CN103285736B - 一种具有高膜面积/体积比的无机膜元件及其膜组件的制备方法 - Google Patents

一种具有高膜面积/体积比的无机膜元件及其膜组件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高膜面积/体积比的无机膜元件,包括蜂窝无机膜,所述蜂窝无机膜由多孔支撑体和过滤孔道构成,所述过滤孔道的内表面为分离膜层;此外,所述蜂窝无机膜的过滤孔道内设置有中空纤维无机膜,所述中空纤维无机膜呈中空柱状而具有内通道以及作为分离膜层的外表面。此外,还公开了上述无机膜元件及其膜组件的制备方法。本发明大大提高了无机膜的膜面积/体积比,同时有效解决了中空纤维无机膜的构型与其过滤模式之间的矛盾,并且具有良好的现有设备适应性,有助于大规模的推广和应用。

Description

一种具有高膜面积/体积比的无机膜元件及其膜组件的制备方法
技术领域
本发明涉及膜分离技术领域,尤其涉及一种无机膜元件的构型及其膜组件的制备方法。
背景技术
膜分离是一种操作相对简单、耗能低的分离工艺,原则上可以回收并再利用混合物中的组分,因而广泛应用于生物工程、石油、化工、冶金、医药等领域。膜分离是通过膜组件来实现的,其核心部分是过滤膜元件。与有机膜相比,无机膜如陶瓷膜具有化学稳定性好、机械强度大、抗微生物能力强、耐高温、孔径分布窄、分离效率高等优点,但无法像有机膜那样通过折叠的方式来提高膜面积/体积比(单位膜元件体积内的膜过滤面积)。为提高膜面积/体积比,目前现有技术陶瓷膜大多是采用增加孔道数的方式(如7、19和37通道),或是使用蜂窝陶瓷膜、中空纤维陶瓷膜。
然而,现有技术多孔道/蜂窝陶瓷膜构型中,为解决渗透液排出问题,需要考虑渗透通道的排列设置,这样便使得蜂窝陶瓷膜的1/3甚至一半的通道需用于渗透液的排出,从而导致实际减少了蜂窝陶瓷膜的有效过滤面积。对于中空纤维陶瓷膜,采用将分离膜层制备于中空纤维膜外表面的模式,可以获得更高的膜面积/体积比和承受更高的膜间压,但这种模式需要采用外压式膜过滤方式(即将压力作用于料液,料液在膜外表面流动,渗透液从膜内通道内流出),因此存在着以下技术问题:(1)与有机膜具有很好的变形性不同,料液的剧烈湍动使得具有较大长径比和较低变形性的无机中空纤维陶瓷膜容易发生断裂。尤其是为满足膜组件的需要,通常将无机中空纤维陶瓷膜两端进行固定,料液所引起的扰动而产生的破坏作用更强。(2)一般而言,中空纤维膜排列比较紧密,料液的扰动容易导致膜管之间发生摩擦、碰撞,从而导致分离膜层的破坏。因此,现有技术中空纤维陶瓷膜的构型与其过滤模式之间的矛盾是非常突出的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种具有高膜面积/体积比的无机膜元件,在有效提高无机膜的膜面积/体积比的同时,有效解决中空纤维无机膜的构型与其过滤模式之间的矛盾。本发明的另一目的在于提供上述无机膜元件以及膜组件的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现:
本发明提供的一种具有高膜面积/体积比的无机膜元件,包括蜂窝无机膜,所述蜂窝无机膜由多孔支撑体和过滤孔道构成,所述过滤孔道的内表面为分离膜层;此外,所述蜂窝无机膜的过滤孔道内设置有中空纤维无机膜,所述中空纤维无机膜呈中空柱状而具有内通道以及作为分离膜层的外表面。
本发明无机膜元件,分离膜层分布于中空纤维无机膜的外表面和蜂窝无机膜其过滤孔道的内表面,两者之间即中空纤维无机膜外表面与蜂窝无机膜过滤孔道之间的通道为料液通道,中空纤维无机膜的内通道和蜂窝无机膜的多孔支撑体为渗透液通道。这样,便大大提高了无机膜的膜面积/体积比,同时,由于蜂窝无机膜的过滤孔道给予中空纤维无机膜支承,可避免中空纤维无机膜的断裂,因而有利于解决中空纤维无机膜的构型与其过滤模式之间的矛盾。
为进一步降低料液湍动对中空纤维无机膜的影响,本发明无机膜元件所述蜂窝无机膜其过滤孔道的内壁与中空纤维无机膜相接触。可采取如下具体措施:所述蜂窝无机膜其单个过滤孔道里设置有至少一只中空纤维无机膜,即单只或者多只中空纤维无机膜的组合体尽可能地填充于蜂窝无机膜的过滤孔道中,使两者之间保持较小的空隙,增加蜂窝无机膜过滤孔道对中空纤维无机膜的支承。
上述方案中,为便于封端,本发明所述中空纤维无机膜的两端伸出蜂窝无机膜之外;所述中空纤维无机膜其一端在内通道里设有封端物,其另一端在外侧之间设有封端物。
本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现:
本发明提供的一种具有高膜面积/体积比的无机膜元件的制备方法,采用由多孔支撑体和内表面为分离膜层的过滤孔道所构成的蜂窝无机膜、以及具有内通道和外表面为分离膜层的中空纤维无机膜,包括以下步骤:
(1)将所述中空纤维无机膜填充于蜂窝无机膜的过滤孔道内,且中空纤维无机膜的两端伸出蜂窝无机膜之外;
(2)将所述中空纤维无机膜的上端浸没于环氧树脂中,取出后进行固化,环氧树脂填充密封于中空纤维无机膜上端的内通道端口;
(3)将所述中空纤维无机膜的下端浸没于环氧树脂中,取出后进行固化,环氧树脂填充密封于中空纤维无机膜下端的内通道端口;
(4)通过模具将经步骤(3)处理后的中空纤维无机膜的下端浸没于环氧树脂中,其浸没高度大于步骤(3)中空纤维无机膜下端其内通道里所填充环氧树脂的高度;然后保持浸没状态进行固化;固化完成后脱除模具,环氧树脂填充于中空纤维无机膜下端的外侧之间,使得中空纤维无机膜的下端呈整体形状而形成中空纤维无机膜束;
(5)将所述中空纤维无机膜束在大于内通道所填充环氧树脂的高度位置处进行横向切割,使得中空纤维无机膜束处的内通道端口外露,从而获得具有高膜面积/体积比的无机膜元件。
本发明的又一目的通过以下技术方案予以实现:
本发明提供的一种具有高膜面积/体积比的无机膜组件的制备方法,采用上述无机膜元件,以所述中空纤维无机膜内通道端口密封的一端为上端,中空纤维无机膜内通道端口外露的中空纤维无机膜束一端为下端;包括以下步骤:
a.在所述蜂窝无机膜的外侧套设外壳;所述外壳上设有渗透液出口;
b.在所述蜂窝无机膜的上端面和下端面处与外壳之间设置梯形O型密封圈;
c.将所述中空纤维无机膜的下端套入花洒型不锈钢支撑板;
d.采用具有上大下小二层安装环的支撑性不锈钢圈,其上层安装环套住中空纤维无机膜的下段后,通过螺栓与外壳的下端固定;
e.在所述中空纤维无机膜的下端面处与支撑性不锈钢圈的下层安装环之间设置梯形O型密封圈;内端壳通过螺栓与下层安装环固定;所述内端壳上设有渗透液出口;
f.将下端罩通过螺栓固定于外壳的下端以及支撑性不锈钢圈的上层安装环上;所述下端罩上设有料液入口;
g.将上端罩通过螺栓固定于外壳的上端即可;所述上端罩上设有料液出口。
本发明具有以下有益效果:
(1)有效提高了膜元件的膜面积/体积比
本发明无机膜元件的构型中,在相同的体积内,对蜂窝无机膜而言,其所有的过滤孔道内表面均为有效的膜面积。尽管渗透液的排出阻力有所增加,但膜面积是原有蜂窝无机膜构型的1.3~1.5倍,总渗透通量反而增大。此外,中空纤维无机膜的加入则进一步增加了膜过滤的有效面积,使本发明无机膜元件构型的膜面积/体积比是常规膜构型的2~5倍。
(2)有效解决了中空纤维无机膜的膜构型与过滤模式之间的矛盾
本发明无机膜元件的构型中,中空纤维无机膜与蜂窝无机膜尽可能接触,减少了因料液扰动所引起的中空纤维无机膜共振问题,避免了中空纤维无机膜的断裂。同时,在蜂窝无机膜过滤孔道的约束下,料液是沿中空纤维无机膜轴向方向流动的,从而也减少了料液湍动对中空纤维无机膜的影响。
(3)具有较好的现有设备适应性
本发明对蜂窝无机膜而言,采用料液循环模式,因此能够适合现有大多数膜过滤设备;对中空纤维无机膜而言,蜂窝无机膜的过滤孔道相当于外压模式,无需对料液额外加设增压设备,因而能够有效降低膜设备成本。
附图说明
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述:
图1是本发明实施例无机膜元件的结构示意图;
图2是图1的A-A剖视图;
图3是图2中蜂窝无机膜过滤孔道处的放大示意图;
图4是本发明实施例无机膜组件的结构示意图;
图5是图4中支撑性不锈钢圈的立体视图。
图中:蜂窝无机膜1,多孔支撑体1a,过滤孔道1b,中空纤维无机膜2,内通道2a,外表面2b,中空纤维无机膜束2c,封端物3、4,外壳5,渗透液出口6、6',梯形O型密封圈7、11,花洒型不锈钢支撑板8,支撑性不锈钢圈9,上层安装环9a,下层安装环9b,螺栓10、12、17,内端壳13,料液入口14,下端罩15,上端罩16;料液出口18。
具体实施方式
图1~图5所示为本发明一种具有高膜面积/体积比的无机膜元件及其膜组件的制备方法的实施例。
1、本实施例无机膜元件
如图1、图2和图3所示,本实施例无机膜元件由蜂窝无机膜1(如蜂窝陶瓷膜)和中空纤维无机膜2(如中空纤维陶瓷膜)组成。其中,蜂窝无机膜1由多孔支撑体1a和过滤孔道1b构成,过滤孔道1b的内表面为分离膜层;中空纤维无机膜2呈中空柱状而具有内通道2a以及作为分离膜层的外表面2b。如图2和图3所示,中空纤维无机膜2填充于蜂窝无机膜1的过滤孔道1b中(可以是单只或者多只中空纤维无机膜2的组合体的填充),蜂窝无机膜1其过滤孔道1b的内壁与中空纤维无机膜2相接触。
如图1所示,中空纤维无机膜2的两端伸出蜂窝无机膜1之外。中空纤维无机膜2其一端在内通道2a里设有封端物3,其另一端在外侧之间设有封端物4。
2、本实施例无机膜元件的制备方法如下:
(1)将中空纤维无机膜2填充于蜂窝无机膜1的过滤孔道1b内,且中空纤维无机膜2的两端伸出蜂窝无机膜1之外;
(2)将中空纤维无机膜2的上端浸没于粘度较小的环氧树脂中,浸没长度为2~8mm,取出后进行固化,环氧树脂填充密封于中空纤维无机膜2上端的内通道2a端口;
(3)将中空纤维无机膜2的下端浸没于粘度较小的环氧树脂中,浸没长度不超过2mm,取出后进行固化,环氧树脂填充密封于中空纤维无机膜2下端的内通道2a端口;
(4)通过模具(如方形或圆形,以适应于膜组件的外壳5形状)将经步骤(3)处理后的中空纤维无机膜2的下端浸没于粘度较大的环氧树脂中,其浸没高度为25~80mm;然后保持浸没状态进行固化;固化完成后脱除模具,环氧树脂填充于中空纤维无机膜2下端的外侧之间,使得中空纤维无机膜2的下端呈整体形状而形成中空纤维无机膜束2c;
(5)将中空纤维无机膜束2c在距环氧树脂外端面2~5mm处横向切割,使得中空纤维无机膜束2c处的内通道2a端口外露,从而获得具有高膜面积/体积比的无机膜元件。
3、本实施例无机膜组件的制备方法
本实施例无机膜组件如图4所示,采用上述无机膜元件,以中空纤维无机膜2内通道2a端口密封的一端为上端,中空纤维无机膜2内通道2a端口外露的中空纤维无机膜束2c一端为下端;其步骤如下:
a.在蜂窝无机膜1的外侧套设直筒形不锈钢外壳5;外壳5上设有渗透液出口6;
b.在蜂窝无机膜1的上端面和下端面处与外壳5之间设置梯形O型密封圈7;
c.将中空纤维无机膜2的下端套入花洒型不锈钢支撑板8;
d.采用具有上大下小二层安装环的支撑性不锈钢圈9(见图5),其上层安装环9a套住中空纤维无机膜2的下段后,通过螺栓10与外壳5的下端固定;
e.在中空纤维无机膜2的下端面处与支撑性不锈钢圈9的下层安装环9b之间设置梯形O型密封圈11;内端壳13通过螺栓12与下层安装环9b固定;内端壳13上设有渗透液出口6';
f.将下端罩15通过螺栓10固定于外壳5的下端以及支撑性不锈钢圈9的上层安装环9a上;下端罩15上设有料液入口14;
g.将上端罩16通过螺栓17固定于外壳5的上端即可;上端罩16上设有料液出口18。
其工作原理如下(如图4所示,实线箭头为料液流向,虚线箭头为渗透液流向):
料液从料液入口14进入,从下端罩15和内端壳13之间、经支撑性不锈钢圈9,进入蜂窝无机膜1过滤孔道1b内与中空纤维无机膜2外表面2b之间的空隙,以蜂窝无机膜1过滤孔道1b的内表面以及中空纤维无机膜2的外表面2b为分离膜层进行过滤。过滤分离出的渗透液进入中空纤维无机膜2的内通道2a和蜂窝无机膜1的多孔支撑体1a。其中,进入中空纤维无机膜2其内通道2a的渗透液流入内端壳13,然后从渗透液出口6'排出;进入蜂窝无机膜1其多孔支撑体1a的渗透液流入外壳5,然后从渗透液出口6排出。过滤完毕的料液进入上端罩16里,然后从料液出口18排出。

Claims (6)

1.一种具有高膜面积/体积比的无机膜元件,包括蜂窝无机膜(1),所述蜂窝无机膜(1)由多孔支撑体(1a)和过滤孔道(1b)构成,所述过滤孔道(1b)的内表面为分离膜层;其特征在于:所述蜂窝无机膜(1)的过滤孔道(1b)内设置有中空纤维无机膜(2),所述中空纤维无机膜(2)呈中空柱状而具有内通道(2a)以及作为分离膜层的外表面(2b)。
2.根据权利要求1所述的具有高膜面积/体积比的无机膜元件,其特征在于:所述蜂窝无机膜(1)其过滤孔道(1b)的内壁与中空纤维无机膜(2)相接触。
3.根据权利要求2所述的具有高膜面积/体积比的无机膜元件,其特征在于:所述蜂窝无机膜(1)其单个过滤孔道(1b)里设置有至少一只中空纤维无机膜(2)。
4.根据权利要求1所述的具有高膜面积/体积比的无机膜元件,其特征在于:所述中空纤维无机膜(2)的两端伸出蜂窝无机膜(1)之外;所述中空纤维无机膜(2)其一端在内通道(2a)里设有封端物(3),其另一端于中空纤维无机膜(2)的外侧之间设有封端物(4)。
5.权利要求1-4之一所述具有高膜面积/体积比的无机膜元件的制备方法,其特征在于:采用由多孔支撑体(1a)和内表面为分离膜层的过滤孔道(1b)所构成的蜂窝无机膜(1)、以及具有内通道(2a)和外表面(2b)为分离膜层的中空纤维无机膜(2),包括以下步骤:
(1)将所述中空纤维无机膜填充于蜂窝无机膜的过滤孔道内,且中空纤维无机膜的两端伸出蜂窝无机膜之外;
(2)将所述中空纤维无机膜(2)的上端浸没于环氧树脂中,取出后进行固化,环氧树脂填充密封于中空纤维无机膜(2)上端的内通道(2a)端口;
(3)将所述中空纤维无机膜(2)的下端浸没于环氧树脂中,取出后进行固化,环氧树脂填充密封于中空纤维无机膜(2)下端的内通道(2a)端口;
(4)通过模具将经步骤(3)处理后的中空纤维无机膜(2)的下端浸没于环氧树脂中,其浸没高度大于步骤(3)中空纤维无机膜(2)下端其内通道(2a)里所填充环氧树脂的高度;然后保持浸没状态进行固化;固化完成后脱除模具,环氧树脂填充于中空纤维无机膜(2)下端的外侧之间,使得中空纤维无机膜(2)的下端呈整体形状而形成中空纤维无机膜束(2c);
(5)将所述中空纤维无机膜束(2c)在大于内通道(2a)所填充环氧树脂的高度位置处进行横向切割,使得中空纤维无机膜束(2c)处的内通道(2a)端口外露,从而获得具有高膜面积/体积比的无机膜元件。
6.一种具有高膜面积/体积比的无机膜组件的制备方法,其特征在于:采用权利要求5制备的无机膜元件,以所述中空纤维无机膜(2)内通道(2a)端口密封的一端为上端,中空纤维无机膜(2)内通道(2a)端口外露的中空纤维无机膜束(2c)一端为下端;包括以下步骤:
a.在所述蜂窝无机膜(1)的外侧套设外壳(5);所述外壳(5)上设有渗透液出口(6);
b.在所述蜂窝无机膜(1)的上端面和下端面处与外壳(5)之间设置梯形O型密封圈(7);
c.将所述中空纤维无机膜(2)的下端套入花洒型不锈钢支撑板(8);
d.采用具有上大下小二层安装环的支撑性不锈钢圈(9),其上层安装环(9a)套住中空纤维无机膜(2)的下段后,通过螺栓(10)与外壳(5)的下端固定;
e.在所述中空纤维无机膜(2)的下端面处与支撑性不锈钢圈(9)的下层安装环(9b)之间设置梯形O型密封圈(11);内端壳(13)通过螺栓(12)与下层安装环(9b)固定;所述内端壳(13)上设有渗透液出口(6');
f.将下端罩(15)通过螺栓(10)固定于外壳(5)的下端以及支撑性不锈钢圈(9)的上层安装环(9a)上;所述下端罩(15)上设有料液入口(14)
g.将上端罩(16)通过螺栓(17)固定于外壳(5)的上端即可;所述上端罩(16)上设有料液出口(18)。
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