CN103463985A

CN103463985A - 一种介电电泳正渗透平板渗透膜组件

Info

Publication number: CN103463985A
Application number: CN2013104093621A
Authority: CN
Inventors: 王冰; 刘伟涛
Original assignee: INNER MONGOLIA TIANYI ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: INNER MONGOLIA TIANYI ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: CN103463985B

Abstract

本发明涉及一种介电电泳平板渗透膜组件，包括平板骨架、电极和渗透膜，其特征在于：所述平板骨架采用ABS制作，在平板骨架内横向均布间隔镶装有电极，在平板骨架贯通安装渗透膜，在平板骨架的进水端设置有进水口，在平板骨架的出水端设置有电线输出口和出水口，进水口通过平板骨架内的水道与出水口贯通连接，电线输出口与平板骨架的电极连接，并引出连接外界电源。本发明使用介电电泳技术，根据固体微粒与其所悬浮的液体的介电极化能力的不同，介电电泳力将固体微粒推离电极或者将固体微粒吸附在电极上，由此减缓甚至避免正渗透平板膜分离工艺中因水从原料液侧流向驱动液侧引发的浓差极化现象，以达到强化正渗透工艺。

Description

一种介电电泳正渗透平板渗透膜组件

技术领域

本发明属于分离技术领域，涉及渗透膜过滤分离工艺，尤其是一种介电电泳正渗透平板渗透膜组件。

背景技术

1748年，法国人Abble Nollot发现渗透现象，由此开始，渗透现象就引起了人们的极大兴趣。正渗透（Forward osm osis，FO）又称渗透，是指水或其它溶剂透过天然或人造的半透膜，由低溶质浓度侧传递到高溶质浓度侧的过程，是自然界中广泛存在的一种物理现象。正渗透技术的特点是其驱动力为两种溶液的化学位差或者渗透压差本身，无需外加压力。利用正渗透技术中水自发传递过选择性半透膜的性质，结合易于循环使用的驱动溶液，可用于海水脱盐和降低传统工业过程的能耗。渗透压本身就是一种绿色能源，可以通过正渗透技术将渗透压转化为电能。此外，由于正渗透过程中可以不使用外加压力，同时由于正渗透膜材料的亲水性，因此可有效降低膜污染，可应用于反渗透技术难以实现的废水的处理中，例如染色废水，垃圾沥出液以及膜生物反应器等。在降低膜污染的同时，可降低膜清洗的费用和化学清洗剂对环境的污染。正渗透回收率高，避免了浓盐水排放，环境友好，通过选择合适的驱动溶液，其水回收率可达到75%；而普通反渗透水回收率为35%～50%，如此高的回收率可实现浓盐水的再浓缩。正渗透操作由于具有低温低压特点，可以广泛应用于液体食品的浓缩和药物释放等方面。

理论上，正渗透可以采用具有非常高的渗透压的驱动液而实现比反渗透更大的膜通量，然而研究发现实际通量远远小于预期值，这是由于正渗透过程中特有的浓差极化现象造成的。正渗透过程中，按照浓差极化发生的位置分类，可分为外浓差极化和内浓差极化。

外部浓差极化现象发生在膜表面的外部，而内部浓差极化是指发生在非对称性膜的多孔支撑层空隙内部的浓差极化现象。在对称性均质膜中，通常不存在内部浓差极化现象，内部浓差极化是正渗透过程中所特有的现象。在正渗透膜分离过程中，当水从原料液一侧透过膜流向驱动液一侧时，原料液一侧的溶质由于不能透过膜，将在靠近原料液一侧的膜表面位置不断积聚，并且浓度不断增大形成一层高浓度层溶液，这种现象叫做浓缩的外部浓差极化，它与反渗透过程中的浓差极化相似；与此同时，在驱动液一侧，由于水的透过使得靠近驱动液一侧膜表面的溶质不断被稀释，并且将会形成一层稀释层溶液，这种现象就做稀释的外部浓差极化，它是正渗透过程中所特有的现象。当正渗透膜的多孔支撑层朝向原料液时，原料液中的溶质与水一道进入膜的支撑层空隙中，并沿着膜内部多孔结构形成浓缩的极化层，这种现象属于浓缩的内部浓差极化；相反，当正渗透膜的多孔支撑层朝向驱动液时，原料液中的水透过膜后，将会稀释支撑层多孔结构中的溶质，使得多孔支撑层中形成稀释的极化层，这种现象叫做稀释的内部浓差极化。

浓差极化的结果导致膜两侧的有效渗透压差的降低，因而驱动效率下降，是影响膜通量下降的关键因素。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种介电电泳正渗透平板渗透膜组件，该组件采用介电电泳技术可减少甚至消除在正渗透工艺中发生的膜污染和堵膜现象，达到强化正渗透工艺、减少在正渗透工艺中发生的浓差极化、形成电渗效应、提高生渗透膜膜透过量的目标。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种介电电泳平板渗透膜组件，包括平板骨架、电极和渗透膜，其特征在于：所述平板骨架采用ABS制作，在平板骨架内横向均布间隔镶装有电极，在平板骨架贯通安装渗透膜，在平板骨架的进水端设置有进水口，在平板骨架的出水端设置有电线输出口和出水口，进水口通过平板骨架内的水道与出水口贯通连接，电线输出口与平板骨架的电极连接，并引出连接外界电源。

而且，所述电极采用圆柱形叉指电极结构，在每对电极中，一根电极采用绝缘电极，而另一根电极则采用防腐蚀材料的裸电极。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明使用介电电泳技术，根据固体微粒与其所悬浮的液体的介电极化能力的不同，介电电泳力将固体微粒推离电极或者将固体微粒吸附在电极上，由此减缓甚至避免正渗透平板膜分离工艺中因水从原料液侧流向驱动液侧引发的浓差极化现象，以达到强化正渗透工艺。

2、本发明在保持正渗透膜过滤工艺的正常工作的同时，无须添加额外物质例如化学药剂或大量的水，减少甚至消除在正渗透工艺中发生的膜污染和堵膜现象，能够减缓甚至避免在正渗透工艺中发生的浓差极化，同时，提高膜寿命和膜通量，降低减少和消除正渗透膜污染问题所消耗的能量和成本。

3、本发明施加介电电泳力于临近正渗透膜表面的固体颗粒而将其移离渗透膜表面从而达到防止膜污染和堵膜，提高正渗透膜膜透过量，减缓甚至避免浓差极化，以延长正渗透膜使用寿命和提高正渗透膜的工作效率及产水量。

4、本发明使用介电电泳技术，在电场作用下，固、液接触时，固体微粒表面会产生电荷，这些表面电荷反过来影响溶液中的离子分布，形成双电层，形成电渗效应，水分子从原料液侧向驱动液侧迁移，增加正渗透膜透过量，以达到强化正渗透工艺。

5、本发明的电极采用圆柱形叉指电极结构，圆形表面使叉指电极强电场面最大化，使用最少材料，获得更强的介电电泳力。

6、本发明间断施加介电电泳，可消除膜污染的问题，且能耗低，操作成本低。

附图说明

图1是本发明渗透膜组件的结构主视图；

图2为图1的A-A向截面剖视图；

图3为图1的B部结构放大示意图;

图4为图2的C部结构放大示意图；

图5是本发明介电电泳渗透膜组件工作原理示意图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不限于下述实施方式，任何在本实施例原理上所做的改变或替代方案，均落入本发明要求保护的范围之中。

一种介电电泳平板渗透膜组件，如图1、2所示，包括平板骨架2、电极6和渗透膜4，平板骨架采用ABS制作，在平板骨架内横向均布间隔镶装有电极，在平板骨架贯通安装渗透膜。电极采用圆柱形叉指电极结构，在每对电极中，一根电极采用绝缘电极，而另一根电极则采用防腐蚀材料的裸电极，以减少能耗和电极生产成本。平板骨架与渗透膜的安装结构为可更换渗透膜的夹层平板结构，渗透膜破损时可更换，结构元件重复利用。在平板骨架的进水端设置有进水口5，在平板骨架的出水端设置有电线输出口3和出水口1，进水口通过平板骨架内的水道与出水口贯通连接，电线输出口与平板骨架的电极连接，并引出连接外界电源。

本发明的工作过程是：

将正渗透平板膜组件浸泡于需要处理的废水（原料液）中，驱动液经由进水口进入组件内腔，在正渗透膜内所安装在电极安装口中的叉指电极通过电线输出口与电源接通，在渗透压作用下，废水（原料液）中的水透过正渗透膜进入组件内腔，稀释驱动液，稀释液由出水口3排出。由于相对于水而更低的介电极化能力，固体颗粒在废水（原料液）中通常表现为阴性介电电泳性质；即在不匀称电场中，固体颗粒被向弱电场方向移动。废水（原料液）经过正渗透膜的表面，在正渗透膜下安装的叉指电极提供介电电泳力所需的不匀称电场。特有的圆形表面使叉指电极的强电场面最大化，从而使用更少的材料，但可得到更强的介电电泳力。当废水（原料液）中固体颗粒靠近正渗透膜时，即靠近叉指电极时，将被移离而无法靠近正渗透膜，如此减少甚至消除膜污染和堵膜得发生，减缓甚至避免正渗透分离工艺中的浓差极化现象。由于离子的水合作用和形成双电层，在电场作用下，水分子从废水（原料液）侧向驱动液侧迁移，提高正渗透膜膜透过量。

本发明所涉及的介电电泳概念及工作原理是：

介电电泳（Dielectrophoresis）技术已经被成功的应用于生物医学工业来分离、富积、捕获微粒和细胞。该技术描述的是位于非匀称电场的中性微粒由于介电极化的作用而产生的平移运动，产生在微粒上的偶极矩可以由两个相同带电量但极性相反的电荷来表示。当它们在微粒界面上不对称分布时，产生一个宏观的偶极矩。当这个偶极矩位于不匀称电场中，在微粒两边的局部电场强度的不同产生一个净力，称为介电电泳力。由于悬浮于媒介中的微粒与媒介有着不同的介电能力（介电常数），微粒会被向或者更强的电场强度的方向移动，称为阳性介电电泳，或者更弱的电场强度的方向移动，称之为阴性介电电泳。

无论是在正渗透膜过滤分离液液中发生的分离渗透膜污染，都是固体微粒（微粒，胶体微粒，溶质结晶体，细菌，和不溶有机物液滴及大分子有机物）相对于液体存在。在这样的一个***中，由于固体微粒与其所悬浮的液体的介电极化能力的不同，介电电泳力将固体微粒推离电极或者将固体微粒吸附在电极上，表现出或者阴性介电电泳性质或者阳性介电电泳性质。

由于相对于水而更低的介电极化能力，固体颗粒在废水中通常表现为阴性介电电泳性质；即在不匀称电场中，固体颗粒被向弱电场方向移动。如图5所示，废水（原料液）经过正渗透膜的表面，在正渗透膜下安装的叉指电极提供介电电泳力所需的不匀称电场。特有的圆形表面使叉指电极的强电场面最大化，从而使用更少的材料，但可得到更强的介电电泳力。于是将正渗透膜安装在叉指电极的表面上，当固体颗粒靠近正渗透膜时，即靠近叉指电极时，将被移离而无法靠近正渗透膜。如此减少甚至消除膜污染和堵膜的发生。

原理如上，由于相对于水而更低的介电极化能力，固体颗粒在废水（原料液）中通常表现为阴性介电电泳性质；即在不匀称电场中，固体颗粒被向弱电场方向移动。水从原料液侧透过膜流向驱动液侧的同时，介电泳力将原料液中溶质移离而无法靠近正渗透膜，溶质不能在正渗透膜表面富集，如此减缓甚至避免正渗透平板膜分离工艺中因水从原料液侧流向驱动液侧引发的浓差极化现象，提高正渗透膜膜透过量。

Claims

1.一种介电电泳平板渗透膜组件，包括平板骨架、电极和渗透膜，其特征在于：所述平板骨架采用ABS制作，在平板骨架内横向均布间隔镶装有电极，在平板骨架贯通安装渗透膜，在平板骨架的进水端设置有进水口，在平板骨架的出水端设置有电线输出口和出水口，进水口通过平板骨架内的水道与出水口贯通连接，电线输出口与平板骨架的电极连接，并引出连接外界电源。

2.根据权利要求1所述的介电电泳平板渗透膜组件，其特征在于：所述电极采用圆柱形叉指电极结构，在每对电极中，一根电极采用绝缘电极，而另一根电极则采用防腐蚀材料的裸电极。