專利名稱：一種浸入式膜組件及其膜過濾裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種浸入式膜組件以及使用了該組件的膜過濾裝置。特別是一種采用滲透液從內(nèi)通道中引出的膜管為膜元件的浸入式膜組件以及使用了該組件的氣升式膜過濾裝置，該裝置可用于污水處理過程。
背景技術(shù)：
膜是實(shí)現(xiàn)流體中不同物質(zhì)分離的選擇性屏障，用以實(shí)現(xiàn)膜過濾、曝氣、膜萃取等膜處理過程。尤其在膜過濾過程中，大分子或大尺寸顆粒可被膜有效截留。與常規(guī)過濾相比，膜過濾具有過濾精度高，節(jié)能的特點(diǎn)。
應(yīng)用中膜元件要整合成膜組件，以使原料流體和透出流體能被有效隔離和引出，使膜元件原料側(cè)的原料流體分布均勻、流體能量被有效利用。實(shí)際應(yīng)用中不加封閉外套的浸入式膜組件多采用板式或中空纖維簾布式膜組件，膜組件間等間距排列，可以實(shí)現(xiàn)原料側(cè)流體在膜元件中均勻分布。
目前以膜管為膜元件的浸入式膜組件有兩種形式1)直接將膜管浸入原料流體，以膜管外表面為原料側(cè)，膜管內(nèi)通道表面為滲透側(cè)(如專利CN03822704.5)；2)將膜管封裝在包裹狀殼式外套中，以膜管外表面為滲透側(cè)，內(nèi)通道表面為原料側(cè)(如專利CN 01108189.9)。由于膜元件中作為原料側(cè)的膜表面形狀和結(jié)構(gòu)相同，因此為保證原料流體的均勻分布，對于第一種形式的膜組件只需將膜元件勻布即可，對于第二種形式的膜組件只要保證每個(gè)膜元件的原料流體速度相同即可。
由于需要包裹狀殼式外套，采用第二種膜組件構(gòu)建浸入式膜處理裝置具有設(shè)備復(fù)雜，制造成本高，維護(hù)不方便的缺點(diǎn)。當(dāng)浸入式膜組件采用的膜元件為多通道膜管，且有部分通道和膜管外表面一起作為原料側(cè)時(shí)，只能采用第一種形式的膜組件。當(dāng)使用第一種形式的膜組件時(shí)，原料流體將從膜管排布時(shí)產(chǎn)生的間隙和膜管內(nèi)的原料側(cè)通道中流過，由于所遇到的阻力不同，原料流體在膜管外表面和膜管內(nèi)通道表面的速度分布是不同的，過大的速度分布差異將會影響膜過濾的錯(cuò)流效果、降低膜面積的利用效率和增大能耗。
目前見于文獻(xiàn)報(bào)道的使用管式膜組件的氣升式膜過濾裝置有分體式和浸沒式兩種，所采用的膜組件基本上都是第二種形式的將膜管封裝在包裹狀殼式外套中的膜組件，這使得設(shè)備復(fù)雜，還存在密封、膜管檢修更換等一系列的問題，并且設(shè)備制造成本也高。也有文獻(xiàn)報(bào)道了采用第一種形式直接將單通道膜管浸入原料流體的氣升式膜過濾裝置，但只停留在小試階段，存在著放大困難、裝填面積小等問題，此外由于單通道膜管強(qiáng)度低、易折斷，這使得應(yīng)用中單通道膜管長度有限，并且關(guān)于陣列式排布中流體速度分布問題沒有解決。
在應(yīng)用過程中，使用第二種膜組件的氣升式膜過濾裝置在檢修和維護(hù)過程中只能面向組件進(jìn)行，任何一根膜管發(fā)生泄漏或損壞都將表現(xiàn)為整個(gè)組件的問題，只有卸下和拆開組件才能具體到單根膜管，這使得檢修和維護(hù)過程變得復(fù)雜和困難，甚至?xí)虼擞绊懙缴a(chǎn)進(jìn)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服以上管式膜組件設(shè)備復(fù)雜、制造成本高、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)，解決原料流體在膜管外表面和膜管內(nèi)通道表面的速度分布問題，而提出了一種使用滲透液從內(nèi)通道中引出的膜管為膜元件，通過輔助陣列排布裝置使膜管在陣列中按規(guī)則排列的浸入式膜組件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提出了一種使用上述膜組件的氣升式膜過濾裝置，用于解決上述密封、膜管檢修更換等問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種浸入式膜組件，由滲透液從內(nèi)通道中引出的膜管和輔助陣列排布裝置組成，膜管分布在輔助陣列排布裝置中。
其中所述的輔助陣列排布裝置具有套筒，膜管被頂部的透過液收集管和底部的支架定位和分布在套筒中；或者具有套筒和肋板，肋板位于套筒內(nèi)，膜管位于由肋板分隔成的管狀空間中。所采用的膜管為多通道膜管或單通道膜管，膜管為陶瓷、不銹鋼、金屬、鈦鋁合金、碳或有機(jī)材料制成。膜管的端面形狀和膜管內(nèi)部通道的徑向截面形狀可以為圓形、橢圓形、花瓣形或多邊形。通過輔助陣列排布裝置，膜管的列陣排布形狀可以為圓形、橢圓形、花瓣形或多邊形。輔助陣列排布裝置采用不銹鋼、聚丙烯、PVC或聚四氟乙烯制造。為更好地達(dá)到集氣目的，套筒的下端可以附有裙邊。裙邊和套筒的長度為膜管長度的0.1～2倍。
膜組件1中膜管g擺放方向與氣升流體運(yùn)動(dòng)方向平行，組件1中膜管外表面2到其周圍輔助陣列排布裝置3表面的距離或膜管間的外表面間距可控制在0～100倍膜管內(nèi)通道直徑，從而使原料流體在膜管原料側(cè)的速度分布均勻。
輔助陣列排布裝置3可以為膜管g提供支撐、定位、導(dǎo)出透出液和分布原料側(cè)流體的功能。作為滲透側(cè)的通道一端與位于輔助陣列排布裝置上部的透過液收集管j連接，另一端封閉，并置于位于輔助陣列排布裝置底部的支架上。透過液收集管j在導(dǎo)出透過液的同時(shí)，與底部的支架k一起對膜管排布起到定位作用。在輔助陣列排布裝置3中可以具有肋板，這些肋板填充在膜管g排布的間隙中，支撐和分隔膜管，并起到均勻分布流體的作用。
由于膜管滲透側(cè)位于膜管通道內(nèi)，使用輔助陣列排布裝置3按一定陣列排布制成的膜組件1可直接浸入原料流體，不必附加封閉式外套，因此該膜組件具有結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，原料流體在膜元件原料側(cè)表面速度分布均勻，滲透液引出方便，對不同膜元件適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。
將該組件垂直浸入底部具有曝氣系統(tǒng)的原料池8中，滲透液管路連接上負(fù)壓抽吸系統(tǒng)，可組成一個(gè)氣升式膜過濾裝置。曝氣系統(tǒng)包括輸氣管路7和曝氣頭8，所用氣體為壓縮空氣。負(fù)壓抽吸系統(tǒng)包括滲透液導(dǎo)出管路6、負(fù)壓貯液罐10和抽吸泵11。氣升流體沿組件中膜管的軸向運(yùn)動(dòng)，滲透液沿膜管的徑向透出，從而實(shí)現(xiàn)錯(cuò)流過濾，滲透液可通過負(fù)壓抽吸系統(tǒng)引出。在所述的氣升式膜過濾裝置中，所采用的膜組件可以有1組或1組以上。
本發(fā)明的膜組件和氣升式膜過濾裝置主要應(yīng)用于將膜組件浸入料液進(jìn)行膜處理的過程，特別適合用于氣升式膜反應(yīng)器(Airlift membrane reactor)，或用于以氣升流體作為錯(cuò)流動(dòng)力的化學(xué)或生物反應(yīng)的在線分離過程。
有益效果1、通過輔助陣列排布裝置，該新型結(jié)構(gòu)的膜組件可以使用以膜管內(nèi)通道表面和膜管外表面為原料側(cè)的膜元件，可以解決多通道膜管在浸入式膜組件中的支撐、定位和透出流體引出的問題。
2、通過陣列排布和使用輔助陣列排布裝置，使膜管外表面到其周圍輔助陣列排布裝置表面的距離或膜管間的外表面間距與作為原料側(cè)的膜管內(nèi)通道尺寸相當(dāng)，可以解決原料流體在膜管原料側(cè)表面速度分布的均勻性問題。
3、通過添加或減少膜管根數(shù)，該組件可以方便地實(shí)現(xiàn)膜面積的增加與減少。并且，通過選用不同結(jié)構(gòu)的膜管，可以方便地控制膜組件中膜管滲透側(cè)表面與原料側(cè)表面的比例。
4、該浸入式膜組件可以采用多通道膜管或單通道膜管，并且不用外加封閉式殼狀外套，降低了組件生產(chǎn)成本。
5、該氣升式膜過濾裝置可以通過增加或減少膜組件的數(shù)量來有效控制膜過濾面積。
6、由于使用了本發(fā)明的浸入式膜組件，該氣升式膜過濾裝置既具有了高的膜裝填面積，還增大了原料池的有效容積。
7、該氣升式膜過濾裝置使用壓縮氣體為動(dòng)力，利用氣升式流體同時(shí)實(shí)現(xiàn)了膜表面的錯(cuò)流過濾和原料池內(nèi)的流體循環(huán)攪拌，從而降低了能耗，并且結(jié)構(gòu)簡單，降低了設(shè)備制造成本。
8、由于使用了本發(fā)明的浸入式膜組件，該氣升式膜過濾裝置可以直接面向單根膜管進(jìn)行檢修和維護(hù)。
9、本發(fā)明的浸入式膜組件和氣升式膜過濾裝置結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，節(jié)能，工業(yè)放大容易。


圖1浸入式膜組件正視圖；圖中a—包括套筒的膜組件，b—包括套筒和裙邊的膜組件。
圖2插有膜管的浸入式膜組件I-I方向截面圖；圖中1—膜組件，2—膜管外表面，3—輔助陣列排布裝置，4—作為原料側(cè)的膜管內(nèi)通道，5—作為滲透側(cè)的膜管內(nèi)通道。
圖3抽去膜管的浸入式膜組件I-I方向截面圖；圖中c—無肋板，d—簡單支撐和分隔肋板，e—連體支撐和分隔肋板，f—填塞支撐和分隔肋板。
圖4采用浸入式膜組件的膜過濾裝置；圖中1—膜組件，6—滲透液導(dǎo)出管路，7—輸氣管路，8—原料池，9—曝氣頭，10—負(fù)壓貯液罐，11—抽吸泵。
圖5浸入式膜組件的原料流體循環(huán)路線圖；圖中g(shù)—膜管，h—作為原料側(cè)的膜管表面，i—作為滲透側(cè)的通道表面，j—透過液收集管，k—支架。
圖6浸入式膜組件的透過液流動(dòng)路線圖；圖中g(shù)—膜管，h—作為原料側(cè)的膜管表面，i—作為滲透側(cè)的通道表面，j—透過液收集管，k—支架。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合

本發(fā)明的實(shí)施方式實(shí)施例1一種浸入式膜組件1，其特征在于膜管外表面2到其周圍輔助陣列排布裝置3表面的距離或膜管間的外表面間距與作為原料側(cè)的膜管內(nèi)通道4尺寸相適應(yīng)，間距為膜管內(nèi)通道4直徑的0～100倍。圖2所示為裝有膜管時(shí)四種組件的截面圖，四種組件依次為正六邊形膜管無肋板組件、圓形膜管附不規(guī)則棒狀肋板組件、正六邊形膜管附開槽板式肋板組件、正六邊形膜管附波紋板式肋板組件；抽去膜管后組件的截面圖如圖3所示。其中所述的陣列排布形狀可以為圓形、橢圓形、花瓣形或多邊形；多通道膜管的膜管端截面形狀可以為圓形、橢圓形、花瓣形或多邊形；單個(gè)通道形狀也可以為圓形、橢圓形、花瓣形或多邊形。膜管內(nèi)滲透側(cè)通道通過管道連通到透過流體收集管。輔助陣列排布裝置可以具有支撐和分隔肋板，也可以無肋板(如圖3)。分隔肋板可以為開槽板、波紋板、絲網(wǎng)或柵板。輔助陣列排布裝置3外部可以具有套筒a，也可以具有套筒a和裙邊b(如圖1)。
使用該浸入式膜組件1構(gòu)成的氣升式膜過濾裝置如圖4所示，包括膜組件1、原料池8、曝氣系統(tǒng)和滲透液負(fù)壓抽吸系統(tǒng)。曝氣系統(tǒng)包括輸氣管路7和曝氣頭8，所用氣體為壓縮空氣。負(fù)壓抽吸系統(tǒng)包括滲透液導(dǎo)出管路6、負(fù)壓貯液罐10和抽吸泵11。將該組件垂直浸入底部具有曝氣系統(tǒng)的原料池8中，壓縮空氣經(jīng)輸氣管路7在曝氣頭8曝出，所形成的氣升流體進(jìn)入膜組件并沿膜管軸向運(yùn)動(dòng)；在抽吸泵11的抽吸作用下，負(fù)壓貯液罐10保持負(fù)壓在-0.1MPa左右，并與滲透液導(dǎo)出管路6連通，滲透液沿膜管徑向透出，從而實(shí)現(xiàn)錯(cuò)流過濾。其中浸入式膜組件1的原料流體循環(huán)路線如圖5，透過液流動(dòng)路線如圖6，符號h表示膜管原料側(cè)的表面，i表示作為滲透側(cè)的通道表面，j表示透過流體收集管。
由于控制了膜管g外表面到其周圍輔助陣列排布裝置3表面的距離或膜管g間的外表面間距，當(dāng)原料流體在流經(jīng)膜組件1時(shí)，其在各間隙和通道內(nèi)遇到的阻力是相當(dāng)?shù)?，這樣就保證了原料流體在膜管原料側(cè)速度分布的均勻性。
原料流體通過作為原料側(cè)的膜管外表面2和作為原料側(cè)的膜管內(nèi)通道4外表面進(jìn)入膜撐體，然后由作為滲透側(cè)的通道5的表面滲出，并通過該通道的接口管路流入滲透液導(dǎo)出管路6。這樣膜管外表面2不作為滲透側(cè)，而是作為原料側(cè)，那么原料側(cè)的面積可以提高，通過調(diào)整膜管內(nèi)作為滲透側(cè)的通道的數(shù)量、外形尺寸或盲端封堵長度可以有效控制滲透側(cè)面積和原料側(cè)面積的比例。
為更好地集中原料流體動(dòng)量和能量，對流體提供更好的導(dǎo)向作用，作為輔助陣列排布裝置3的一部分，可以在膜管陣列周邊附加套筒或裙邊，與膜管一起構(gòu)成包括套筒的膜組件a或具有裙邊套筒的膜組件b。
實(shí)施實(shí)例2正六邊形輔助陣列排布裝置(裝填膜管長0.5m，不銹鋼材質(zhì)，無套筒，無肋板)，內(nèi)部勻布4×19正六邊形氧化鋯陶瓷膜管7根，膜孔徑200nm，膜管外表面間距6mm。將膜管浸入通量檢測池內(nèi)，料液為純水，在20℃、滲透側(cè)抽負(fù)壓(膜兩側(cè)壓差0.09MPa)、底部鼓氣1M3/h情況下，通量為1100L/m2h。
實(shí)施實(shí)例3圓形輔助陣列排布裝置(裝填膜管長0.5m，有機(jī)玻璃材質(zhì)，有套筒，無肋板)，內(nèi)部勻布6×19圓形氧化鈦陶瓷膜管19根，膜孔徑50nm，膜管外表面最小間距6mm。將膜管浸入通量檢測池內(nèi)，料液為純水，在20℃、滲透側(cè)抽負(fù)壓(膜兩側(cè)壓差0.09MPa)、底部鼓氣2.5M3/h情況下，通量為800L/m2h。
實(shí)施實(shí)例4正六邊形輔助陣列排布裝置(裝填膜管長0.5m，有機(jī)玻璃材質(zhì)，無套筒，無肋板)，內(nèi)部勻布4×19正六邊形氧化鋯陶瓷膜管7根，膜孔徑200nm，膜管外表面間距6mm。將膜管浸入通量檢測池內(nèi)，料液為1g/L的1μm粒徑的氧化鋁顆粒懸濁液，在25℃、滲透側(cè)抽負(fù)壓(膜兩側(cè)壓差0.09MPa)、底部鼓氣1M3/h情況下，通量為750L/m2h。
實(shí)施實(shí)例5圓形輔助陣列排布裝置(裝填膜管長0.5m，有機(jī)玻璃材質(zhì)，有套筒，有肋板)，內(nèi)部勻布6×19圓形氧化鋁陶瓷膜管19根，膜孔徑500nm，膜管外表面間距6mm。將膜管浸入通量檢測池內(nèi)，料液為1g/L的1μm粒徑的氧化鋁顆粒懸濁液，在25℃、滲透側(cè)抽負(fù)壓(膜兩側(cè)壓差0.09MPa)、底部鼓氣2.5M3/h情況下，通量為1500L/m2h。
權(quán)利要求
1.一種浸入式膜組件，由滲透液從內(nèi)通道中引出的膜管和輔助陣列排布裝置組成，膜管分布在輔助陣列排布裝置中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜組件，其特征在于輔助陣列排布裝置具有套筒，膜管被頂部的透過液收集管和底部的支架定位和分布在套筒中；或者是輔助陣列排布裝置具有套筒和肋板，肋板位于套筒內(nèi)，膜管位于由肋板分隔成的管狀空間中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜組件，其特征在于套筒的下端附有裙邊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜組件，其特征在于膜管為多通道膜管或單通道膜管；膜管的端面形狀和膜管內(nèi)部通道的徑向截面形狀可以為圓形、橢圓形、花瓣形或多邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜組件，其特征在于膜管分布在輔助陣列排布裝置中形狀可以為圓形、橢圓形、花瓣形或多邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜組件，其特征在于所采用的輔助陣列排布裝置采用不銹鋼、聚丙烯、PVC或聚四氟乙烯制造。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的膜組件，其特征在于所述裙邊和套筒的長度為膜管長度的0.1～2倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜組件，其特征在于所述的膜管為陶瓷、不銹鋼、金屬、鈦鋁合金、碳或有機(jī)材料制成。
9.一種氣升式膜過濾裝置，由權(quán)利要求1所述的浸入式膜組件、原料池、曝氣系統(tǒng)和滲透液負(fù)壓抽吸系統(tǒng)組成，浸入式組件垂直浸在底部具有曝氣系統(tǒng)的原料池中，氣升流體從膜管原料側(cè)通道和肋板與膜管間的通道流過，滲透液管路與負(fù)壓抽吸系統(tǒng)連接，滲透液經(jīng)負(fù)壓抽吸引出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣升式膜過濾裝置，其特征在于所采用的膜組件可以有1組或1組以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種浸入式膜組件以及使用了該組件的氣升式膜過濾裝置。所述的浸入式膜組件采用滲透液從內(nèi)通道中引出的膜管為膜元件，通過陣列排布和輔助陣列排布裝置，使原料流體能夠在膜元件陣列中分布均勻。所述的氣升式膜過濾裝置包括浸入式膜組件、原料池、曝氣系統(tǒng)和滲透液負(fù)壓抽吸系統(tǒng)，將該組件垂直浸入底部具有曝氣系統(tǒng)的原料池中，氣升流體沿膜管軸向運(yùn)動(dòng)，滲透液沿膜管徑向透出，從而實(shí)現(xiàn)錯(cuò)流過濾，滲透液可通過負(fù)壓抽吸系統(tǒng)引出。
文檔編號C02F3/12GK1883777SQ20061004055
公開日2006年12月27日 申請日期2006年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月24日
發(fā)明者邢衛(wèi)紅, 王龍耀, 徐南平 申請人:南京工業(yè)大學(xué)