專利名稱：用仿生螺旋膜進行高通量、低污染膜分離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于膜分離技術(shù)領(lǐng)域。涉及到用仿生螺旋膜進行高通量、低污染膜分離的
方法。具體涉及到利用簡單易行的仿生螺旋膜結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)的流體流場分布和膜面相 互作用和擾動方式，提高膜組件對水、氣等流體擾動的敏感性，產(chǎn)生膜的振動搖擺，降低膜 分離中的濃差極化現(xiàn)象，降低膜污染，提高膜分離效率和通量。降低膜分離能耗。
背景技術(shù)：
膜分離過程是一種高效的分離操作，近年來在很多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。制約 膜分離操作進一步提高效率的瓶頸問題是膜的污染問題。是目前膜分離技術(shù)須解決的前沿 核心問題。這是因為隨著過濾的進行，不可避免形成膜一測的濃差極化現(xiàn)象，這不利于分離 傳質(zhì)，并導(dǎo)致膜的污染，提高分離的阻力，降低滲透(過濾)通量。為此，經(jīng)常采用攪拌、曝 氣等方式來降低濃差極化現(xiàn)象，增加了過程的能量消耗。經(jīng)常性的反洗和化學(xué)清洗，使得操 作復(fù)雜，能耗、成本上升。 膜組件的形式一般有管式膜(如中空纖維)、巻式膜和平板膜。其中巻式膜和中 空纖維膜，裝填密度大，組件占地面積省。但是中空纖維膜容易纏繞斷絲。而平板膜結(jié)構(gòu)僵 硬，不利于利用曝氣和水流擾動減輕膜污染。 為減緩平板過濾分離中的膜污染，人們研究了 (1)分離過程的流場和氣泡與膜的 碰撞作用，并研制出了梯形膜，以充分利用曝氣氣泡的沖刷作用(楊鳳林，葉茂盛李波等， 中國發(fā)明專利；一種增強曝氣抗污染作用的梯形平板膜生物反應(yīng)器)也可以改變曝氣氣流 的強度和頻率等。以節(jié)約曝氣過程的能量消耗，該能耗通常占到膜法水處理能耗的三分之 一。該方法降低了膜填充密度。膜結(jié)構(gòu)仍然僵硬。不利于利用流場擾動作用。
(2)添加懸浮填料，如有機材料、活性炭或者有機無機復(fù)合填料，形成動態(tài)膜， 控制膜污染，來減緩和抑制膜通量下降，這通常用于平板膜.(P Bai，X Chen，J Wang， Development of high flux， low air scoured and less backwashedDynamic filter to realize low cost membrane bioreactor—a pilot scaledemonstration in sewage treatment. ，5th IWA specialised membrane technologyconference for water and wastewater treatment. IWA Membrane conference andexhibition，2009 Beijing. Abstract Book, ID074)這種方法增加了材料消耗。 (3)研究新型抗污染膜材料，如抑菌/并提高親水性，減少污染物的吸附和沉 積；錨定/設(shè)計表面梳狀分子結(jié)構(gòu)的材料；增加表面負電荷；該方法側(cè)重化學(xué)反應(yīng)和材料 改性(Fangang Meng， So-Ryong Chae， Anja Drews， Matthias Kraume， Hang-Sik Shin， Fenglin Yang， Recent advances in membrane bioreactors(MBRs) :Membrane fouling and membrane material, Water Research, Volume 43， Issue 6，April 2009，1489-1512)
這種方法同樣增加了化學(xué)處理材料成本和消耗。 (4)優(yōu)化膜分離操作條件，調(diào)節(jié)污泥顆粒大小，如向水中投加陽離子聚合物或者 離子，改變污泥、生物大分子，特別是EPS的性狀(顆?；?，減少向膜表面吸附和沉積(B，Siembida，P Cornel，S Krause，B Zimmerman,Studies on foulingand its prevention in MBR. 5th IWA specialised membrane technology conference forwater and wastewater treatment. IWA Membrane conference and exhibition, 2009Beijing. Abstract Book, ID584.)這種方法操作調(diào)節(jié)復(fù)雜，不能根據(jù)具體情況而變化，費時且不易掌握。
(5)外加電場、磁場、機械能場(振動)、超聲等來減緩膜污染，這里有能量消 耗的再分配問題和經(jīng)濟性問題需要考慮(Michel Y. Taffrin, Dynamicshear-enhanced membrane filtration :A review of rotating disks,rotating membranesand vibrating systems, Journal of Membrane Science, Volume 324， Issues 1-2，310ctober 2008， 7-25)。這些方法都增加了能量消耗。 大自然的過程往往更加高效。針對上述問題，仿生原理和仿生學(xué)得到了研究和應(yīng) 用。我們利用蛋白質(zhì)和DNA螺旋結(jié)構(gòu)，利用仿生原理，設(shè)計了螺旋結(jié)構(gòu)膜組件。研究表明其 具有對氣流和水流的擾動更敏感的特性，可以提高膜分離的通量，降低膜污染。利用材料本 身的彈性和結(jié)構(gòu)回復(fù)力，在水中對氣流、水流擾動的響應(yīng)，產(chǎn)生水平方向和垂直方向搖動， 解決膜組件結(jié)構(gòu)僵硬的問題，增大填充面積，降低污染，增加通量，節(jié)能降耗，目前此種膜分 離器尚沒有其他研究報道。這仿生化的設(shè)計，獲得優(yōu)異的膜分離和運行性能，提高水處理技 術(shù)水平。該技術(shù)和產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了降低膜污染和膜分離能耗，提高膜分離效率，目的是利用簡單易行，不
增加膜分離過程的材料消耗和能量消耗前提下、使膜組件結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，仿照生物螺旋結(jié) 構(gòu)，制備螺旋結(jié)構(gòu)膜組件的方法，來改變膜分離中流體流場分布、膜面的分布方式和流體流 場與膜面的相互作用方式，充分利用膜分離過程的流體流場的擾動作用，強化傳質(zhì)，減輕膜 污染，提高分離效率。也提高膜組件對水、氣等流體擾動的敏感性，使膜產(chǎn)生振動搖擺，降低 膜分離中的濃差極化現(xiàn)象，降低膜污染，提高膜分離效率和通量。 本發(fā)明的技術(shù)方案是利用仿生原理，仿照蛋白質(zhì)和DNA螺旋結(jié)構(gòu)，利用外部固定
方法和內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)形狀保持方法，使平板膜和類平板膜的中空纖維組件均產(chǎn)生空間上的
仿照螺旋結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，成為仿生螺旋膜組件。利用具有仿生類螺旋支撐材料的結(jié)構(gòu)，通過外
部固定、內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)形狀保持、或者外部固定加內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)保持兩種方法共同使用的
辦法，維持膜組件的仿生螺旋結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)的平板膜、中空纖維膜組件中膜分離
中流體流場分布、膜面分布和膜與流場相互作用方式，充分利用膜分離過程中流場的擾動
作用強化膜分離傳質(zhì)。原因包括膜組件對氣流、水流擾動而產(chǎn)生響應(yīng)性的膜的擾動，如不同
程度的水平或垂直或三維坐標(biāo)中不同方向的振動搖動，這解決了平板膜結(jié)構(gòu)僵硬的問題，
也提高了中空纖維膜組件對流場擾動的響應(yīng)，充分利用流體的擾動作用，降低污染，增加通
量，節(jié)能降耗。研究表明這種結(jié)構(gòu)的膜組件可以提高膜分離的通量，降低膜污染。這仿生化
的設(shè)計，在不增加膜分離過程材料消耗和能量消耗前提下，獲得優(yōu)異的膜分離和運行性能，
提高膜分離效率。特別適用于提高水處理中膜分離操作的效率和技術(shù)水平。該技術(shù)和產(chǎn)品
具有廣泛的應(yīng)用前景。 本發(fā)明的實施步驟如下 1.將平板膜組件的細長條狀支撐骨架結(jié)構(gòu)，制成類魚骨結(jié)構(gòu)或者兩測梳齒狀結(jié)構(gòu)，具有長條齒狀特征，和外面連接了出水管的四周密封的平板膜分離材料一起，按照螺旋 結(jié)構(gòu)特點進行仿螺旋扭曲和旋轉(zhuǎn)，利用外部固定或者內(nèi)部支撐材料結(jié)構(gòu)保持膜組件的仿生 類螺旋特點和形狀，或者外部固定與內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)形狀保持相結(jié)合的方法，外部固定膜組 件的一端或兩端，形成和保持仿生螺旋膜組件的結(jié)構(gòu)特點。該仿生螺旋平板膜有利于充分 利用流場擾動作用，強化膜分離傳質(zhì)作用，也具有對流體擾動如氣流沖刷作用更敏感的特 點，擾動下膜產(chǎn)生不同方向的振動或搖擺。在膜分離中起到減少污染物沉積、降低濃差極化 作用，具有高的傳質(zhì)分離效率。 2.對于平行擺列的中空纖維膜束，將其膜束兩端固定，對中空纖維束，每隔一定距 離如4-10厘米，用表面光滑柔軟的纖維或中空纖維，以類似編織方式，保持絲束間相對平 行，將排列的膜束按照與平板膜類似的仿生螺旋方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，保持并固定該組件螺旋結(jié) 構(gòu)。避免膜絲之間的纏繞。該仿生螺旋中空纖維膜組件具有對流體擾動如氣流沖刷作用更 敏感的特點，充分利用流場中流體如氣流水流的擾動，強化傳質(zhì)，在膜分離中，因擾動使膜 產(chǎn)生三維空間上不同方向的振動搖擺，起到減少污染物沉積、降低濃差極化，提高的傳質(zhì)分 離效率的作用。 本發(fā)明的效果和益處是仿生螺旋膜組件，提供了改變平板膜和傳統(tǒng)分散或平行的 中空纖維膜組件的膜表面和附近流場的相互作用，增加了膜分離過程流場對膜的擾動作 用，降低膜污染，它對流體如氣流和水流擾動更敏感，利用流體擾動，使膜發(fā)生振動搖擺，強 化傳質(zhì)，在不增加能耗和材料消耗的條件下，有效降低濃差極化現(xiàn)象，減少膜污染的形成速 度，提高傳質(zhì)和分離效率，保持較高的通量。是一種應(yīng)優(yōu)先采用的降低膜污染、提高膜分離 效率的技術(shù)。


圖1是膜件和螺旋扭曲旋轉(zhuǎn)膜件示意圖。 其中左側(cè)為平行排列的中空纖維或者平板膜示意圖，右側(cè)為仿生螺旋膜組件局部 扭曲旋轉(zhuǎn)示意圖。
圖2是膜分離通量隨時間的衰減情況示意圖。 縱坐標(biāo)為通量衰減情況J/Jo，其中J為不同過濾時間的通量Jo為初始通量。橫 坐標(biāo)為過濾時間，t單位分鐘。圓圈符號參表示旋轉(zhuǎn)和扭曲使膜件上緣邊線與下緣邊線的 角度為180度，左右反向平行。三角符號A表示旋轉(zhuǎn)和扭曲使膜件上緣邊線與下緣邊線的 角度為90度。四方符號B表示不經(jīng)旋轉(zhuǎn)或扭曲平板膜組件上緣邊線與下緣邊線的角度為
0度，左右同向平行。
具體實施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。
實施例1 將一條平板塑料墊，兩側(cè)剪成類魚剌狀或者兩面梳齒狀支撐結(jié)構(gòu)，有較大自由扭 曲度，表面外罩微濾或超濾膜分離材料，并密封，流出水管。將不同長寬比如5 : l的平板 膜，螺旋扭曲使膜組件上緣與下緣的相對角度成90度，并經(jīng)外部固定于膜分離裝置中。該 膜組件也可利用熱變形作用，將支撐塑料旋轉(zhuǎn)呈仿生螺旋結(jié)構(gòu)，加熱保持形狀，冷卻后固定形狀。膜組件出水管可連接真空壓力表、抽吸泵，膜分離裝置底部設(shè)有可控制氣體流量的曝 氣裝置，加入有高嶺土配置的模擬顆粒物懸濁液。在跨膜壓差3. 5kPa下測定出水的濁度和流量。 結(jié)果表明過濾出水5分鐘后濁度下降90%，20分鐘穩(wěn)定在99%。與一般非扭
曲螺旋的平板膜相比，其通量衰減比較慢，較長一段過濾時間內(nèi)，其通量高出普通平板膜 15-36 %，通量衰減J/J0比普通平板膜高15-18%。 該仿生螺旋膜件上形成的動態(tài)膜及濾餅層濕重比普通平板膜少，但是濁度去除更 快。說明動態(tài)膜形成快，過濾性能好。
實施例2 將與實施例1相同方法制備的仿生螺旋膜組件，其上緣于下緣的角度成180度。在 相同的裝置和條件下，其通量也比普通平板膜高，一段時間里高出15%。而且通量下降較 慢。 實施例3 將上、下兩端固定的一排由10束、每束10根PP中空纖維膜組成的類平板膜，用柔 軟的纖維或者中空纖維，麻花狀纏繞、編結(jié)在相互近似平行的膜絲束外，呈較寬松的束縛。 按照實施例1同樣的方式，使這排膜絲產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭曲，在空間呈仿生螺旋狀排布，當(dāng)上下兩 端邊線呈90度角。該膜件的通量衰減曲線和實施例1有同樣的特點。
權(quán)利要求
一種用仿生螺旋膜進行高通量、低污染膜分離的方法，在不增加膜分離過程材料消耗和能量消耗的情況下，充分利用流體擾動作用，降低膜污染、提高膜分離效率，其特征是利用外部固定方法、內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)形狀保持及內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)保持加外部固定的方法，使平板膜、中空纖維平行排列膜組件保持類仿生螺旋結(jié)構(gòu)特點，仿生螺旋膜組件響應(yīng)水、氣等流體擾動，并產(chǎn)生振動搖擺。
全文摘要
一種用仿生螺旋膜進行高通量、低污染膜分離的方法，屬于膜分離技術(shù)領(lǐng)域，目的是利用仿生原理構(gòu)建高效膜分離組件，減輕濃差極化和膜污染，提高膜通量，降低能耗。其特征是通過外部固定方法、內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)形狀保持方法或者兩者的結(jié)合，使平板膜、中空纖維平行排列膜組件空間上保持仿生類螺旋結(jié)構(gòu)特點、改變膜分離中膜與流體流場分布及相互作用和變化方式，流體沖刷擾動產(chǎn)生膜的振動搖擺。本發(fā)明的效果和益處是在不增加膜分離過程中材料消耗和能量消耗的前提下，強化傳質(zhì)，減少膜污染；動態(tài)膜運行效果好；有顯著社會、經(jīng)濟效益，在化工分離、水處理、醫(yī)藥分離等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號B01D63/08GK101698136SQ20091021966
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者于心瑞, 徐曉靜, 楊鳳林, 柳麗芬, 趙傳起 申請人:大連理工大學(xué)