洗PVDF管式膜丝5组成；所述免冲洗PVDF管式膜丝5均匀封装在PVC芯管4内部；所述封头2设置在PVC芯管4的两端，封头2的内部设置有预留孔道，PVC芯管4两端的封头2内的预留孔道对称设置，若干根PVC芯管4的两端均对应封装在预留孔道内；所述封头2的外侧设置有外螺纹；所述若干根PVC芯管4设置在膜壳筒体1内，所述膜壳筒体1的外圆周上设置有清水端口3。

本实施方式可通过封头2的外侧的外螺纹直接连接到水处理管道中，过滤后的清水通过清水端口3连接到收集水管。

所述膜组件运行方式为从一侧端口进水，从另一侧端口出水，膜滤后水通过清水端口3 流出，运行压力0.1～0.3MPa，安装膜面积5～10m²，处理能力：进水率为20～40m³/h，出水率为4～8m³/h。

本实施方式所述封头2是PVC材质。

本实施方式对PVC芯管4封装是将PVC芯管4一端涂抹PVC胶后，插入封头2的预留孔道，端口与封头2外侧平齐，固定。封头2一端全部封好后，插入涂抹好胶的膜壳筒体1，固化后，将胶涂抹到膜壳筒体1和PVC芯管4的另一端，然后将封头2安装到膜壳筒体1和PVC芯管4的另一端，即完成封装。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述免冲洗PVDF管式膜丝 5的性能：OD/ID为2.0～8.0mm/1.4～6mm；孔隙率为70～95％；膜单丝强度大于7N；在0.1～0.3MPa下实现免冲洗运行，膜表面平均孔径控制在0.001～0.5μm；运行通量为 300～2000L/m²·h，连续运行20～30天后清洗1次，经清洗后的膜通量恢复率在95％以上。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：采用非溶剂相转化法制备免冲洗PVDF管式膜丝具体是按以下步骤进行：

一、按重量份数称取10～30份PVDF、50～100份分散介质、0.1～20份有机添加剂和0.1～10 份无机添加剂；所述分散介质为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和丙酮中的一种或其中几种的混合物；所述有机添加剂为聚乙二醇、聚丙烯腈PAN、阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子型表面活性剂、丙酮、乙醇、甘油和不同分子质量的聚乙烯吡咯烷酮中的一种或其中几种的混合物；所述无机添加剂为氯化锂、氯化铵、氯化锌、硝酸锂、高氯酸锂和水中的一种或其中几种的混合物；

二、将称取的10～30份PVDF、0.1～20份有机添加剂和0.1～10份无机添加剂依次加入到 50～100份分散介质中，在温度为在30～95℃的条件下搅拌3～48h，得到铸膜液；

三、将铸膜液过滤后送入纺丝罐中，静置脱泡5～24h后，采用中空纤维膜纺丝机制膜；采用中空纤维膜纺丝机制膜的工艺条件：纺丝喷丝板孔径OD/ID为2.0～8.0mm/1.4～6mm；内芯液为水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和丙酮中的一种或其中几种的混合物；外凝固浴介质为水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、 N-甲基-2-吡咯烷酮和丙酮中的一种或其中几种的混合物纺丝干程为0～20cm；卷绕速度为 3～30m/min；

四、将制备的膜先在水中浸泡12～24h，然后在保护液中浸泡6～48h，最后在相对湿度为 30～75％的条件下室温干燥，得到免冲洗PVDF管式微孔膜；所述保护液为5～60％的甘油水溶液、1～15％的吐温-20水溶液、1～15％的吐温-40水溶液、1～15％的吐温-60水溶液和1～15％的吐温-80水溶液中的一种或其中几种的混合物。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或三不同的是：采用低温热致相转化法制备免冲洗PVDF管式膜丝具体是按以下步骤进行：

一、按重量份数称取10～30份PVDF、50～100份分散介质和0.1～20份有机添加剂；所述分散介质为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和丙酮中的一种或其中几种的混合物；所述有机添加剂为聚乙二醇、聚丙烯腈PAN、阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子型表面活性剂、丙酮、乙醇、甘油和不同分子质量的聚乙烯吡咯烷酮中的一种或其中几种的混合物；

二、将称取的10～30份PVDF和0.1～20份有机添加剂依次加入到50～100份分散介质中，在温度为在60～150℃的条件下搅拌6～24h，得到铸膜液；

三、将铸膜液过滤后送入纺丝罐中，静置脱泡8～24h后，采用中空纤维膜纺丝机制膜；采用中空纤维膜纺丝机制膜的工艺条件：纺丝喷丝板孔径OD/ID为2.0～8.0mm/1.4～6mm；内芯液为水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和丙酮中的一种或其中几种的混合物；内芯液的温度为20～90℃；外凝固浴介质为水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和丙酮中的一种或其中几种的混合物；外凝固浴介质的温度为20～90℃；纺丝干程为0～20cm；卷绕速度为3～30m/min；

四、将制备的膜先在水中浸泡12～24h，然后在保护液中浸泡6～48h，最后在相对湿度为 30～75％的条件下室温干燥，得到免冲洗PVDF管式微孔膜；所述保护液为5～60％的甘油水溶液、1～15％的吐温-20水溶液、1～15％的吐温-40水溶液、1～15％的吐温-60水溶液和1～15％的吐温-80水溶液中的一种或其中几种的混合物。其它与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述PVC芯管4为中间镂空的PVC管，其管径OD/ID为3.4～5.6cm/3.0～5.0cm；两端预留封端长度为3～5cm，封端部分无镂空。其它与具体实施方式一至四之一相同。

将免冲洗PVDF管式膜丝5封装在PVC芯管4内是将免冲洗PVDF管式膜丝5用封口胶封口后，装入PVC芯管4，在PVC芯管4的两端用模具固定，采用环氧树脂浇注免冲洗PVDF 管式膜丝5和PVC芯管4两端的间隙，固化，切去封口胶，使PVC芯管4与膜壳筒体1长度一致。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述膜壳筒体1的直径为16.0～40.0cm。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述膜壳筒体1的长度为50.0～300.0cm。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的清水端口3 设置在膜壳筒体1的一端两侧或膜壳筒体1中间的两侧。其它与具体实施方式一至七之一相同。

通过以下实施例验证本实用新型的技术效果：

实施例一：封装的免冲洗PVDF管式膜丝5是通过低温热致相转化法按以下步骤进行制备的：一、按重量份数称取20份聚偏氟乙烯PVDF、80份N,N-二甲基甲酰胺、8份聚乙烯吡咯烷酮；

二、将称取的20份聚偏氟乙烯PVDF和8份聚乙烯吡咯烷酮依次加入到80份N,N-二甲基甲酰胺中，在温度为在115℃的条件下搅拌24h，得到铸膜液；

三、将铸膜液过滤后送入纺丝罐中，静置脱泡24h后，采用中空纤维膜纺丝机制膜；采用中空纤维膜纺丝机制膜的工艺条件：喷丝板孔径OD/ID为3.6mm/2.4mm、内芯液为20％的甘油水溶液、外凝固浴介质为水、干程为3cm、卷绕速度为25m/min，内芯液温度为85℃、外凝固浴介质温度为60℃；

四、将制备的膜先在水中浸泡24h，然后在20％的甘油保护液中浸泡24h，最后在相对湿度为50％的条件下室温干燥，得到免冲洗PVDF管式微孔膜。

所制得的免冲洗管式膜组件：免冲洗PVDF管式膜丝直径：OD/ID为3.0mm/2.4mm；孔隙率80％；膜单丝强度大于7.8N；膜管直径为20cm，芯管直径为4cm，组件充填面积为7m²，膜管材质为聚偏氟乙烯，使用pH条件为1.0～11，处理能力：进水率为22m³/h，出水率为4.55m³/h。可在0.1～0.3MPa下实现免冲洗运行，膜表面平均孔径为0.01μm；运行通量达650L/m²·h(0.1MPa)；抗污染性能良好，可连续运行20天后清洗1次，经清洗后的膜通量恢复率在96％以上。

将上述法制备的免冲洗PVDF管式膜丝5封装在中央镂空的PVC芯管4内部；PVC芯管4通过封头2预留的孔道封装在膜管内；膜管另一侧按同样的方法固定，制备出免冲洗管式膜组件。

实施例二：封装的免冲洗PVDF管式膜丝5是通过非溶剂相转化法按以下步骤进行制备的：一、按重量份数称取10～30份PVDF、50～100份分散介质、0.1～20份有机添加剂和0.1～10 份无机添加剂；所述分散介质为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和丙酮中的一种或其中几种的混合物；所述有机添加剂为聚乙二醇、聚丙烯腈PAN、阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子型表面活性剂、丙酮、乙醇、甘油和不同分子质量的聚乙烯吡咯烷酮中的一种或其中几种的混合物；所述无机添加剂为氯化锂、氯化铵、氯化锌、硝酸锂、高氯酸锂和水中的一种或其中几种的混合物；

二、将称取的10～30份PVDF、0.1～20份有机添加剂和0.1～10份无机添加剂依次加入到 50～100份分散介质中，在温度为在30～95℃的条件下搅拌3～48h，得到铸膜液；

三、将铸膜液过滤后送入纺丝罐中，静置脱泡5～24h后，采用中空纤维膜纺丝机制膜；采用中空纤维膜纺丝机制膜的工艺条件：纺丝喷丝板孔径OD/ID为(2.0～8.0)mm/(1.4～6) mm；内芯液为水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和丙酮中的一种或其中几种的混合物；外凝固浴介质为水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和丙酮中的一种或其中几种的混合物纺丝干程为0～20cm；卷绕速度为3～30m/min；

四、将制备的膜先在水中浸泡12～24h，然后在保护液中浸泡6～48h，最后在相对湿度为 30～75％的条件下室温干燥，得到免冲洗PVDF管式微孔膜；所述保护液为5～60％的甘油水溶液、1～15％的吐温-20水溶液、1～15％的吐温-40水溶液、1～15％的吐温-60水溶液和1～15％的吐温-80水溶液中的一种或其中几种的混合物；

所制得的免冲洗管式膜组件：免冲洗PVDF管式膜直径：OD/ID为2.0～8.0mm/1.4～6mm；孔隙率70～95％；膜单丝强度大于7N；可在0.1～0.3MPa下实现免冲洗运行，膜表面平均孔径可控制在0.001～0.5μm之间；运行通量达300～2000L/m²·h；膜管直径为20cm，芯管直径为 4cm，组件充填面积为5～10m²，膜管材质为聚偏氟乙烯，使用pH条件为1.0～11，处理能力：进水率为20～40m³/h，出水率为4～8m³/h。可在0.1～0.3MPa下实现免冲洗运行，可连续运行 20天后清洗1次，经清洗后的膜通量恢复率在96％以上。

将上述法制备的免冲洗PVDF管式膜丝5封装在中央镂空的PVC芯管4内部；PVC芯管4通过封头2预留的孔道封装在膜管内；膜管另一侧按同样的方法固定，制备出免冲洗管式膜组件。

实施例三：封装的免冲洗PVDF管式膜丝5是通过低温热致相转化法按以下步骤进行制备的：一、按重量份数称取20份聚偏氟乙烯PVDF、80份N,N-二甲基甲酰胺、8份聚乙烯吡咯烷酮；

二、将称取的20份聚偏氟乙烯PVDF和8份聚乙烯吡咯烷酮依次加入到80份N,N-二甲基甲酰胺中，在温度为在115℃的条件下搅拌24h，得到铸膜液；

三、将铸膜液过滤后送入纺丝罐中，静置脱泡24h后，采用中空纤维膜纺丝机制膜；采用中空纤维膜纺丝机制膜的工艺条件：喷丝板孔径OD/ID为4.0mm/3.0mm、内芯液为20％的甘油水溶液、外凝固浴介质为水、干程为3cm、卷绕速度为25m/min，内芯液温度为85℃、外凝固浴介质温度为60℃；

四、将制备的膜先在水中浸泡24h，然后在20％的甘油保护液中浸泡24h，最后在相对湿度为50％的条件下室温干燥，得到免冲洗PVDF管式微孔膜。

所制得的免冲洗管式膜组件：免冲洗PVDF管式膜丝直径：OD/ID为4.0mm/3.2mm；孔隙率81％；膜单丝强度大于7.5N；膜管直径为20cm，芯管直径为4cm，组件充填面积为5m²，膜管材质为聚偏氟乙烯，使用pH条件为1.0～11，处理能力：进水率为20m³/h，出水率为4m³/h。可在0.1～0.3MPa下实现免冲洗运行，膜表面平均孔径为0.02μm；运行通量达800L/m²·h(0.1MPa)；抗污染性能良好，可连续运行20天后清洗1次，经清洗后的膜通量恢复率在96％以上。

将上述法制备的免冲洗PVDF管式膜丝5封装在中央镂空的PVC芯管4内部；PVC芯管4通过封头2预留的孔道封装在膜管内；膜管另一侧按同样的方法固定，制备出免冲洗管式膜组件。

Claims (5)

1.一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件，其特征在于用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件由膜壳筒体(1)、封头(2)、清水端口(3)、若干根PVC芯管(4)和免冲洗PVDF管式膜丝(5)组成；所述免冲洗PVDF管式膜丝(5)均匀封装在PVC芯管(4)内部；所述封头(2)设置在PVC芯管(4)的两端，封头(2)的内部设置有预留孔道，PVC芯管(4)两端的封头(2)内的预留孔道对称设置，若干根PVC芯管(4)的两端均对应封装在预留孔道内；所述封头(2)的外侧设置有外螺纹；所述若干根PVC芯管(4)设置在膜壳筒体(1)内，所述膜壳筒体(1)的外圆周上设置有清水端口(3)。

2.根据权利要求1所述的一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件，其特征在于所述PVC芯管(4)为中间镂空的PVC管，其管径OD/ID为3.4～5.6cm/3.0～5.0cm；两端预留封端长度为3～5cm，封端部分无镂空。

3.根据权利要求1所述的一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件，其特征在于所述膜壳筒体(1)的直径为16.0～40.0cm。

4.根据权利要求1所述的一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件，其特征在于所述膜壳筒体(1)的长度为50.0～300.0cm。

5.根据权利要求1所述的一种用于水处理管式连接的免冲洗管式膜组件，其特征在于所述的清水端口(3)设置在膜壳筒体(1)的一端两侧或膜壳筒体(1)中间的两侧。