CN103920397B - 一种适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于通用平板膜元件的复合场膜，分离实验装置，包括本体结构和外接本体结构的超声波换能器、高压交流脉冲电源，本体结构上下对称，由上夹板和下夹板、上腔体壁和下腔体壁及位于中间的膜元件形成上料液腔体、下料液腔体以及膜元件内的滤液腔体这三个独立的封闭腔体；上导电螺杆下端伸在上料液腔体内可调节地连接上电极板、上端伸出上夹板外连接高压交流脉冲电源，下导电螺杆上端伸在下料液腔体内可调节地连接下电极板、下端伸出下夹板外连接高压交流脉冲电源；上、下腔体壁均是由四个L型壁板首尾搭接成的平移方框型结构；本发明实现了腔体长度、宽度、厚度的三维可调，可以更换不同类型的膜元件，使用灵活方便，通用性好。

Description

一种适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置

技术领域

本发明涉及膜分离技术领域，具体涉及一种适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置。

背景技术

膜分离技术是指利用膜的选择性分离特性，以压力差、浓度差、电化学势等为推动力，实现料液不同组分的分离、纯化、浓缩的技术。膜分离技术广泛应用于石油、化工、环保、能源、医药、食品和水处理等领域。然而，由于膜分离过程中存在的浓差极化、膜污染和膜劣化现象，使得目前工业化应用的膜分离***普遍存在着分离效果差、生产成本高、生产速度和效率难于有效提高的问题，制约了膜分离技术进一步的大规模应用。浓差极化、膜污染和膜劣化的发生机制十分复杂，由于缺乏有关弱化浓差极化、膜污染和膜劣化效应的有效实验手段，现阶段对高效膜过滤的方法研究还处在经验阶段，并未建立成熟的理论体系。因此，对在外场条件下进行膜分离过程的膜分离实验设备，研究浓差极化、膜污染和膜劣化的形成机理以及处理方法具有重要的意义。

近年来，膜生物反应器（MBR）被广泛应用于城市污水和工业废水处理，膜组件是MBR的核心部分，目前工程化应用中膜组件的形式主要有平板构型和管式构型。平板型膜组件通常是安装有若干平板膜元件的箱子，配有曝气装置和进出水管，膜元件之间是相互并联的。市场上通用的浸没式双面平板膜元件一般由膜支撑框、滤膜片、导流布及导流板等组成，在导流板的顶端设有一个抽吸口，膜池中的活性污泥被阻隔在膜元件的外部，过滤后的水通过膜元件抽吸口在负压作用下被抽出。目前各厂商生产的平板膜元件的型号一般有四种，其对应的有效膜面积分别为1.5m²、0.8m²、0.25m²和0.1m²，相应的外形尺寸（宽度×长度×厚度（mm））一般为490×1750×7、490×1000×7、340×470×7和220×320×6。不同厂商生产的膜元件在有效膜面积相等的情况下，在外形尺寸上会有差异，如有效膜面积为0.1m²的膜元件，其外形尺寸宽度为210±30mm、长度为310±30mm、厚度为6±2mm。

中国专利申请号200620155007.1公开了一种超声场和高压交流脉冲电场复合强化的超滤膜分离组件，用于实验室的超滤试验，并利用超声场和高压交流脉冲电场改善浓差极化，防止膜污染，该组件设置了上下基板，上下基板间的凹槽形成空腔，上下导电板分别压于空腔内，通过压条将超滤膜片压紧在下基板的凹槽内，将上下导电板分成两个相互隔开的空间。上空间为原料液，有进液口和出液口，下空间为过滤液，有出液口。上导电板位于原料液空间内，下导电板位于过滤液空间内。在其中一个基板上加工8个超声波安装孔，超声波振子安装在两个基板之间的空间内，紧贴电极板。该装置使用超滤膜片进行超滤实验，需要专门裁切膜片，上下空间大小固定，不能调节，不能使用通用的平板膜元件。导电板、超声波振子等的安装位置固定，不能调节。超滤膜使用压条压紧在上下基板之间，安装位置和大小固定，拆卸更换时需要拆开整个装置。以上，导致该组件通用性不强，使用不便。

发明内容

本发明的目的是针对现有膜分离技术存在的问题，公开一种适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置，直接使用商用的膜元件，双面过滤，能够利用不同厂商生产的、各种材料和类型的单个膜元件开展分离试验，通过设置不同的实验环境，测试膜分离过程的性能和效率，对各种膜材料的可靠性进行测试，分析浓差极化、膜污染和膜劣化产生的原因机理，并提供位置可调的超声场和交变电场的复合场，研究在复合场条件下对浓差极化和膜污染的抑制作用以及对膜材料的影响，为诸多膜分离应用实验提供了一种新型的结构。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：本发明包括本体结构和外接本体结构的超声波换能器、高压交流脉冲电源，所述本体结构上下对称，由上夹板和下夹板、上腔体壁和下腔体壁及位于中间的膜元件形成上料液腔体、下料液腔体以及膜元件内的滤液腔体这三个独立的封闭腔体；上腔体壁的左侧壁上开有上进液口、右侧壁上开有上出液口；下腔壁左侧壁上开有下进液口、右侧壁上开有下出液口，膜元件的左侧设有过滤液出口；上料液腔体内部设有固定连接上夹板上的上电极板，下料液腔体内部设有固定连接下夹板的下电极板；上导电螺杆下端伸在上料液腔体内可调节地连接上电极板、上端伸出上夹板外连接高压交流脉冲电源，下导电螺杆上端伸在下料液腔体内可调节地连接下电极板、下端伸出下夹板外连接高压交流脉冲电源；上腔体壁和下腔体壁均是由四个L型壁板首尾搭接成的平移方框型结构，可调节上料液腔体和下料液腔体的长度和宽度；上夹板和下夹板的外表面均设有斜体卡槽，斜体卡槽内嵌有超声波换能器，超声波换能器连接超声波发生器。

本发明与已有技术相比，具有如下优点：

1．本发明针对通用的平板膜元件，设计了双料液腔，与膜元件组合形成了三腔体结构，上料液腔和下料液腔分别设置了进液口和出液口，中滤液腔直接采用膜元件的出液口，这种结构适用于通用平板膜元件的实验。

2.很多厂商生产有效膜面积为0.1平方米和0.25平方米的小型平板膜元件，但不同厂商生产时，平板膜元件板框的长度、宽度和厚度等尺寸参数会有一定的差异，本发明采用腔壁移动拼接和螺杆调节相配合的方式，上下采用夹板固定，实现了腔体长度、宽度、厚度的三维可调，可以适应大部分厂商生产的0.1平方米和0.25平方米的小型平板膜元件产品。直接采用通用的双面平板膜元件进行膜分离试验，拆卸膜元件时只需拧松螺杆的螺母，将膜元件抽出即可，不需要裁切膜片，适用于各种商用平板膜元件的膜分离和膜材料检测实验，使用灵活方便，通用性好。

3．本发明上下电极板分别设置在上料液腔和下料液腔体中，用定位套管调节到膜表面的距离，通过改变极板间交变电场的强度，研究电场对浓差极化和膜通量的影响。

4．本发明表面设置了三个卡槽，根据超声波换能器的形状设计，两边向内倾斜，用于夹住同样呈倾斜端面的超声波换能器，便于左右调节安装位置，两边各开有一排小孔，***插销后通过阻挡作用对超声波换能器产生一个向下的力，有利于进一步的固定，这样的设计可以安装任意数量的超声波换能器，根据实验需要灵活调节换能器数目和位置，便于超声波助滤效果实验，满足不同的实验需要。超声波换能器安装于上下夹板表面的卡槽上而不是安装于腔体内，避免了换能器清洁、通电、夹板打孔密封和拆卸不易的问题。

5．本发明上下夹板采用长螺杆结构固定，方便膜元件的拆卸和更换。

6.本发明接入膜分离***中，通过施加和改变腔体内实验环境条件，包括温度、压力、酸碱度、流速、颗粒大小等，针对膜分离过程的效率、浓差极化、污染和劣化情况进行测试，研究膜元件和膜材料的可靠性。接入膜分离***中，可以更换不同类型的膜元件，进行微滤、超滤、纳滤、反渗透等膜分离试验。

7、本发明中的电极板分别安装于上下料液腔内，不接触滤液腔，电场充分作用于原料液，更好地对膜表面施加影响。在复合场具体实施时将一面的电极板取出，可以实现上电场、下超声场或上超声场、下电场的组合。上下电极板、超声波换能器的安装数量和位置视实验的需要均可进行调节。

附图说明

图1为本发明所述一种适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置在去掉外接的超声波发生器、超声波换能器、高压交流脉冲电源及相关安装附件之后的本体结构正视图；

图2为图1中上腔体壁4或下腔体壁8的结构图；

图3为图2中上夹板1及其关联部件的仰视结构图；

图4为图2中上夹板1及其关联部件的俯视结构图；

图5为本发明去掉超声波发生器、高压交流脉冲电源后的立体装配图。

图6为本发明所述一种适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置的立体装配图。

图中：1.上夹板；2.上进液口；3.腔体固定螺杆；4.上腔体壁；5.膜元件；6.过滤液出口；7.下进液口；8.下腔体壁；9.固定螺杆和螺母；10.下夹板；11.定位杆；12.定位套管；13.腔壁固定螺孔；14.上电极板；15.防水橡胶垫；16.上出液口；17.下电极板；18.下出液口；19.滤液腔体；20.上料液腔体；21.下料液腔体；22.固定螺孔；23.导电螺孔；24.插销；25.安装超声波换能器的斜体卡槽；26.超声波换能器；27.插销孔；28.超声波发生器；29.高压交流脉冲电源；30.上导电螺杆；31.下导电螺杆；32.绝缘防渗垫片。

具体实施方式

参见附图1和图6，本发明所述适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置包括本体结构和外接本体结构的超声波换能器26、超声波发生器28、高压交流脉冲电源29。所述本体结构为上下对称结构，正中间是膜元件5，由上夹板1和下夹板10、上腔壁4和下腔壁8以及位于中间的膜元件5构成三个独立的封闭腔体，三个独立的封闭腔体分别是上料液腔体20、下料液腔体21和膜元件5内的滤液腔体19。上料液腔体20由上夹板1、上腔体壁4和膜元件5围成，下料液腔体21由下夹板10、下腔体壁8和膜元件5围成，膜元件5本身内部具有滤液腔体19。

在上夹板1与上腔体壁4之间的结合部、下夹板10和下腔体壁8之间的结合部都用防水橡胶垫15作密封防渗处理。上腔壁4的下端面、下腔壁8的上端面分别扣压在膜元件5的边框处，在结合部也用防水橡胶垫15作密封防渗处理。

在上腔壁4的左侧壁上开有上进液口2、右侧壁上开有上出液口16；在下腔壁8左侧壁上开有下进液口7、右侧壁上开有下出液口18，各个进液口和出液口都是通用螺纹结构，边缘作密封防渗处理，便于接入膜分离***外设。膜元件5的左侧头部设有过滤液出口6，过滤液出口6稍向外突出。

在上料液腔体20内部安装上电极板14，在下料液腔体21内部安装下电极板17。上电极板14固定在上夹板1上，下电极板17固定连接在下夹板10上。上电极板14和下电极板17分别通过上、下导电螺杆30、31和各自的定位杆11、定位套管12的共同作用，调节安装位置并固定。

上导电螺杆30垂直安装于上夹板1的中央，下导电螺杆31垂直安装于下夹板10的中央，在上、下导电螺杆30、31和上、下夹板1、10的结合部，用绝缘防渗垫片32作防渗绝缘处理。上导电螺杆30下端伸在上料液腔体20内连接上电极板14、上端伸出上夹板1外并外接高压交流脉冲电源29，下导电螺杆31上端伸在下料液腔体21内连接下电极板17、下端伸出下夹板10外并外接高压交流脉冲电源29（参见附图6），由高压交流脉冲电源29向上、下电极板14、17供电，从而在上、下电极板14、17间产生交变电场，对膜分离过程中膜材料表面的浓差极化现象产生影响。

参见附图2，为上腔体壁4的结构图，下腔体壁8结构与此相同。上腔体壁4和下腔体壁8均是由四个L型壁板首尾搭接成的平移方框型结构，实现了上料液腔体20和下料液腔体21的腔体大小可调。在搭接处分布有一排螺孔，螺孔不打穿，与腔体不相通。通过2个螺丝3固定和调节上料液腔体20和下料液腔体21的大小。在搭接处用防水橡胶垫15保证腔体的防渗和密封，4个搭接处都作相同处理。通过同时移动同处一侧的上下或左右2个L型壁板，实现上料液腔体20和下料液腔体21的长度和宽度的可调节，以适应大部分有效膜面积为0.25m²和0.1m²的商用平板膜元件。

参见附图3，同时参见附图1，为上夹板1及与其关联部件的仰视结构图，下平板10与其关联部件的俯视结构与此相同。主要有位于上下侧边缘的6个固定螺孔22，用于整个实验装置的安装固定。一圈防水橡胶圈15，有一定的宽度范围，能适应腔体大小的调整。位于中央位置的螺孔23用于安装上导电螺杆31以及4个定位杆11，在定位杆11上嵌套定位套管12，通过定位套管12和上导电螺杆31的共同作用，固定安装上电极板14。使用不同长度的定位套管12，可以调节上电极板14的安装位置。

参见附图4，为上夹板1的俯视结构图，下平板10的仰视结构与此相同。超声场的设置为在上夹板1的表面安装有3个斜体卡槽25，3个斜体卡槽25相互平行。超声波换能器26形状为倒喇叭型，与此相适应，斜体卡槽25的侧边向内倾斜，上面各开有一排插销孔27。超声波换能器26的安装方法为嵌入斜体卡槽25内，安装位置可以沿斜体卡槽25左右调节，位置确定后，通过两侧边的插销孔27，在超声波换能器26两侧的肩突处各***一根插销24，形成钳位固定结构，通过斜体卡槽25向内倾斜的侧边产生的夹力和插销24钳位固定产生的向下阻力，对超声波换能器26加以固定。这种结构可以根据实验要求安装任意多个超声波换能器26。

参见附图5，同时参见附图1、附图2、附图3、附图4，先按照膜元件5的尺寸，调节安装好上、下腔体20、21。在装配时首先放置好下夹板10，接着在各个定位杆11上套上定位套管12，将下电极板17放置在定位套管12上，然后将下导电螺杆31穿过电极板17和下夹板10，在下导电螺杆31上配合相应的绝缘防渗垫片32拧上螺母，完成下电极板17的安装固定。接着将装配好的下腔体21放置在下夹板10背面的一圈防水橡胶垫15上。然后将膜元件5配合防水橡胶垫15压紧在下腔体21上端，膜元件5的头部和过滤液出口6稍向外突出，滤液腔体19置于中央位置。接着将装配好的上腔体20配合防水橡胶垫15压紧在膜元件5的上端面边框处。接着将上夹板1背面朝上，在各个定位杆11上套上定位套管12，将上电极板14放置在定位套管12上，然后将上导电螺杆30穿过上电极板14和上夹板1，在上导电螺杆30上配合相应的绝缘防渗垫片32拧上螺母，完成上电极板14的安装固定。然后将上夹板1翻转背面朝下，扣压在上腔体20上方，对齐上夹板10背面的一圈防水橡胶垫15。最后将6根固定长螺杆9穿过上、下夹板1、10两侧边缘的固定螺孔，拧上螺母完成固定安装。

参见附图6，同时参见附图1，超声波换能器26外接超声波发生器28，上、下导电螺杆30、31外接高压交流脉冲电源29，形成超声场和交变电场的复合场。超声波发生器28的输入电压为220V，工作电流为2～6A，输出频率为17～68kHz，最大功率为2000W；超声波换能器28频率可为25kHz、28kHz、40kHz、60kHz等，功率为40～100W，配合超声波发生器，超声波功率、频率持续可调节。高压交流脉冲电源29输入220V两相交流电源，输出脉冲电压0～1000V交流可调，输出脉冲频率5～1000Hz可调，输出脉冲电流10～500mA，最大脉冲输出功率500W。由交变电场和超声场构成的复合场，利用复合场对液体和膜材料的冲击和扰动作用，对膜分离过程的浓差极化和污染进行抑制，并考察对膜元件5和膜材料的性能影响。该复合场平板膜分离组件实验装置，接入膜分离***中，上、下进液口2、7和上、下出液口16、18外接水泵和风机形成循环液流结构，在上、下料液腔体20、21中产生压力和切向流，原料液从上、下进液口2、7进入上、下料液腔体20、21，经过膜分离过程，过滤液进入膜元件滤液腔体19，然后从膜元件的过滤液出口6流出，浓缩液经上、下出液口16、18流出，可以更换不同类型的膜元件，进行微滤、超滤、纳滤、反渗透等膜分离试验，对膜分离及过程的功能和效率进行测试。另外，还可以通过改变上、下料液腔体20、21内温度、压力、PH值、原料液中颗粒大小、流速等环境条件，测试膜元件5和膜材料在各种极限条件下的污染和劣化情况，测试其工作可靠性。

Claims (7)

1.一种适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置，包括本体结构和外接本体结构的超声波换能器（26）、高压交流脉冲电源（29），其特征是：所述本体结构上下对称，由上夹板（1）和下夹板（10）、上腔体壁（4）和下腔体壁（8）及位于中间的膜元件（5）形成上料液腔体（20）、下料液腔体（21）以及膜元件（5）内的滤液腔体（19）这三个独立的封闭腔体；上腔体壁（4）的左侧壁上开有上进液口（2）、右侧壁上开有上出液口（16）；下腔体壁（8）左侧壁上开有下进液口（7）、右侧壁上开有下出液口（18），膜元件（5）的左侧设有过滤液出口（6）；上料液腔体（20）内部设有固定连接上夹板（1）的上电极板（14），下料液腔体（21）内部设有固定连接下夹板（10）的下电极板（17）；上导电螺杆（30）下端伸在上料液腔体（20）内可调节地连接上电极板（14）、上端伸出上夹板（1）外连接高压交流脉冲电源（29），下导电螺杆（31）上端伸在下料液腔体（21）内可调节地连接下电极板（17）、下端伸出下夹板（10）外连接高压交流脉冲电源（29）；上腔体壁（4）和下腔体壁（8）均是由四个L型壁板首尾搭接成的平移方框型结构，可调节上料液腔体（20）和下料液腔体（21）的长度和宽度；上夹板（1）和下夹板（10）的外表面均设有斜体卡槽（25），斜体卡槽（25）内嵌有超声波换能器（26），超声波换能器（26）连接超声波发生器（28）。

2.根据权利要求1所述适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置，其特征是：上、下进液口（2、7）和上、下出液口（16、18）外接水泵和风机形成循环液流结构，上、下料液腔体（20、21）中产生压力和切向流，原料液从上、下进液口（2、7）进入上、下料液腔体（20、21），经过膜分离过程，过滤液进入膜元件滤液腔体（19），从膜元件的过滤液出口（6）流出，浓缩液经上、下出液口（16、18）流出。

3.根据权利要求1所述适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置，其特征是：有多个超声波换能器（26），有3个相互平行的斜体卡槽（25），斜体卡槽（25）的侧边向内倾斜。

4.根据权利要求1所述适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置，其特征是：超声波发生器（28）的输入电压为220V，工作电流为2～6A，输出频率为17～68kHz，最大功率为2000W；超声波换能器（26）的频率为25kHz、28kHz、40kHz、60kHz，功率为40～100W；高压交流脉冲电源（29）的输入电压为220V，输出脉冲电压为0～1000V，输出脉冲频率为5～1000Hz，输出脉冲电流为10～500mA，最大脉冲输出功率为500W。

5.根据权利要求1所述适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置，其特征是：上、下夹板（1、10）的结合部装有绝缘防渗垫片（32），上夹板（1）与上腔体壁（4）之间的结合部、下夹板（10）和下腔体壁（8）之间的结合部装有防水橡胶垫，上腔体壁（4）的下端面、下腔体壁（8）的上端面分别扣压在膜元件（5）的边框处，在扣压部装有防水橡胶垫。

6.根据权利要求1所述适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置，其特征是：上电极板（14）和下电极板（17）分别通过上、下导电螺杆（30、31）和各自的定位杆（11）、定位套管（12）分别连接上、下夹板（1、10）。

7.根据权利要求1所述适用于通用平板膜元件的复合场膜分离实验装置，其特征是：在上腔体壁（4）和下腔体壁（8）的四个L型壁板的搭接处分布有一排螺孔，螺孔与腔体不相通，通过2个螺丝（3）固定和调节上料液腔体（20）和下料液腔体（21）的大小。