本發(fā)明涉及一種在混合物中對特定對象的顆粒進行分離和沉降的設備，特別涉及一種可實現(xiàn)自凈化的直列式膜堆。

背景技術：

滲透膜分離技術在近30年中由于其操作方便、工藝設備緊湊、分離效率高、能耗低等優(yōu)點而迅速發(fā)展成為工業(yè)中固-液分離的重要工藝方法。然而，在滲透膜過濾工藝中，膜污染這個不可避免的問題始終存在，且已成為這項工藝于實際應用中的一個致命缺點。膜污染是由于膜表面和膜孔中由于微粒、膠體粒子、溶質分子或細菌、病毒等的沉積或孳生而導致的膜孔堵塞或變小，造成過膜阻力的增大，從而使膜透過量下降，減少膜的使用壽命等后果。例如，在固液分離中經常使用的平板膜，其膜透過量由于膜污染會在近一個小時的工作之后減少約50％；而由于固體小顆粒的吸附和堵塞。

工業(yè)上經常用來清洗膜污染的方法主要分為物理清洗和化學清洗，化學清洗是通過使用藥劑以將不溶污染物溶解并沖洗出膜組件。然而，化學清洗不僅由于藥劑的使用而增加過濾工藝的操作成本，而且由于酸性或堿性藥劑的使用而對膜造成損害且造成污染。物理清洗主要包括低壓高流速清洗、等壓沖洗、反沖洗、負壓清洗、機械刮除等方法，工業(yè)中普遍使用的是高速反沖洗和氣水反沖洗工藝。然而，上述兩種工藝都必須在清洗過程中停止膜過濾工藝，且需要高壓和高于產水量兩到三倍的水用于沖洗，耗能高，用水量大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種通過在直列式膜堆內部設置內部循環(huán)水路，形成循環(huán)流動，從而對經過膜面的流體進行加速，配合膜內部設置的介電電泳電極所產生的用于將污染物推離膜面的介電電泳效應，在流體具備一定速度的情況下將污染物帶入濃水通道，以達到膜的自凈化的可實現(xiàn)自凈化的直列 式膜堆。

本發(fā)明解決其技術問題是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種可實現(xiàn)自凈化的直列式膜堆，其特征在于：它包括前端面壓板、循環(huán)水路板、直列式膜板和后端面壓板；在所述前端面壓板與后端面壓板之間并排壓裝一組直列式膜板，各所述直列式膜板的原水通孔共同形成原水主流道，各所述直列式膜板的濃水通孔共同形成濃水主流道；所述循環(huán)水路板中設置循環(huán)水路，所述循環(huán)水路連通原水主流道的入口與濃水主流道的出口；在所述循環(huán)水路一側的原水入口與在另一側的原水主流道的面積比小于1:2。

所述原水入口為多入口結構，各入口的面積之和與所述原水主流道的面積比小于1:2。

所述面積比為1：10。

所述原水入口與原水主流道的連接方式為原水入口插接在原水主流道的中心處。

所述直列式膜板包括外框、鈑金電極組件和過濾膜，所述過濾膜設置在外框的兩側，所述鈑金電極組件設置在兩過濾膜之間。

所述鈑金電極組件包括兩片分別連接交流電源不同輸出端的電極板；所述電極板為一體成型的鈑金件，包括多條平形排列的電極及同時連接所有所述電極的一條或一條以上邊線；兩所述電極板交錯疊放，使一電極板的電極置于另一電極板的兩相鄰電極之間的空間中，形成電極組；兩所述電極板之間相互絕緣。

所述電極板為梳齒狀電極板，包括多條平行排列的電極，及同時連接所有所述電極一端的一條邊線，所述電極的另一端為自由端，一電極板的邊線位于另一電極板中電極的自由端一側。

所述電極板為柵形電極板，包括多條平行排列的電極，及分別連接所述電極的兩端的兩條邊線；兩電極板的邊線之間設置絕緣材料。

所述電極板為立體柵形電極板，包括多條平行排列的電極，及分別連接所述電極的兩端的兩條邊線；所述電極的兩端彎折，在交錯疊放時相互避讓；兩所述電極板外部均設置絕緣層。

所述兩電極板中的一電極板外部設置絕緣層，另一電極板為耐腐蝕性材料制成的裸電極。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為：

1、本發(fā)明可實現(xiàn)自凈化的直列式膜堆，在原水主流道的入口與濃水主流道的 出口之間設置循環(huán)水路，不需設置額外增壓裝置，僅依靠自身的結構，將原水入口與原水主流道的面積比小于1:2，即可將濃水主流道的一部分濃水回流來補償原水主流道的流量，提高濃水主流道的流速，從而增加經過膜表面的流體流速，且保證產水量不變。當多個直列式膜堆并行布水的時候，由管路沿程損失不同導致不同堆之間存在壓力差，使得布水不是完全均勻的。相對于沒有增加循環(huán)水路的直列堆來說，由于循環(huán)水路使得原水入口減小，因而擁有循環(huán)水路的直列堆之間的堆間布水更加均勻，且由于直列堆內部的水流速度和壓力增加，使直列堆內部的各直列膜板之間的板間布水也更加均勻。

3、本發(fā)明可實現(xiàn)自凈化的直列式膜堆，采用的鈑金電極組包括兩片由鈑金工藝制作的電極板，其上制有多條平形排列的電極，以及連接所述電極的一條或一條以上邊線，兩片電極板之間交錯疊放，使兩片電極板的電極相互間隔對應以形成電極組；電極板通過鈑金工藝一體成型，生產成本低，較圓柱形電極降低成本70％以上；任何一處位置連接電源即可使得整板得以供電，從而使電極和連接導線集成在一個鈑金件上；根據(jù)鈑金選材質地和厚度的不同，可使其具備一定柔性或剛性，可卷曲或平展使用；在安裝時由于各電極之間相對位置已經設定好，可進行整個電極板的一體安裝，不會造成電極排列的混亂，從而提高裝配效率。

4.本發(fā)明可實現(xiàn)自凈化的直列式膜堆，電極板為立體柵形電極板，當兩片立體柵形電極板交疊構成鈑金電極組件結構時，兩片電極板的電極中部交叉，形成電極組；且由于電極的兩端彎折，因此兩立體柵形電極板的邊線之間存在縫隙，可以相互遠離。

5.本發(fā)明可實現(xiàn)自凈化的直列式膜堆，電極板可設置為梳齒狀電極板，當兩片梳齒狀電極板交錯構成鈑金電極組件結構時，第一梳齒狀電極板的電極從第二梳齒狀電極板的電極之間插入，形成電極組，這樣可以防止兩片電極板在疊加時邊線相接觸，產生干涉，具有結構極為簡化，制造容易，安裝方便的優(yōu)點。

6.本發(fā)明可實現(xiàn)自凈化的直列式膜堆，電極板可為柵形電極板，當兩片柵形電極板間隔疊放構成鈑金電極組件結構時，電極的兩端均通過邊線連接在一起，因此電極在安裝時位置相對固定，不需要后期調整；而且，為了避免柵形電極板的邊線相接觸，可在兩電極板的邊線之間設置絕緣片。

7.本發(fā)明可實現(xiàn)自凈化的直列式膜堆，通過在直列式膜堆內部設置內部循環(huán)水路結構，形成循環(huán)流動，從而對經過膜面的流體進行加速，配合膜內部設置的鈑金電極組件所產生的用于將污染物推離膜面的不勻稱電場，在流體具備一定速度的情 況下將污染物帶入濃水通道，以達到膜的自凈化。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術的直列式膜組件的內部水流示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術的直列式膜組件的工作原理示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例1的直列式膜堆的結構示意圖；

圖4是圖3的A-A向剖面結構示意圖；

圖5是本發(fā)明的實施例1的直列式膜板結構示意圖(局部剖開)；

圖6是本發(fā)明的實施例1的直列式膜板結構示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例1的直列式膜堆內部水流循環(huán)示意圖；

圖8是本發(fā)明實施例1的直列式膜堆工作原理示意圖；

圖9是本發(fā)明實施例1的直列式膜堆的循環(huán)水路的優(yōu)選結構示意圖；

圖10是本發(fā)明實施例1中當鈑金電極組件的兩電極板交錯疊置時，其中連接不同輸出端的電極位置分布示意圖；

圖11是本發(fā)明的鈑金電極組件的電場及介電電泳力矢量和等值線圖；

圖12是本發(fā)明的實施例1的電極板結構示意圖；

圖13是本發(fā)明的實施例1的介電電泳電極組件的主視圖；

圖14是本發(fā)明的實施例1的介電電泳電極組件的側視圖；

圖15是本發(fā)明的實施例1的介電電泳電極組件的俯視圖；

圖16是本發(fā)明的實施例2的電極板結構示意圖；

圖17是本發(fā)明的實施例2的介電電泳電極組件結構示意圖；

圖18是本發(fā)明的實施例3的電極板結構示意圖；

附圖標記說明

現(xiàn)有技術附圖標記：

原水入口1、濃水出口2、產水出口3、水流通道4、過濾膜5、電極6、產水腔7、原水主流道8、濃水主流道9。

本發(fā)明附圖標記：

前端面壓板10、后端面壓板11、直列式膜板12、原水入口13、濃水出口14、產水出口15、電源插頭16、循環(huán)水路板17、原水主流道18、電極組19、濃水主流道20、外框21、產水腔22、濃水空間23、過濾膜24、濃水通孔25、原水通孔26、產水支流道27、產水通孔28、口徑的差29、鈑金電極組件30、導流布31、第一電 極32、第二電極33、立體柵形電極板34、立體柵形電極板的電極35、立體柵形電極板的邊線36、梳齒狀電極板37、梳齒狀電極板的電極38、梳齒狀電極板的邊線39、柵形電極板40、柵形電極板的電極41、柵形電極板的邊線42、循環(huán)水路43。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。

實施例1：

如圖3所示，本發(fā)明的可實現(xiàn)自凈化的直列式膜堆，主要由前端面壓板10、循環(huán)水路板17后端面壓板11、直列式膜板12、后端面壓板11及鈑金電極組件構成。在前端面壓板10與后端面壓板11之間并排壓裝一組直列式膜板12并形成密封腔體。前端面壓板10、后端面壓板11、直列式膜板12依次疊裝并采用拉桿固定在一起。前端面壓板上制有原水入口13、濃水出口14、產水出口15及電源插頭16。循環(huán)水路版17內置有循環(huán)水路43。

如圖4所示，直列式膜板12由外框21、內部的電極組19及兩側過濾膜24構成，直列式膜板12兩側過濾膜24之間形成產水腔22，產水腔22與產水出口15連通。當各直列式膜板12壓裝在一起時，在下部形成與原水入口13連通的原水主流道18，在上部形成與濃水出口14連通的濃水主流道20。當多個直列式膜板12前后疊加在一起時，前后相鄰的直列式膜板12的框架外框21的各邊框表面之間緊密貼合密封，相鄰直列式膜板12的過濾膜24之間形成濃水空間23。

如圖5、6所示，本實施例中外框21為矩形框，兩片過濾膜24分別覆設在外框的邊框兩側。在外框的上部邊框、下部邊框、側部邊框上分別垂直于外框平面設置濃水通孔25、原水通孔26和產水通孔28，產水支流道27橫向邊框連通產水通孔28和產水腔22。

濃水通孔25的下部和原水通孔26的上部留有能夠連通濃水空間23的間隙。濃水通孔25疊加成濃水主流道20，產水通孔28疊加構成產水主流道，原水通孔26疊加成原水主流道18。當原水從原水主流道18流入時，自原水通孔26的間隙進入濃水空間23中，產水腔22中經過過濾膜24過濾后的產水經由產水支流道27匯集至產水主流道中通過產水出口15向外排出。留在濃水空間23中的濃水從濃水通孔25的間隙中溢出后匯集在濃水主流道20中通過濃水出口14向外排出。

過濾膜24在使用中常采用錯流過濾的方式，本發(fā)明為了消減濃差極化，防止表面大量污染物堆積減輕膜污染，在前端面壓板10和直列式膜板12原水主流道18濃水主流道20之間設置循環(huán)水路板17，其中的循環(huán)水路43將原水主流道18的入口與濃水主流道20的出口連通，以增加過濾膜24的表面流速。一般來說，表面流速過低就不能沖走堆積在過濾膜24表面的污染物；表面流速過高則能耗大，經濟性差，同時也可能會帶來過濾膜24的損傷，所以要把表面流速控制在一定范圍內。當增加循環(huán)水路43后，原水主流道18的入口流速和濃水主流道20的出口流速差別相對更小，更容易將過濾膜24的表面流速控制在需要的范圍內。

如圖1、圖2所示，現(xiàn)有技術中，前端面壓板上設置濃水出口2、產水出口3、原水入口1及電源接頭。其原水通過原水入口1進入膜組件內部，分別進過每片直列式膜板上的水流通道4分布到直列式膜板的過濾膜5表面，在壓力及電極6產生的介電電泳力的作用下，產水透過過濾膜5進入產水腔7，最終由產水出口3流出膜組件，濃縮后的廢水沿膜表面流動，經水流收集流道進入濃水出口2，經濃水出口流出膜組件。

連通原水入口1及水流通道4的原水主流道8的入口和濃水主流道9的出口在膜工作部分的流道截面積是相同的，如果產水率提高，那么濃水主流道9的出口的流動速度就會下降。如圖3所示，當原水主流道8的入口和濃水主流道9的出口截面積相同情況下，原水主流道8入水1m/s，產水率95％，則濃水主流道9的出口流速為1×(100％-95％)＝0.05m/s，原水主流道8的入口和濃水主流道9的出口流速比為20:1，即兩者流速差距20倍。假如需要提高濃水主流道9的出口最低流速至0.5m/s，使得污染物不沉積于內部，原水主流道8由于產水受工作壓力限制不能增加，這樣產水率就變成了65％，回收率將受到影響。

基于上述觀點，本發(fā)明的可實現(xiàn)自凈化的直列式膜堆，在原水主流道18的入口與濃水主流道20的出口之間設置循環(huán)水路43，使部分濃水流回至原水主流道18的入口側，那么可以有效改善上述問題。

如圖7所示，當控制總計50％的濃水從循環(huán)水路43流回原水主流道18加入循環(huán)，則原水主流道18中的流速變?yōu)?×(100％+50％)＝1.5m/s，較無循環(huán)情況增加了0.5倍，濃水主流道22的出口流速變?yōu)?×(50％+5％)＝0.55m/s，較無循環(huán)情況增加了10倍。則原水主流道18的入口與濃水主流道20的出口之間的流速比為1.5:0.55＝30:11≈3:1，兩者流速差距由20倍縮減至3倍，如果提高循環(huán)的流量則可 再減小其差距。這樣由于內部循環(huán)的作用使得膜表面流動速度有效增加，既可以增加流動速度又可以保證產水率不變。

當多個直列式膜堆并行布水的時候，由于不同位置的直列式膜堆的沿程損失不同，使得不同的直列式膜堆之間存在動壓差，因而每個直列式膜堆之間的流量也是不同的，這樣總體的布水也是不均勻的。而帶有循環(huán)水路43的直列式膜堆比一般的直列式膜堆原水入口更小，因而布水更均勻，我們進行如下假設：

a)有相同兩個直列式膜堆A和B并聯(lián)運行，兩堆為普通直列式膜堆時為狀態(tài)I，兩堆均采用循環(huán)水路43時為狀態(tài)II；

b)保持I、II狀態(tài)下A堆流量不變，即Q_AI＝Q_AII。

可以認為，上述假設下，系統(tǒng)帶來的兩個堆的動壓差P_A-P_B＝ΔP沒有發(fā)生變化，為簡化考慮，選用理想流體模型，采用伯努利方程中的動壓公式和流量公式Q＝Sv計算。其中，P為動壓，ρ為液體密度，Q為流量，v為流速，S為原水主流道8的入口截面積。則有如下推導：

Q_AI＝Q_AII＝S_AIv_AI＝Sv

直列式膜堆B的動壓：P_BI＝P_AI+ΔP＝P+ΔP

狀態(tài)I下的原水主流道入口界面面積為狀態(tài)II的n倍，則有：S_AI＝S_BI＝nS_AII＝nS_BII＝S

則狀態(tài)I與狀態(tài)II的直列式膜堆A和B之間流量差的比值為：

由此可見，兩個直列式膜堆之間的流量差則布水更均勻。

為了不需要在濃水主流道20的出口處另外設置壓力流量控制閥等能耗設備，也能夠實現(xiàn)使部分濃水進入循環(huán)水路43中加入循環(huán)，本實施例將原水入口13與原水主流道18的半徑比設為小于1:2，且優(yōu)選1:10。原水入口13與原水主流道18的連接方式包括：

1)如圖8所示，將原水主流道18向外部延伸，原水入口13與原水主流道18之間口徑的差29通過連接循環(huán)水路43來彌補，在連接部位形成自然過渡；

2)如圖9所示，將原水入口13插接在原水主流道18的中心處，原水入口13與原水主流道18之間的部分通過圓環(huán)端面密封連接，使水流不破壞原有循環(huán)狀態(tài)；上述設置可以保證在不發(fā)生額外能耗的前提下，實現(xiàn)水路自循環(huán)，降低設備運行成本；

3)原水入口13可設置為多入口結構，各入口的面積之和與原水主流道18的面積比不變，使進入原水入口13的水壓損失更少。

本實施例中，在過濾膜24之間垂直于水流方向設置電極組。電極組為鈑金電極組件30，在過濾膜24與鈑金電極組件30之間，還可設置導流布31。

鈑金電極組件30包括兩片分別連接交流電源不同輸出端的電極板；電極板為一體成型的鈑金件，包括多條平形排列的電極及同時連接所有電極的一條或一條以上邊線；兩電極板交錯疊放，使一電極板的電極置于另一電極板的兩相鄰電極之間的空間中，形成電極組；兩電極板之間相互絕緣，電極板通過前端面壓板上的電源插頭連接交流電源。其兩電極板表面可均設置絕緣材料，也可一個絕緣另一個為裸電極；當有一個電極板為裸電極時，該電極板應為耐腐蝕材料，或經過耐腐蝕處理。

如圖10所示，鈑金電極組件30的第一電極板中的第一電極32(涂黑色)設置在第二電極板的第二電極33(涂白色)之間的空檔，使第一電極32和第二電極33交錯排列，構成電極組；第一邊線和第二邊線分別連接交流電源的不同輸出端，第一邊線和第二邊線的形狀可以相同，也可以不同。

如圖11所示，當?shù)谝贿吘€和第二邊線分別接通交流電源的兩輸出端時，電極相對的棱線之間形成不均勻電場，介電電泳電極陣列中沿電極的長度方向產生條形體介電電泳力范圍分布形式。

如圖12所示，本實施例張的兩片電極板為立體柵形電極板34，該立體柵形電極板34由多條平行排列的電極35及連接該電極的兩端的兩條邊線36構成，電極35的兩端向同側方向彎折后，再分別連接兩條邊線。優(yōu)選的方式為：電極35的兩端向垂直于電極的方向彎折后，再向平行于電極35的方向彎折90°，形成階梯狀，使電極35的中部相對于兩端凸起。如圖13、14、15所示，當構成鈑金電極組件時，兩片立體柵形電極板34的邊線部分間隔疊放，兩片立體柵形電極板34的電極35之間相互交錯，形成電極組。由于電極35的兩端彎折，因此兩立體柵形電極板35的邊線36之間存在縫隙，能相互避讓自動絕緣。兩所述電極板的相對邊線之間設置固定件，將兩電極板固定為一體。

實施例2

如圖16所示，與實施例1的不同之處為：兩片電極板均為梳齒狀電極板37，該梳齒狀電極板37由多條平行排列的電極38及共同連接該電極38一端的一條邊線39構成，多條平行排列的電極38的另一端為自由端。當構成鈑金電極組件時，兩片梳齒狀電極板37交錯放置，兩片梳齒狀電極板37的電極38之間左右間隔對應，形成電極組。如圖17所示，當兩片電極板交疊構成鈑金電極組件結構時，第一梳齒狀電極板的電極38從第二梳齒狀電極板的電極之間插入，形成電極組。這樣可以防止兩片電極板在疊加時邊線36相接觸，產生干涉。梳齒狀電極板37的外表面可均設置絕緣層，也可一個絕緣另一個為裸電極板；當有一個梳齒狀電極板37為裸電極板時，該梳齒狀電極板37應為耐腐蝕材料，或經過耐腐蝕處理。

實施例3

如圖18所示，與實施例1不同之處為：兩片電極板為柵形電極板40，該柵形電極板40由多條平行排列的電極41及連接該電極的兩端的兩條邊線42構成。兩 片柵形電極40板間隔疊放，形成電極組。兩片柵形電極板40的邊線42之間采用絕緣片進行間隔疊放。當兩片柵形電極板40交疊構成鈑金電極組件結構時，在兩柵形電極板40的邊線42之間設置絕緣片，可避免柵形電極板40的邊線42相接觸，由于電極40的兩端均通過邊線42連接在一起，因此電極41在安裝時位置相對固定，不需要后期調整。

本發(fā)明中的鈑金電極組件中兩電極板分別連接交流電源的一個輸出端與另一個輸出端，且優(yōu)選兩輸出端之間的相位相差180°。當交流電源輸入的頻率不同時，產生正介電電泳效應或負介電電泳效應。含塵氣流沿垂直于電極軸線方向進入四邊形電極組區(qū)域，當經過交流電場覆蓋范圍時，其中的顆粒物受到介電電泳力的作用向電場強度大的方向移動，聚集于電極棱邊處，當介電電泳力大于斯托克斯力時(顆粒物在低速流體中主要受力為粘滯阻力)，顆粒得以捕獲在電極形成的電場范圍內。且當顆粒濃度足夠大時，電極周圍的顆粒由于碰撞以及“鏈”效應凝聚成較大顆粒并沉降下來。這樣就可以分離出氣體或流體中的顆粒，并將它們收集起來。

盡管為說明目的公開了本發(fā)明的實施例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權利要求的精神和范圍內，各種替換、變化和修改都是可能的，因此，本發(fā)明的范圍不局限于實施例和附圖所公開的內容。