CN102000508A - 往复旋转式料液膜分离方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种往复旋转式料液膜分离方法和装置，包括有料液筒、中空转轴、转盘和膜组件；该料液筒上设有料液进口和出料口；该中空转轴可转动地设于料液筒中，该中空转轴上设有出液口；该转盘固定中空转轴上；该膜组件固定于转盘上随转盘同步转动，进一步包括有驱动机构，该驱动机构带动该膜组件往复正转和反转，该膜组件正转和反转的速率以及时间相同；藉此，利用该膜组件往复正转和反转，使膜表面料液流场的速度梯度增大，有效提高液体的切应力，可更明显地抑制膜污染和浓差极化，从而显著延缓膜通量衰减，使料液分离效果更佳，效率更高，还可减少膜清洗的频率，降低运行成本，可应用于生物工程、医药、食品、饮料与废水处理等多个领域中。

Description

往复旋转式料液膜分离方法和装置

技术领域

本发明涉及膜分离领域技术，尤其是指一种可应用于生物工程、医药、食品、饮料与废水处理等多个领域中的往复旋转式料液膜分离方法和装置。

背景技术

近年来，膜分离技术在生物工程、医药、食品、饮料与废水处理等领域内的应用发展迅速，但是，如何减轻膜污染和浓差极化的影响、延缓膜通量的衰减，仍是困扰膜分离技术发展的主要问题之一。

尽管高性能膜材料的研制已经达到了很高的水平，但在现有膜材料性能的前提下，从膜分离操作工艺及其设备入手来强化膜分离的传质过程，控制膜污染及浓差极化现象，提高膜的渗透效率，是促进膜分离技术工业化应用直接而现实的道路之一。

目前，从非膜材料的角度出发，提高膜表面水力剪切作用是延缓膜通量衰减的最常用措施。在众多的提高膜面剪切率的措施中，将待处理料液沿膜表面高速切向流动是最常用的方法，也就是切向流过滤(Cross flowfiltration)。不过大量研究表明，虽然切向流过滤通过料液在膜表面的快速流动可以产生较好的水力剪切效果，但料液流速过快会产生较高的轴向压力梯度，导致沿膜面的TMP分布不均匀，从而影响膜的渗透通量及传质过程；并且，高速切向流需要较高的回流比才能实现，而回流比过高必然导致进料泵的能耗较高。

旋转膜分离技术是近三十年迅速发展起来的一种膜过滤形式，它通过膜本身的旋转或者近膜面转子的旋转在膜表面产生强剪切作用，很好地削减了膜污染和浓差极化的影响，延缓了膜通量的衰减速率。目前，旋转膜分离技术的组件形式主要有旋转盘式膜过滤器(Rotating disk module)和旋转管式膜过滤器(Rotating cylindrical membranes)。另外CN1762555A公开了一种旋转中空纤维膜分离器，这些分离器的共同特点就是只沿单一方向旋转，膜面的高切变率是由膜面或强化转子的同方向高速旋转运行产生的，其切变率与膜运动速度成正比例增加，而强化能的消耗却与速度的平方成正比例增加，这种增长关系致使强化能的有效利用随着转速的增加而急剧下降，并很快达到很不经济的程度，甚至会出现料液与膜同步旋转，料液对膜表面剪切率接近于零的情况。

发明内容

本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种往复旋转式料液膜分离方法和装置，其能有效解决现在之利用膜分离技术进行料液过滤分离时出现的料液与膜同步旋转以使得料液过滤分离效果差问题。

本发明的另一目的是提供一种往复旋转式料液膜分离方法和装置，其能有效解决现在之利用膜分离技术进行料液过滤分离时出现能耗高的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种往复旋转式料液膜分离方法，利用膜组件的旋转对料液进行过滤分离，在开始运行时，使该膜组件在料液中沿一个方向旋转；当膜组件旋转一段时间后，使该膜组件向反方向旋转相同的时间，且该膜组件反方向旋转时的速率与膜组件开始旋转时的速率相同，该膜组件在反方向旋转的过程中，旋转速度与料液流速的数值迭加使得膜表面料液的速度梯度增大，提高膜表面的液体切应力，抑制了膜污染和浓差极化；在后续的料液过滤分离过程中，重复进行上述往复旋转运动，不断地实现料液过滤分离。

作为一种优选方案，所述膜组件正转一次和反转一次为膜组件的一个旋转周期，该旋转周期为2S。

一种往复旋转式料液膜分离装置，包括有一料液筒、一中空转轴、两转盘和复数个膜组件；该料液筒上设置有连通外界与料液筒内部的料液进口和出料口；该中空转轴可转动地设置于料液筒中，于该中空转轴上设置有连通外界与中空转轴内部的出液口；该两转盘位于料液筒中，且该两转盘间隔固定于该中空转轴上随中空转轴同步转动；该膜组件的两端分别固定于该两转盘上随转盘同步转动，且该膜组件的内部通过集水管与该中空转轴的内部连通，进一步包括有驱动机构，该驱动机构带动该中空转轴往复正转和反转，该中空转轴往复正转和反转的速率以及正转和反转的时间相同，该膜组件随该中空转轴同步往复正转和反转，以增大膜表面料液的速度梯度，从而提高膜表面的液体切应力。

作为一种优选方案，所述两转盘之间固定有24根前述膜组件，该些膜组件依次呈“米”字型排布，每一膜组件的管径为2cm。

作为一种优选方案，所述转盘为单层实心盘或者双层中空盘，该转盘的半径为10cm。

作为一种优选方案，所述膜组件为外压式管式膜组件或者中空纤维式膜组件。

作为一种优选方案，所述外压式管式膜组件为PVDF材质的超滤膜。

作为一种优选方案，所述中空纤维式膜组件为聚丙烯超滤中空纤维式膜组件。

作为一种优选方案，所述中空转轴往复旋转一个周期的时间为2S。

作为一种优选方案，所述驱动机构为变频电机。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

一、通过驱动机构带动膜组件在料液中往复正转和反转，利用该膜组件往复正转和反转，使得膜表面料液流场的速度梯度增大，有效提高了膜表面的液体切应力，避免了料液与膜同步旋转现象的出现；以及，利用该膜组件正转和反转的速率以及时间相同，可更加明显地抑制膜污染和浓差极化现象，从而更加显著延缓膜通量的衰减，使料液过滤分离的效果更佳，效率更高，同时还可减少膜清洗的频率，从而降低运行成本。

二、通过利用该膜组件往复正转和反转，以此提高膜表面料液流场的速度梯度，获取较高的液体切应力，使得膜过滤操作简单化，而且该较高液体的切应力是由膜组件往复旋转产生而非通过不断向同一方向提高转速产生，有利于大幅度降低料液过滤分离过程中的能耗，符合低碳节能环保的理念。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：

附图说明

图1是本发明之实施例的具体结构视图。

附图标识说明：

10、料液筒            11、料液进口

12、出料口            20、中空转轴

21、出液口            30、转盘

40、膜组件            41、集水管

50、驱动机构

具体实施方式：

请参照图1所示，其显示出了本发明之第一较佳实施例的具体结构，包括有一料液筒10、一中空转轴20、两转盘30、复数个膜组件40和驱动机构50。

其中，该料液筒10上设置有连通外界与料液筒10内部的料液进口11和出料口12，该料液进口11位于该料液筒10的上端，该料液进口11处设置有进料泵(图中未示)，利用该进料泵对料液筒10进行料液加注，当然亦可进行人工加注，不以为限。该出料口12位于料液筒10的下端，该出料口12用于排放浓缩液。

该中空转轴20相对料液筒10可转动地设置于料液筒10中，该中空转轴20的下端封闭，中空转轴20的上端设置有连通外界与中空转轴20内部的出液口21，该出液口21处设置有蠕动泵(图中未示)，利用该蠕动泵可以将中空转轴20内部中的透过液抽出，当然该中空转轴20内部的透过液亦可通过其他方式抽出，不以为限。

该两转盘30位于前述料液筒10中，且该两转盘30间隔固定于该中空转轴20上随中空转轴20同步转动，本实施中的转盘30为单层实心盘，其半径为10cm。

该复数个膜组件40分别竖向设置于前述两转盘30之间，每一膜组件40的两端分别固定于该两转盘30上，使得每一膜组件40可随转盘30同步转动，且每一膜组件40的内部均通过集水管41与前述中空转轴20的内部连通，使得进入到膜组件40内部的透过液可以汇集流入中空转轴的内部。本实施例中具有24根膜组件40，该些膜组件40依次呈“米”字型排布，每一膜组件的管径为2cm，该膜组件40为外压式管式膜组件，该外压式管式膜组件为PVDF材质的超滤膜。另外，该膜组件40可以用于微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)或反渗透(RO)中。

该驱动机构50为变频电机，驱动机构50通过齿轮传动而带动前述中空转轴20往复正转和反转，该驱动机构50带动该中空转轴20往复旋转一个周期的时间为2S，且该中空转轴20往复正转和反转的速率以及正转和反转的时间相同，前述膜组件40随该中空转轴20同步往复正转和反转，以增大膜表面料液的速度梯度，从而提高膜表面的液体切应力。

详述本实施例的料液分离方法如下：

本实施例采用牛血清蛋白溶液为待处理料液，进口浓度为1mg/ml，该待处理料液通过进料泵加注到料液筒10中，进料速度为0.2L/h，透过液通过蠕动泵抽吸，TMP为0.05Mpa。

首先，打开电源，该驱动机构50、进料泵和蠕动泵开始工作。进料泵将待处理料液从料液筒10上端加注到料液筒10中，在驱动机构50即变频电机的带动下，使得该膜组件40在待处理料液中开始往复旋转，其往复旋转的速率为60rpm/min，往复旋转一个周期需要的时间为2S，一个周期内往复旋转个360°。更具体地说：在开始运行时，该膜组件40在待处理料液中沿一个方向旋转，当膜组件40旋转一段时间(即1S)后，使该膜组件40向反方向旋转相同的时间(即1S)，且该膜组件40反方向旋转时的速率与膜组件40开始旋转时的速率相同(即60rpm/min)。

该膜组件40在开始旋转运动时，待处理料液的运动具有滞后效果，从而产生较高的剪切强化作用。当待处理料液流场运动速度与膜组件40旋转速度相近时瞬时反方向转动该膜组件40，根据牛顿内摩擦定律，流体的剪切应力与流体的速度梯度成正比，所以反方向旋转时，旋转速度和料液流速的数值迭加使膜表面料液的速度梯度增大，提高了膜表面的液体切应力。重复利用待处理料液流场与膜组件40运动的不同步性，反复产生较高的料液速度梯度，使膜表面剪切强化作用持续下去。并且，在反向旋转的瞬间，待处理料液流场会产生较强的湍流，形成与振动膜分离器类似的Stokes边界层，造成流场局部压力的显著增大，从而产生脉动给料的效果，而Stokes边界层和脉动给料均有利于抑制膜污染和浓差极化的影响。

在以后的膜组件40往复运行中，反复进行上述过程，使得透过液不断地透入膜组件40内部，然后该透过液在蠕动泵的抽吸作用下，从膜组件40的上端进入集水管41中，随后进入该中空转轴20的内部，最终从出液口21排出，该浓缩液间歇地从料液筒10的出料口12排出，从而实现了料液过滤分离。经测试，膜临界通量为150L/m²·h，能耗为40W/m²。

以及，本实施例的运行方式分为两种情况：

一、间歇排出浓缩液的运行方式是：首先关闭出料口12的阀门，打开料液进口11与出液口21的阀门。待处理料液从料液进口11进入料液筒10内，启动驱动机构50，通过中空转轴20带动膜组件40进行往复旋转，透过液在进料压力或者抽吸压力的驱动下进入膜组件40内，然后通过集水管41收集后进入中空转轴20，然后排出，当料液被浓缩到一定程度时，关闭料液进口11的阀门，将浓缩液从出料口12排出。

二、连续排出浓缩液的运行方式是：同时打开料液进口11、出料口12和出液口21的阀门，待处理料液从料液进口11进入料液筒10内，接着，启动驱动机构50，并通过中空转轴20带动膜组件40进行往复旋转。透过液在进料压力或者抽吸压力驱动下进入膜组件40内，然后通过集水管41收集后进入中空转轴20内，然后排出，浓缩液则回流到料液筒10内，当待处理料液浓缩到一定程度时，过滤操作停止。

另外，需要特别说明的是，该膜组件40正转和反转的速率以及正转和反转的时间亦可不相同，可以根据实际情况作相应的调整，该种料液分离方法同样可以较好地抑制膜污染和浓差极化，实现料液分离。实验证明，以前述的料液分离方法来抑制膜污染和浓度差极化最为明显，料液分离效果最佳。

接着，详述本发明的第二较佳实施例具体结构，其具体结构依然参照图1所示，本实施例与前述第一较佳实施例的结构基本相同，不同之处在于：

首先，该转盘30采用双层中空盘代替第一较佳实施例的单层实心盘，该双层中空的中空腔连通于集水管41内部和中空转轴20内部之间，该双层中空盘与前述单层实心盘的尺寸相同。

其次，本实施例中的膜组件40为中空纤维式膜组件，该中空纤维式膜组件为聚丙烯超滤中空纤维式膜组件，本实施例中膜组件40的数量、尺寸及排列形状与第一较佳实施例的一致，本实施例的膜组件40往复旋转的速率为120rpm/min，往复旋转一个周期需要的时间为2S，一个周期内往复旋转各720°。

另外，本实施例的膜过滤TMP由进料泵提供，TMP控制在0.1Mpa。

本实施例的料液过滤分离方法与前述第一较佳实施例的料液过滤分离方法基本相同，所不同的是：

本实施例采用乳清蛋白溶液为待处理料液，其进口浓度为4mg/ml，进料速率为0.15L/h。该膜组件40在往复正转和反转的旋转过程中，透过液进行膜纤维内部，然后进入双层中空盘的中空腔内，并以此进入中空转轴20内部，最终从出液口21排出，而浓缩液则直接通过出料口12回流至料液筒10内部进行循环过滤，经测试，膜的临界通量为180L/m²·h，能耗为55W/m²。

本发明的设计重点在于：

一、通过驱动机构带动膜组件在料液中往复正转和反转，利用该膜组件往复正转和反转，使得膜表面料液流场的速度梯度增大，有效提高了膜表面的液体切应力，避免了料液与膜同步旋转现象的出现；以及，利用该膜组件正转和反转的速率以及时间相同，可更加明显地抑制膜污染和浓差极化现象，从而更加显著延缓膜通量的衰减，使料液过滤分离的效果更佳，效率更高，同时还可减少膜清洗的频率，从而降低运行成本。

二、通过利用该膜组件往复正转和反转，以此提高膜表面料液流场的速度梯度，获取较高的液体切应力，使得膜过滤操作简单化，而且该较高液体的切应力是由膜组件往复旋转产生而非通过不断向同一方向提高转速产生，有利于大幅度降低料液过滤分离过程中的能耗，符合低碳节能环保的理念。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种往复旋转式料液膜分离方法，利用膜组件的旋转对料液进行过滤分离，其特征在于：在开始运行时，使该膜组件在料液中沿一个方向旋转；当膜组件旋转一段时间后，使该膜组件向反方向旋转相同的时间，且该膜组件反方向旋转时的速率与膜组件开始旋转时的速率相同，该膜组件在反方向旋转的过程中，旋转速度与料液流速的数值迭加使得膜表面料液的速度梯度增大，提高膜表面的液体切应力，抑制了膜污染和浓差极化；在后续的料液过滤分离过程中，重复进行上述往复旋转运动，不断地实现料液过滤分离。

2.根据权利要求1所述的往复旋转式料液膜分离方法，其特征在于：所述膜组件正转一次和反转一次为膜组件的一个旋转周期，该旋转周期为2S。

3.一种往复旋转式料液膜分离装置，包括有一料液筒、一中空转轴、两转盘和复数个膜组件；该料液筒上设置有连通外界与料液筒内部的料液进口和出料口；该中空转轴可转动地设置于料液筒中，于该中空转轴上设置有连通外界与中空转轴内部的出液口；该两转盘位于料液筒中，且该两转盘间隔固定于该中空转轴上随中空转轴同步转动；该膜组件的两端分别固定于该两转盘上随转盘同步转动，且该膜组件的内部通过集水管与该中空转轴的内部连通，其特征在于：进一步包括有驱动机构，该驱动机构带动该中空转轴往复正转和反转，该中空转轴往复正转和反转的速率以及正转和反转的时间相同，该膜组件随该中空转轴同步往复正转和反转，以增大膜表面料液的速度梯度，从而提高膜表面的液体切应力。

4.根据权利要求3所述的往复旋转式料液膜分离装置，其特征在于：所述两转盘之间固定有24根前述膜组件，该些膜组件依次呈“米”字型排布，每一膜组件的管径为2cm。

5.根据权利要求3或4所述的往复旋转式料液膜分离装置，其特征在于：所述转盘为单层实心盘或者双层中空盘，该转盘的半径为10cm。

6.根据权利要求3或4所述的往复旋转式料液膜分离装置，其特征在于：所述膜组件为外压式管式膜组件或者中空纤维式膜组件。

7.根据权利要求6所述的往复旋转式料液膜分离装置，其特征在于：所述外压式管式膜组件为PVDF材质的超滤膜。

8.根据权利要求6所述的往复旋转式料液膜分离装置，其特征在于：所述中空纤维式膜组件为聚丙烯超滤中空纤维式膜组件。

9.根据权利要求3所述的往复旋转式料液膜分离装置，其特征在于：所述中空转轴往复旋转一个周期的时间为2S。

10.根据权利要求3所述的往复旋转式料液膜分离装置，其特征在于：所述驱动机构为变频电机。