專利名稱：調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及過濾技術，特別是調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)。
背景技術：
膜分離具有效率高，耗能低，操作簡便，環(huán)境友好等優(yōu)點，在重要制劑中呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢和廣闊的應用前景，膜分離與其它常規(guī)的分離技術相比，膜分離具有一定的技術優(yōu)勢，但是膜分離也存在一些問題至今未能很好的得到解決，主要表現(xiàn)在分離膜抗污染能力差，通量衰減嚴重，膜污染和劣化嚴重，這些問題成了推廣應用的瓶頸[姜忠義，膜技術在中藥有效部位和有效成分提取分離中的應用，離子交換樹脂，2002，18(3)]。
Jackson認為超濾過程中操作壓力，溫度，物料流速和物料濃度等對超濾過程中的膜污染有突出的影響，而流速的影響最為明顯，實驗證明在膜表面進料速度或剪切強度對通量的下降是十分重要的，Belfort認為應盡可能使料液在膜表面能均勻分布且接近湍流[杜啟云，超濾技術在中藥制劑中應用現(xiàn)狀與展望，天津紡織工學院學報，1996，15(4)]。
膜堵塞，通量銳減是阻礙推廣應用最大障礙，適合于中藥體系超濾用的超濾設備及操作工藝有待進一步研究和發(fā)展[歐興長，中藥制劑工藝超濾法應用進展和問題，水處理技術，1999，25(3)]。
為了解決膜通量和抗污染問題膜科學研究采用了許多方法加于研究，研究發(fā)現(xiàn)膜分離法中用超濾膜分離高分子物質時，膜的透過流束和純水透過流束相比會顯著降低，這主要是膜分離中的濃度極化現(xiàn)象引起的，膜分離時溶質被膜截留于膜表面和積蓄在膜表面的附近，靠近膜表面的液體濃度明顯高于原液濃度，這種現(xiàn)象稱為濃度極化，膜表面上的液體濃度Cm的大小可用濃度極化式計算Ln=Cm-CpCb-Cp=JR]]>式中Cm-膜表面上液體濃度，mol/m3；Cp-透過膜的流束濃度，mol/m3；Cb-被分離原液體濃度，mol/m3；J-膜透過流束，ms/m2.s；濃度極化和膜透過流束與浸透模式和凝膠層模式有關，在浸透模式下一般溶質的截留率接近100％時膜透過流束可用下式計算J＝Lp(Δp-π.Cm)Lp-純水透過系數(shù)cm3/m2.s.pa(是指膜本身的固定值)；Δp-操作壓力pa；π.Cm-膜面上的勁頭壓pa；凝膠模式下，高分子濃度在超過某一濃度時而形成凝膠狀態(tài)，這一濃度稱為凝膠極化濃度Cg(是物質本身性質決定)，濃度極化式中Cm用Cg代替時(凝膠層形成時Cp幾乎為零)根據這些條件可用下式表述
J=klnCg-CpCb-Cp=klnCgCb]]>當膜表層形成凝膠層時，凝膠層產生流束透過阻力Rg，從而透過流束降低，此時透過流束與Rg的關系為J=ΔpRm+Rg]]>式中Rm-膜的透過阻力，數(shù)值為Lp的導數(shù)；K-膜近傍的物質移動系數(shù)，m/s，mol/m3；K表示積蓄在膜表面的溶質在滲透壓的作用下，向原液中擴散的難易程度，K值越大，溶質越易于擴散，Cm也越小，在超濾法分離高分子物質時，高分子物質擴散速度極小，所于一般K值很小，Cm較大，Cm可高達Cb值的10倍，從而產生濃度極化現(xiàn)象。
由公式可知Cm由R值的大小而決定，因R的大小由膜附近的液體的攪拌狀態(tài)決定，所以通常增加攪拌可增加溶液的流動性，從而使R值增大，Cm值減小，中尾真一采用管式膜管內振動法達到增加膜透過流束的效果，該裝置應用在牛奶的濃縮中同一膜組件的過濾流束提高8倍[中尾真一，低周波振動濾過法の原理とゐ用，日本食品機械裝置，1996(2)79～85]。
為了提高超濾操作的效率，人們采用了許多不同的方法，在控制膜污染方面，主要措施有料液的預處理、選用改性膜、膜清洗和改變操作條件等[時鈞，袁權，高從楷編.膜技術手冊.北京化學工業(yè)出17版社，2001.171-177]，還有采用其它技術方案如采用脈沖電場的電超濾技術[Tarleton E S，Wakeman RJ.Fil.&Sep.，1992，29(5)425-432]。
使用不穩(wěn)態(tài)流[Maranges C，F(xiàn)onade C.J.Membr.Sci.，1977，2(1)35～41]，在膜管內裝設湍流促進器(如ABCORG公司的產品、RAYPAK公司的產品、KENICS公司的產品在管式膜內安裝螺旋導流板)脈沖流[Najarian S，Bellhouse B J.J.Membr.Sci.，1996，114(2)245-253]在過濾流程系統(tǒng)中串入脈動活塞，由于脈動活塞的脈沖運動干涉使過濾流體呈脈沖效應流型，實驗表明脈沖發(fā)生裝置所需增加50％的動力換來提高75％的的過濾效率，其經濟意義是顯著的[王湛，膜分離技術與基礎，化學工業(yè)出版社，北京，2000，115～117]。[Finnigam S M，Howell J A.Chem.Eng.Res.Des.1989，67(3)278-282]。
采用載氣技術方案的氣液混合流[Cui Z F，Wright K IT.J.Membr.Sci.，1994，90(2)83_189]等技術均取得一定的研究成果。
超聲波強化超濾的應用研究超聲波在分離科學中的應用則是一個相對較新的研究領域，有研究表明，超聲波可用于透析操作中擴散速度的提高[Floros J D，Liang.Foodtechnol，1994，48(12)124-131]有效地提高多孔介質中流體的流速[M uralidhara H S，Senepati N，Ensminger D，etal.Filtr.Sep.，1986，23(6)351-353]并可作為微濾操作的輔助強化手段以提高滲透通量[Felix M P，Ellir A T.Appl Phys Lett，1971，19(11)484-487]于是利用超聲波強化超濾作為一種有效且具有潛力的分離方法，已成為近階段的一個研究熱點；超聲波的作用可歸納為以下幾個方面(1)加熱作用介質總體溫度的上升是由于吸收聲波。
(2)結構影響當流體放置于高強聲場中時，動力攪拌和剪切應力將影響其結構特性。
(3)壓縮和松弛作用當高強聲能波通過固體介質時，將會出現(xiàn)快速的壓縮和松弛作用。
(3)聲沖流高強的超聲波在液/固和氣/固界面能引起比較強烈的流，稱為“聲沖流”。
(4)空化作用在超聲波壓力場內，空化氣泡的形成、增長和劇烈破裂以及由此引發(fā)的一系列理化效應[Ensm ingerD.UltrasonicsFoundam entals.Tech-nology，Applycations，2nded，M arcel Dekker，New York，1988，184-204]。
一般認為，超聲波強化超濾的是基于以下幾方面的機理(1)聲沖流能產生類似機械攪拌的作用，超聲波功率愈高，聲沖流愈強，而由此導致的攪拌作用也愈強。這種攪拌作用一方面可減緩膜表面沉積層的形成速度，另一方面又對已經形成的膜表面沉積層有沖洗和破壞作用，使其重新分散于料液中。
(2)存在于料液中的微氣泡(空化核)在聲場的作用下振動，當聲壓達到一定值時，氣泡將迅速變大，然后突然閉合，由此產生瞬時高壓和沖擊波。由于存在跨膜壓力差和液體自重，空化氣泡的閉合后，可形成一個指向膜表面的射流，噴射速度可達到1000m/s[Felix M P，Ellir A T.Appl Phys Lett，1971，19(11)484-487]。這種效應與高壓噴射的效應相類似，能對膜表面產生巨大的沖擊作用，顯著減少膜的邊界層的厚度，并提高溶液的滲透通量，但過強的作用又可能損傷超濾膜。
(3)存在于膜孔內及膜與表面沉積層之間的縫隙內的微氣泡，在聲場的作用下振動和突然閉合，可直接擊碎沉積層。溶液的滲透通量也因此得以提高，綜上分析，可見聲沖流和空化作用在超聲波強化超濾中起到主要作用。
超聲波對超濾的強化的研究，目前仍停留在探索階段，一方面，超聲波確可破壞邊界層，減輕濃差極化現(xiàn)象，因而大大強化超濾過程，使透過通量顯著提高；另一方面，超聲波對膜和高分子溶質本身可能會帶來破壞，研究發(fā)現(xiàn)若將超聲波探頭直接放置于溶液中，可導致葡聚糖的降解；若將相同功率的超聲波探頭放置于超濾裝置外壁，使超聲波穿過外壁輻射到超濾組件中的葡聚糖溶液，則葡聚糖分子量幾乎不變，這可能是由于超濾組件的不銹鋼和塑料材料對超聲波有一定掩蔽作用，使超聲波實際作用強度有所下降[Xi jun Chai，Takaomi Kobayashi，Nobuyuki Fujii.J.Membr.Sci.1998，148(1)129-135].因而，為了獲得安全和高效的超聲強化超濾方法，大量的基礎性研究工作仍有待進一步開展。
發(fā)明內容
本發(fā)明的任務是要提供一種克服濃度極化，減輕膜堵塞提高透過量的調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的根據膜濾系統(tǒng)是由壓力推動工作的，膜系統(tǒng)的壓力推動通常由液體泵的輸送壓力決定，由于膜透過溶液總是需要保持一定的壓力差(微濾推動壓力差為100kpa，超濾推動壓力差為100～1000kpa，納濾推動壓力差為500～1500kpa，反滲透推動壓力差為1000～10000kpa，氣體分離膜推動壓力差為1000～10000kpa)，造成液體泵的輸送的液體在膜腔內滯流，滯流現(xiàn)象加劇了溶質在膜層表面沉積和堵塞，由于滯流現(xiàn)象加劇了膜層表面沉積，溶質被膜截留于膜表面和積蓄在膜表面的附近，靠近膜表面的液體濃度明顯高于原液濃度，這種現(xiàn)象又加劇了濃度極化的趨勢，克服溶質在膜層表面沉積和提高R值，降低Cm，改善濃度極化，從而達到提高膜濾效率。實現(xiàn)提高R值的目的是通過采用交替壓縮的方式，使流體泵泵出至膜腔的溶液出現(xiàn)交替的湍流流型，壓縮的頻率和壓縮的幅寬可以調節(jié)，在實際使用中通過調節(jié)壓縮頻率和調節(jié)壓縮幅寬達到最佳透過流束，湍流流型對沉積物的剪切作用減輕了膜層表面沉積起到減輕膜污染的作用，達到提高使用壽命的效果。
以下結合附圖作進一步詳細說明附
圖1是本發(fā)明調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)單級切向流膜濾系統(tǒng)示意圖；附圖2是本發(fā)明調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)單級切向流膜濾系統(tǒng)示意圖；附圖3是本發(fā)明調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)單級切向流膜濾系統(tǒng)示意圖；附圖4是本發(fā)明調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)多級串聯(lián)膜濾系統(tǒng)示意圖；附圖5是本發(fā)明調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)多級并聯(lián)膜濾系統(tǒng)示意圖；附圖6是本發(fā)明調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)直線電機驅動調頻調幅壓縮裝置結構示意圖；附圖7是本發(fā)明調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)曲柄連桿驅動調頻調幅壓縮裝置結構示意圖；附圖8是本發(fā)明調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)單級死端式膜濾系統(tǒng)示意圖；附圖9是本發(fā)明調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)活塞隔膜驅動調頻調幅壓縮裝置結構示意圖；實施例1參照附圖1，濾膜(1)安裝在外殼(2)管內，濾膜(1)的一端是連接管(6)軸向與波紋管(7)連接，波紋管(7)連接直線電機(8)，連接管(6)徑向與泵(5)連接，濾膜(1)的另一端與濃液閥門(4)連接，外殼(2)的徑向連接透過液閥門(3)，當泵(5)向濾膜(1)泵液時直線電機(8)同步工作，直線電機(8)的軸向往復運動驅動波紋管(7)軸向伸縮運動，波紋管(7)與濾膜(1)內腔相通，濾膜(1)內腔的液體被波紋管(7)軸向伸縮運動壓縮，液體被壓縮的作用形成與壓縮頻率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到攪拌效應，攪拌效應提高了R值，降低Cm達到了提高膜濾效率，不同的過濾物質可以通過調節(jié)直線電機(8)的頻率和調節(jié)直線電機(8)軸的步長(調幅)以達到最佳的透過流束。
實施例2參照附圖2，濾膜(1)安裝在外殼(2)管內，濾膜(1)的一端是連接管(6)軸向與波紋管(7)連接，波紋管(7)與連桿(8b)連接，連桿(8b)與搖桿(9b)連接，原動力驅動的曲柄(10b)拉動搖桿(9b)隨曲柄(10b)圓周運動作擺幅運動拉動連桿(8b)作軸向運動，連桿(8b)作軸向運動驅動波紋管(7)軸向伸縮運動，波紋管(7)與濾膜(1)內腔相通，連接管(6)徑向與泵(5)連接，濾膜(1)的另一端與濃液閥門(4)連接，外殼(2)的徑向連接透過液閥門(3)，當泵(5)向濾膜(1)泵液時，濾膜(1)內腔的液體被波紋管(7)軸向伸縮運動壓縮，液體被壓縮的作用形成與壓縮頻率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到攪拌效應，攪拌效應提高了R值，降低Cm達到了提高膜濾效率，不同的過濾物質可以通過調節(jié)驅動曲柄(10b)的頻率和調節(jié)搖桿(9b)對曲柄(10b)中心距(調幅)以達到最佳的透過流束。
實施例3參照附圖3，濾膜(1)安裝在外殼(2)管內，濾膜(1)的一端是連接管(6)，連接管(6)管內安裝高分子隔膜(7a)，連接管(6)被高分子隔膜(7a)隔斷的另一端是液腔(8a)，液腔(8a)與活塞套(9a)連接，活塞套(9a)內的活塞(10a)由往復運動機構(11a)驅動，當活塞(10a)受往復運動機構(11a)驅動時，活塞(10a)壓縮液腔(8a)的液體，液腔(8a)的液體受壓隔膜(7a)在液體壓力作用產生變形，變形的隔膜(7a)壓縮與隔膜(7a)相隔的需過濾的溶液，連接管(6)徑向與泵(5)連接，濾膜(1)的另一端與濃液閥門(4)連接，外殼(2)的徑向連接透過液閥門(3)，當泵(5)向濾膜(1)泵液時，濾膜(1)內腔的液體被高分子隔膜(7a)在連接管(6)管內軸向變形運動壓縮，液體被隔膜(7a)壓縮的作用形成與壓縮頻率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到攪拌效應，攪拌效應提高了R值，降低Cm達到了提高膜濾效率，不同的過濾物質可以通過調節(jié)往復運動機構(11a)的頻率和調節(jié)活塞(10a)的行程長度(調幅)以達到最佳的透過流束。
實施例4參照附圖4、附圖6、附圖7、附圖9，儲液罐(11)與串聯(lián)的n級濾膜(12)之間連接泵(5)，泵(5)與第1級濾膜(12)之間的管路安裝由波紋管(7)直線電機(8)組成的調頻調幅湍流發(fā)生器(13)，第2級濾膜(12)與第1級濾膜(12)之間的管路安裝調頻調幅湍流發(fā)生器(13)，第3級濾膜(12)與第2級濾膜(12)之間的管路安裝調頻調幅湍流發(fā)生器(13)，串聯(lián)的n級濾膜(12)之間的管路安裝調頻調幅湍流發(fā)生器(13)，泵(5)工作時，泵出的溶液在泵(5)與濾膜(12)之間和n級濾膜(12)之間的調頻調幅湍流發(fā)生器(13)壓縮的作用形成與壓縮頻率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到攪拌效應，攪拌效應提高了R值，降低Cm達到了提高膜濾效率，不同的過濾物質可以通過調節(jié)往復運動機構(11a)的頻率和調節(jié)活塞(10a)的行程長度(調幅)以達到最佳的透過流束，濃縮液(xc)從濾膜(12)前端流出，濾過液(yc)從濾膜(12)前端的后端流出。
實施例5參照附圖5、附圖6、附圖7、附圖9，儲液罐(11)與并聯(lián)的濾膜(12)之間連接泵(5)，濾膜(12)與泵(5)之間管路安裝調頻調幅湍流發(fā)生器(13)，濾膜(12)與下級濾膜(12)之間管路安裝調頻調幅湍流發(fā)生器(13)，泵(5)工作時，泵出的溶液在泵(5)與濾膜(12)之間和n級濾膜(12)之間的調頻調幅湍流發(fā)生器(13)壓縮的作用形成與壓縮頻率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到攪拌效應，攪拌效應提高了R值，降低Cm達到了提高膜濾效率，不同的過濾物質可以通過調節(jié)往復運動機構(11a)的頻率和調節(jié)活塞(10a)的行程長度(調幅)以達到最佳的透過流束，濃縮液(xc)從濾膜(12)前端流出，濾過液(yc)從濾膜(12)前端的后端流出。
參照附圖7，調頻調幅湍流發(fā)生器(13)還可以由波紋管(7)與連桿(8b)連接，連桿(8b)與搖桿(9b)連接，原動力驅動的曲柄(10b)與搖桿(9b)連接組成，原動力驅動的曲柄(10b)拉動搖桿(9b)隨曲柄(10b)圓周運動作擺幅運動拉動連桿(8b)作軸向運動，連桿(8b)作軸向運動驅動波紋管(7)軸向伸縮運動，波紋管(7)軸向伸縮運動壓縮溶液，使溶液形成與波紋管(7)壓縮頻率同步的一浪一浪的湍流，調節(jié)原動力機的轉速可達到調節(jié)壓縮頻率，調節(jié)搖桿(9b)對曲柄(10b)的圓心距離可達到調幅功能。
參照附圖9，調頻調幅湍流發(fā)生器(13)還可以由連接管(6)管內安裝高分子隔膜(7a)，連接管(6)被高分子隔膜(7a)隔斷的另一端是液腔(8a)，液腔(8a)與活塞套(9a)連接，活塞套(9a)內的活塞(10a)與往復運動機構(11a)連接組成，活塞(10a)由往復運動機構(11a)驅動，當活塞(10a)受往復運動機構(11a)驅動時，活塞(10a)壓縮液腔(8a)的液體，液腔(8a)的液體受壓隔膜(7a)受液體壓力作用產生變形，變形的隔膜(7a)壓縮與隔膜(7a)相隔的連接管(6)內的需過濾的溶液，使溶液形成與隔膜(7a)變形壓縮頻率同步的一浪一浪的湍流，調節(jié)往復運動機構(11a)的工作頻率可以調節(jié)活塞(10a)壓縮頻率，調節(jié)活塞(10a)的行程可以調節(jié)壓縮時間幅寬。
實施例6參照附圖8，濾膜(1)安裝在外殼(2)管內，外殼(2)的一端是連接管(6)軸向與波紋管(7)連接，波紋管(7)連接直線電機(8)，連接管(6)徑向與泵(5)連接，外殼(2)的另一端與反沖清洗閥門(4)連接，外殼(2)的軸向連接透過液閥門(3)，當泵(5)向濾膜(1)外周、外殼(2)內泵液時直線電機(8)同步工作，直線電機(8)的軸向往復運動驅動波紋管(7)軸向伸縮運動，波紋管(7)與濾膜(1)內腔相通，濾膜(1)內腔的液體被波紋管(7)軸向伸縮運動壓縮，液體被壓縮的作用形成與壓縮頻率同步的一浪一浪的湍流，一浪一浪的湍流起到攪拌效應，攪拌效應提高了R值，降低Cm達到了提高膜濾效率，不同的過濾物質可以通過調節(jié)直線電機(8)的頻率和調節(jié)直線電機(8)軸的步長(調幅)以達到最佳的透過流束。
本發(fā)明技術方案與ABCORG公司的產品和RAYPAK公司的產品在膜管內裝設湍流促進器相比結構更為簡單，湍流流型可調性范圍寬，系統(tǒng)清洗性能更好。
本發(fā)明技術方案與KENICS公司的產品在管式膜內安裝螺旋導流板相比溶液的攪拌效應更為顯著，湍流流型與螺旋流型相比湍流流型對沉積在膜面上的積層物剪切效應更強。
本發(fā)明技術方案與中尾真一采用管式膜管內振動法技術方案相比振動的膜管易造成材質疲勞性損傷，導致濾過性能改變，而本技術方案克服了上述問題。
本發(fā)明技術方案與超聲強化超濾方法相比避免了超聲波對膜和高分子溶質本身帶來破壞，避免了超聲波的熱效應給溶液中物質的破壞。
本發(fā)明技術方案與Torray公司生產的載氣促透PEC1000海水淡化用復合膜相比，克服了載氣特別是含氧氣體產生溶解氧對膜材質的改變。
權利要求
1.一種調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)由濾膜(1)外殼(2)、連接管(6)、波紋管(7)、直線電機(8)、泵(5)清洗閥門(4)、透過液閥門(3)等組成其特征在于直線電機(8)連接的波紋管(7)的一端與連接管(6)連接。
2.按權利要求1所述的調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)其特征在于管內有濾膜(1)的外殼(2)與連接管(6)連接。
3.按權利要求1所述的調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)其特征在于連接管(6)連接的波紋管(7)的一端與曲柄(10b)連接的搖桿(9b)所連接的連桿(8b)連接。
4.按權利要求1所述的調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)其特征在于連接管(6)被高分子隔膜(7a)隔斷的另一端是液腔(8a)。
5.按權利要求4所述的調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)其特征在于液腔(8a)與活塞(10a)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種調頻調幅湍流式膜濾系統(tǒng)由濾膜、外殼、連接管、波紋管、直線電機、泵、清洗閥門、透過液閥門等組成，直線電機直線運動作功驅動波紋管伸縮運動、由于波紋管與連接管腔內連通，連接管腔內與濾膜溶液腔連通，波紋管伸縮運動對濾膜溶液腔內溶液作壓縮運動，壓縮運動使濾膜的流動溶液形成湍流，波紋管伸縮運動可以通過調節(jié)頻率、調節(jié)運動幅寬，使湍流流型調節(jié)至最佳攪拌效應，以達到最佳的透過流束，提高膜濾效率。
文檔編號B01D65/08GK1879949SQ20051007849
公開日2006年12月20日 申請日期2005年6月18日 優(yōu)先權日2005年6月18日
發(fā)明者鄧梁 申請人:鄧梁