一種單側封裝u型中空纖維膜元件及組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單側封裝U型中空纖維膜元件及組件。所述的中空纖維膜元件包含U型中空纖維膜集束、密封頭和中心橫隔板，中心橫隔板位于U型中空纖維膜集束的內部，U型中空纖維膜集束的首端、尾端和中心橫隔板的一端或一端的近端部密封于密封頭中。本發(fā)明中空纖維膜元件搭配以不同的上下端蓋、膜殼、進出口和中心橫隔板，可組成外壓、內壓、浸沒和曝氣式等不同類型的中空纖維膜組件，膜元件通用性高。所述的中空纖維膜元件及組件采用單側封裝，降低了組建封裝難度，使得組件結構緊湊，靈活性強，密封設計簡單合理，減少了組件上使用過程中的滲漏風險。
【專利說明】一種單側封裝U型中空纖維膜元件及組件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及膜分離設備領域，尤其涉及一種中空纖維膜元件及組件。
【背景技術】
[0002]膜分離技術因其高效低能耗的技術特點而被廣泛用于物質的分離、提純、濃縮和凈化過程，在化學化工，醫(yī)藥食品、能源儲運和環(huán)境保護等領域的應用優(yōu)勢愈加突出?，F(xiàn)有的膜元件或膜組件類型主要有平板式、卷式、管式和中空纖維等幾種型式，而其中中空纖維膜因其膜面積極大、組件裝填密度較高和成本較低等優(yōu)勢而成為常用的膜組件型式。
[0003]膜組件結構設計和膜元件的密封性能對整個膜分離系統(tǒng)運行的可靠性有重要影響。中空纖維膜具有較高的膜通量和一定的柔韌性，因而充分利用中空纖維膜的特性設計合理的組件結構不僅能保持較高的組件裝填密度，提高產(chǎn)水量，有效保護膜元件內的中空纖維膜絲，增強其機械強度，還能減少堵塞現(xiàn)象，降低進水水質要求，減小濃差極化的不利影響等。
[0004]另一方面，膜元件的密封設計也是膜組件設計的關鍵，在膜絲性能一定的情況下，膜元件的密封性常常極大程度上決定了整個組件的滲漏性能，由于中空纖維一般較為細小，膜集束的膜絲數(shù)量較多且分布并不均勻，這就造成了集束膜絲間的膜間間隙形狀、大小不一且分布不均勻，封堵情況較為復雜。因此中空纖維膜元件的封裝難度也一般難于平板式、卷式和管式膜組件；為保障中空纖維的密封效果，中空纖維密封層的施涂步驟往往過于復雜，密封設計的繁復性卻增加了膜組件的制備難度，限制了中空纖維膜組件的規(guī)?；瘧?。由此可見，簡單合理的膜組件結構設計和膜元件密封設計是中空纖維膜商品化成熟應用中應不斷改進并加以解決的關鍵問題。實際應用中發(fā)現(xiàn)，中空纖維膜絲首尾兩端常密封于組件膜殼的兩端頭，在長期使用和反復清洗過程中，由于膜絲的頻繁抖動和收縮，容易造成中空纖維膜絲的斷裂或破損。
[0005]根據(jù)使用要求和應用場景的不同，中空纖維膜組件常需具有外壓、內壓、浸沒和曝氣等功能，不同的功能常需設計不同的膜元件以適應于不同的應用場合。發(fā)明專利申請CN102160966A公布了一種外壓式中空纖維膜組件及其制備方法，該種組件在中空纖維膜兀件封裝上布有中心管和中心管結合件，兩端頭分區(qū)，中空纖維膜絲兩端頭分別密封于膜殼上下端頭部位，為保持中空纖維膜絲在豎直方向上均等分布不絞絲而設置了等角分布板，這種密封設計較為繁雜，須膜元件的上下兩端頭同時保證密封才能使得膜組件不至于滲漏。發(fā)明專利CN101757853B公布了一種具有抗污染結構的外壓式中空纖維膜組件及清洗系統(tǒng)，該組件具有U型膜絲，膜元件只有一頭形成密封層，U型膜絲為首尾兩端同時封裝與膜元件一側的密封層中，由于U型膜絲首尾兩端并未分區(qū)封裝，因而只具有外壓式組件功能；此外，膜絲中間置有中心產(chǎn)水管，膜絲彎曲的U型部位布有曝氣管，因此該組件只具有曝氣外壓功能的膜生物反應器MBR組件，不能兼具浸沒、內壓功能，膜元件的通用性設計功能不強。
[0006]綜上所述，簡化膜元件的密封設計，增強膜組件的密封可靠性和提高膜元件結構設計的通用性有助于中空纖維膜組件的應用發(fā)展，有利于提高膜組件性能，延長膜組件的使用壽命和擴展中空纖維膜組件在多種適宜的領域內通用化，規(guī)?；瘧?。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于利用中空纖維膜絲的柔韌特性，以特殊的封裝方式制成中空纖維膜元件，以期提高膜組件的膜面利用率，優(yōu)化組件內部流場分布，維持較高的膜通量，并且配用不同的膜殼以提高膜元件的通用性，適應于不同的用途。
[0008]本發(fā)明所述中空纖維膜組件是通過如下技術方案設計制成的。
[0009]一種單側封裝U型中空纖維膜元件，包含U型中空纖維膜集束、密封頭和中心橫隔板，中心橫隔板位于U型中空纖維膜集束的內部，U型中空纖維膜集束的首端、尾端和中心橫隔板的一端或一端的近端部密封于密封頭中包含中空纖維膜集束、密封頭和中心橫隔板，所述的中空纖維膜集束沿中心橫隔板彎折180度成U型，彎折前后的中空纖維膜集束由中心橫隔板隔開，中空纖維膜集束的首端、尾端和中心橫隔板的一端或一端的近端部密封形成S封頭。
[0010]優(yōu)選地,所述的U型中空纖維膜集束含有I?100束中空纖維膜,每束中空纖維膜含有5?1000根中空纖維膜膜絲，所述的中空纖維膜膜絲的外徑為0.2?5mm，內徑為0.1 ?3mmο
[0011]優(yōu)選地，所述密封頭所使用的密封材料為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸酯密封膠、聚氨酯密封膠、有機硅或陶瓷密封膠。
[0012]優(yōu)選地，所述的中空纖維膜膜絲為有機膜、無機膜或復合型膜。
[0013]一種中空纖維膜組件，包含上述任一項所述的中空纖維膜元件。
[0014]優(yōu)選地，所述的中空纖維膜組件包含上端蓋、下端蓋和所述的中空纖維膜元件，所述的上端蓋與下端蓋的一端均設有開口，所述的上端蓋與下端蓋的另一端均與密封頭密封連接，所述的上端蓋與下端蓋緊固連接。
[0015]更優(yōu)選地，所述的中心橫隔板為實心隔板或曝氣板，所述的實心隔板密封于所述的密封頭中；所述的曝氣板穿透密封頭伸至上端蓋開口端外。
[0016]優(yōu)選地，所述的中空纖維膜組件包含上端蓋、膜殼和所述的中空纖維膜元件，所述的中空纖維膜元件位于所述的上端蓋和膜殼形成的空腔內；所述的上端蓋的一端設有開口，所述的上端蓋的另一端與密封頭密封連接，所述的膜殼有一開口端，所述的膜殼的開口端與密封頭密封連接，所述的上端蓋與膜殼緊固連接。
[0017]更優(yōu)選地，所述的中心橫隔板為中空多孔板，所述的中空多孔板穿透密封頭伸至上端蓋開口端外，所述膜殼上設有進水口和/或出水口。
[0018]更優(yōu)選地，所述的中心橫隔板為實心隔板，所述的實心隔板密封于所述的密封頭中，所述膜殼上設有進水口和/或出水口。
[0019]進一步優(yōu)選地，所述的中空纖維膜裝填分率為10?90%，長徑比為0.5?10，為圓管狀或者棱柱狀；所述密封頭為圓柱狀或棱柱狀。
[0020]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明中空纖維膜元件利用了中空纖維膜束整體折疊設計，將中空纖維膜絲首尾兩端分區(qū)封裝于膜元件的同一端頭中，只需一側密封，另一側是膜絲的彎折面。本發(fā)明中空纖維膜元件搭配以不同的上下端蓋、膜殼、進出口和中心橫隔板，可組成外壓、內壓、浸沒和曝氣式等不同類型的中空纖維膜組件，膜元件通用性高。單側封裝使得膜組件結構緊湊，靈活性強，減少了組件上使用過程中的滲漏風險；單側封裝密封設計簡單合理，還能降低膜元件封裝難度，減少膜組件加工成本，為中空纖維膜組件規(guī)?；瘧玫於ɑA；利用彎折膜絲錯流過濾，加強膜殼內的料液流場，增大效膜面積，提高膜面利用率,增大了膜面流速，能有效提升膜組件的分離能力?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0021]圖1膜元件結構示意圖；
[0022]圖2膜元件端面圖；
[0023]圖3浸沒外壓式中空纖維膜組件結構示意圖；
[0024]圖4浸沒曝氣式中空纖維膜組件結構示意圖；
[0025]圖5內壓式中空纖維膜組件結構示意圖；
[0026]圖6外壓隔板式中空纖維膜組件結構示意圖；
[0027]圖7外壓曝氣式中空纖維膜組件結構示意圖；
[0028]圖8外壓中心進水板式中空纖維膜組件結構示意圖。
[0029]其中圖中序號示意分別為:
[0030]1、首端；2、尾端；3、實心隔板；
[0031]4、密封頭； 5、中空纖維膜集束；6、進水口；
[0032]7、出水口； 8、上端蓋；9、膜殼；
[0033]10、產(chǎn)水板； 11、進水板；12、下端蓋；
[0034]13、曝氣板； 14、折流板；15、加固件。
【具體實施方式】
[0035]為了更好的理解本發(fā)明下面結合附圖和【具體實施方式】做進一步說明。
[0036]本發(fā)明中空纖維膜元件搭配以不同的上下端蓋、膜殼、進出口和中心橫隔板，可組成外壓、內壓、浸沒和曝氣式等不同類型的中空纖維膜組件，膜元件通用性高。所述的膜殼、上端蓋和下端蓋的材料為不銹鋼、樹脂塑料、四氟、尼龍。所述的上端蓋與下端蓋或膜殼的緊固連接方式為螺紋連接、法蘭連接、快速接頭、膠封或卡箍式連接，耐壓范圍為O~20Mpa。所述的中空纖維膜裝填分率為10~90%，長徑比為0.5~10，外形為圓管狀或者棱柱狀。優(yōu)選地，所述的膜殼內還設置有折流板或者加固件。
[0037]實施例1單側封裝U型中空纖維膜元件
[0038]如圖1和圖2所示，一種單側封裝U型中空纖維膜元件，包含中空纖維膜集束5、中心橫隔板和密封頭4，所述的中空纖維膜集束5沿中心橫隔板彎折180度形成U型中空纖維膜集束，彎折前后的中空纖維膜集束5由中心橫隔板隔開，每根膜絲兩端頭分位于中心橫隔板的兩邊。中空纖維膜集束5的首端1、尾端2和中心橫隔板的一端或一端的近端部澆注成型，固化形成密封頭4，密封頭4開孔制成中空纖維膜元件。所述密封頭所使用的密封材料可以為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸酯密封膠、聚氨酯密封膠、有機硅或陶瓷密封膠。所述的中心橫隔板可以為實心隔板3或中空多孔板。
[0039]優(yōu)選地，本發(fā)明中所述的中空纖維膜集束5含有I~100束中空纖維膜，每束中空纖維膜含有5?1000根中空纖維膜膜絲，所述的中空纖維膜膜絲的外徑為0.2?5mm，內徑為 0.1 ?3mm。
[0040]所述的中空纖維膜膜絲為有機膜、無機膜或復合型膜。所述的有機膜為醋酸纖維素膜、聚乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯膜、聚丙烯腈膜、聚砜膜、聚醚砜膜、聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜或聚酰胺膜，所述的無機膜為氧化鋁膜、氧化鋯膜、氧化鈦膜、氧化硅膜或碳膜，所述的復合型膜由醋酸纖維素、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、氧化硅或碳中的至少兩種材料制成。
[0041]實施例2浸沒外壓式中空纖維膜組件
[0042]如圖3所示，一種浸沒外壓式中空纖維膜組件，所述的中空纖維膜組件包含上端蓋8、下端蓋12和所述的中空纖維膜元件，所述的上端蓋8與下端蓋12的一端均設有開口，所述的上端蓋8與下端蓋12的另一端均與密封頭4密封連接，下端蓋12與上端蓋8緊固連接。所述的中心橫隔板為實心隔板3，所述的實心隔板3密封于所述的密封頭4中，密封頭4切平露出膜中孔。所述的中空纖維膜元件直接浸沒于料液中，滲透液透過膜面匯集于上端蓋8中并抽吸收集產(chǎn)水，產(chǎn)水最終由上端蓋8的開口端輸出本發(fā)明中空纖維膜組件。
[0043]本發(fā)明中空纖維膜組件長為0.5m，直徑4英寸，膜有效長度為0.Sm，膜絲為外徑Imm,內徑為0.6mm的PVDF外壓膜，膜面積為2m2，裝填分率90%。實施例3曝氣浸沒外壓式中空纖維膜組件
[0044]如圖4所示，本實施例曝氣浸沒外壓式中空纖維膜組件的結構與實施例2基本相同，區(qū)別僅在于，所述的中心橫隔板為曝氣板13，所述的曝氣板13穿透密封層伸至上端蓋8開口端外，所示曝氣板13為中空多孔板。膜絲與曝氣管直接浸沒于料液中，曝氣板13通入空氣或臭氧，空氣或臭氧通過曝氣板上的孔進入到膜組件和料液中進行曝氣。滲透液從膜絲束內腔抽吸至上端蓋8收集產(chǎn)水。
[0045]該組件長為1.2m，膜有效長度為2m，膜絲為外徑1.8mm,內徑為0.9mm的PVDF/Al2O3復合膜，膜面積為2m2，裝填分率50%。該組件為浸沒式組件與曝氣的結合，適宜于制成一體式MBR反應器水處理裝置。
[0046]實施例4內壓式中空纖維膜組件
[0047]如圖5所示，一種內壓式中空纖維膜組件，所述的中空纖維膜組件包含上端蓋8、膜殼9和所述的中空纖維膜元件，所述的中空纖維膜元件位于所述的上端蓋8和膜殼9形成的空腔內；所述的上端蓋8的一端設有開口，所述的上端蓋8的另一端與密封頭4密封連接，所述的膜殼9有一開口端，所述的膜殼的開口端與密封頭4密封連接。膜殼9與上端蓋8緊固連接。所述的中心橫隔板為中空多孔板，所述的中空多孔板為產(chǎn)水板10。所述的產(chǎn)水板10穿透密封層伸至上端蓋8開口端外。中空纖維膜集束5的首端1、尾端2被產(chǎn)水板10分隔為進水端和出水端，原水從首端I進水輸送至中空纖維膜絲內腔，所述的上端蓋8和膜殼9形成的空腔內設置有若干個加固件15，所述加固件可以為支撐板或支撐柱，滲余液從尾端2出水，滲透液由自吸泵經(jīng)產(chǎn)水板10負壓抽吸收集、輸出。
[0048]該內壓型中空纖維膜組件長600_，直徑8英寸，膜有效長度lm，外徑為5_，內徑為3mm的YSZ內壓膜，膜面積8m2，裝填分率60%。由于該組件充分利用了膜絲的柔韌性，組件具有較高的集成度，進水，出水和產(chǎn)水都集中于組件的一端，膜殼上無需安裝任何接頭，降低了組件加工難度與加工成本，便于拆裝與清洗維護。膜面流速控制在2?5m/s，利用U型膜束在彎頭處水力損失能進一步加強過濾，提高產(chǎn)水。該組件較適宜于SS含量較高的污水處理。
[0049]實施例5外壓隔板式中空纖維膜組件
[0050]如圖6所示，本實施例外壓隔板式中空纖維膜組件的結構與實施例4基本相同，區(qū)別僅在于，所述的中心橫隔板為實心隔板3，所述的實心隔板3密封于所述的密封頭中，密封頭切平露出膜中孔；所示膜殼9上設有I個進水口 6和I個出水口 7，進水口 6和出水口7位于膜殼9的開口端的兩側。料液由進水口 6進入組件內部U型流場，經(jīng)預置的折流板14加強料液與膜面的對流接觸，最后繞流至出水口 7出水，滲透液透過膜面由中空纖維膜束內腔抽吸至上端蓋8形成產(chǎn)水。
[0051]該組件長為lm，直徑4英寸，膜有效長度為1.Sm，膜絲為外徑0.5mm，內徑為
0.24_的PS外壓膜，膜面積為40m2，裝填分率70%。由于該組件內腔布置了折流板加強了流場，增強了料液與膜面的有效接觸，膜通量和產(chǎn)水量均得到了提高，膜面有效利用率增大，較適宜于水質較高的飲用水凈化。
[0052]實施例6曝氣外壓式中空纖維膜組件
[0053]如圖7所示，本實施例曝氣外壓式中空纖維膜組件的結構與實施例5基本相同，區(qū)別僅在于，所述的中心橫隔板為中空多孔板，所述的中空多孔板為曝氣板13，所述的曝氣板13穿透密封層伸至上端蓋8開口端外。料液從進水口 6進入組件內，從出水口 7流出，空氣或臭氧通過曝氣板13進行曝氣，滲透液從膜絲束內腔抽吸至上端蓋8收集產(chǎn)水。
[0054]該組件長為0.3m，直徑32mm，膜有效長度為0.5m，膜絲為外徑0.7mm，內徑為
0.52mm的PVDF外壓膜，膜面積為0.75m2，裝填分率40%。該組件增加了曝氣裝置，可利用溶氧或臭氧氧化處理料液中的有機物，并且由于U型膜絲結構設計的特殊性，增加曝氣有利于抖動膜絲，振落膜絲表面的污染物，實現(xiàn)曝氣自動清洗，減少膜絲堵塞現(xiàn)象，此外，將膜過濾和高級氧化兩種水處理方法結合起來，這種類型組件可廣泛應用于飲用水凈化，污水處理，分置式膜生物反應器等方面。
[0055]實施例7中心管外壓式中空纖維膜組件
[0056]如圖8所示，本實施例中心管外壓式中空纖維膜組件的結構與實施例6基本相同，區(qū)別僅在于，所述的中心橫隔板為中空多孔板，所示中空多孔板為進水板11，所述的進水板11穿透密封層伸至上端蓋8開口端外；膜殼上只設有I個出水口 7，無進水口 6。料液從端頭進水經(jīng)進水板11分布進入組件內腔與膜絲接觸，滲余液從膜殼上的出水口 7引出，滲透液從膜絲束內腔抽吸由上端蓋8收集產(chǎn)水。
[0057]該組件長為2m,直徑4英寸,膜有效長度為2.5m,膜絲為外徑2mm、內徑為0.8mm的PS外壓膜，膜面積為12m2，裝填分率50%。該組件結構簡單，膜芯元件便于使用，耐清洗，易更換，從膜束中心進水，改善組件內徑向進水分布，膜面接觸更均勻，有利于膜分離。
[0058]以上對本發(fā)明的具體實施方法和相關參數(shù)進行了舉例描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的同類技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以有多種不同的形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
【權利要求】
1.一種單側封裝U型中空纖維膜元件，其特征在于，包含U型中空纖維膜集束、密封頭和中心橫隔板，中心橫隔板位于U型中空纖維膜集束的內部，U型中空纖維膜集束的首端、尾端和中心橫隔板的一端或一端的近端部密封于密封頭中。
2.根據(jù)權利要求1所述的單側封裝U型中空纖維膜元件，其特征在于，所述的U型中空纖維膜集束含有I?100束中空纖維膜，每束中空纖維膜含有5?1000根中空纖維膜膜絲，所述的中空纖維膜膜絲的外徑為0.2?5mm,內徑為0.1?3mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的單側封裝U型中空纖維膜元件，其特征在于，所述密封頭所使用的密封材料為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸酯密封膠、聚氨酯密封膠、有機硅或陶瓷密封膠。
4.根據(jù)權利要求2所述的單側封裝U型中空纖維膜元件，其特征在于，所述的中空纖維膜膜絲為有機膜、無機膜或復合型膜。
5.一種單側封裝U型中空纖維膜組件，其特征在于，包含權利要求1-3任一項所述的中空纖維膜元件。
6.根據(jù)權利要求5所述的單側封裝U型中空纖維膜組件，其特征在于，所述的中空纖維膜組件包含上端蓋、下端蓋和所述的中空纖維膜元件，所述的上端蓋與下端蓋的一端均設有開口，所述的上端蓋與下端蓋的另一端均與密封頭密封連接，所述的上端蓋與下端蓋緊固連接。
7.根據(jù)權利要求6所述的單側封裝U型中空纖維膜組件，其特征在于，所述的中心橫隔板為實心隔板或曝氣板，所述的實心隔板密封于所述的密封頭中；所述的曝氣板穿透密封頭伸至上端蓋開口端外。
8.根據(jù)權利要求5所述的單側封裝U型中空纖維膜組件，其特征在于，所述的中空纖維膜組件包含上端蓋、膜殼和所述的中空纖維膜元件，所述的中空纖維膜元件位于所述的上端蓋和膜殼形成的空腔內；所述的上端蓋的一端設有開口，所述的上端蓋的另一端與密封頭密封連接，所述的膜殼有一開口端，所述的膜殼的開口端與密封頭密封連接，所述的上端蓋與膜殼緊固連接。
9.根據(jù)權利要求8所述的單側封裝U型中空纖維膜組件，其特征在于，所述的中心橫隔板為實心隔板或中空多孔板，所述的實心隔板密封于所述的密封頭中，所述的中空多孔板穿透密封頭伸至上端蓋開口端外，所述膜殼上設有進水口和/或出水口。
10.根據(jù)權利要求5-9任一項所述的單側封裝U型中空纖維膜組件，其特征在于，所述的中空纖維膜裝填分率為10?90%，長徑比為0.5?10，為圓管狀或者棱柱狀；所述密封頭為圓柱狀或棱柱狀。
【文檔編號】C02F1/44GK103506012SQ201310415690
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權日:2013年9月12日
【發(fā)明者】何勇, 郭芳威, 陳順權, 杜如虛 申請人:廣州中國科學院先進技術研究所