专利名称：一种高精度可清洗保安过滤器滤芯及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种膜法污水回用中的保安过滤器设备中滤芯，其制备方法以及其应用，属于膜法污水处理及应用领域。
背景技术：
近年来，随着淡水资源短缺问题的日益加剧以及环保执法力度的不断加强，节水减排相关技术在实际的工业应用中得到了进一步的推广和应用，其中污水深度回用技术——膜分离技术在现有的技术条件下得到了快速发展并已经应用到众多领域中。从某种意义上说膜分离技术已成为解决当前能源、资源和环境问题，实现可持续发展的技术基础之一。在我国，随着膜技术的引进和研究工作的深入，膜技术已开始在化工废水处理，海水、苦咸水淡化、环境污染治理等领域广泛应用。膜技术与传统过滤的不同在于膜可以在分子范围内进行分离，并且该过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径不同(或称为截留分子量)，可将膜分为·微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同可分为无机膜和有机膜，无机膜的商业化产品以微滤膜居多，主要是包括陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、含氟聚合物等等。膜技术相对传统的过滤分离技术具有较高的过滤精度，在污水回用中能通过不同的工艺或膜单元的组合使得原本被生产工艺污染的废水经过膜的深度处理后可以进行重复利用，通常在膜单元的前端安装保安过滤装置进一步保护高效的膜系统。目前工业中常用的保安过滤器只是设置在超滤给水泵与超滤膜给水管路或增加泵与反渗透高压泵的管路上的一个安保措施，常用过滤滤芯的材质主要有PP、PE、尼龙等，常用的过滤精度有I μ m、5 μ m、10 μ m和50 μ m ,但现有的保安过滤设施因只是管路上的一个过流单元，过滤器内的滤芯由于制造技术本身的缺陷无法实现表层过滤，容易导致深度污染；而且由于污染程度的加剧，污染后的滤芯很难被清洗，导致滤芯的频繁更换，由此带来运行和维护成本的升高。现有保安过滤装置中的精密过滤部分主要是由线绕滤芯和喷熔滤芯构成的，通过控制排列聚丙烯线绳的层数和疏密度来保证滤芯的过滤精度，从而在过滤过程中实现原水中杂质、胶体、悬浮物等的去除，实现超滤或反渗透膜装置的保护功能。现有的保安过滤器在工业实际应用过程中的主要缺点表现为以下几个方面(1)由于滤芯自身制备工艺的缺陷使得工业应用过程中滤芯的过滤孔径精度均大于I μ m (通常为5 μ m)且孔径分布较宽，导致过滤精度不高；(2)缠绕滤芯或喷融滤芯由于制造工艺的特点，决定了其不能在使用过程中形成表面过滤，工业应用中易堵塞并形成深度污染，造成产水水质恶化，不能起到很好的安保功能；(3)现有的工业滤芯由于深层污染导致其使用周期较短(一般为2个星期到I个月)，不易清洗、不能反复使用，在工业应用过程中不仅造成了运行成本的增加，而且更换过程影响了正常的生产和增加了劳动强度。针对目前保安过滤器滤芯在实际应用中存在的问题，如滤芯易形成深度污染，过滤精度不高，操作过程中受入水水质影响波动大等问题，目前有采用压缩空气进行反洗的保安过滤器，但采用压缩空气进行反洗一方面对压缩空气的压力要求较高，压力过大，容易损坏滤芯，压力过小无法达到反洗目的，另外，实践证明，采用压缩空气进行反洗的效果不好，空气很难将滤芯上粘附的杂质完全吹脱。因此，本发明提供了一种新型保安过滤器设备中滤芯的制备及应用方法。
发明内容
针对现有保安过滤器滤芯在实际运行中存在的技术问题，如过滤精度偏高、易形成深度污染、不可清洗、产水水质不易控制的缺点，本发明提供了一种保安过滤器设备中滤芯及其制备、应用方法，该滤芯不仅能够改进现有工业膜装置中因保安滤芯带来的各种问题，而且能够大大提高滤芯的运行和更换周期，降低现有双膜装置运行中的维护费用。本发明的技术解决方案为
选用具有较大表面积、单位体积内装填密度较大，且具有较高通量的中空纤维微滤膜作为保安过滤器用滤芯的关键组成部分。采用一定比例的环氧树脂和固化剂在一定固化条件下制备保安过滤器用滤芯；同时对现有的保安过滤器进行改造。具体的说，本发明所述的保安过滤器滤芯，包括支撑柱、滤芯封端和中空纤维微滤膜，所述中空纤维微滤膜丝沿径向均匀分布在支撑柱周围构成中空纤维微滤膜，所述滤芯封端分布在支撑柱两端，包括环氧树脂固化层。其中，支撑柱可以选择直径为5-10_、长度与保安过滤器滤芯基本相同的各种材料的棒状，如不锈钢棒或具有一定强度的塑料棒等。所述中空纤维微滤膜丝孔径范围为O. 5-5 μ m，优选的微滤膜孔径为1_2 μ m。中空纤维微滤膜丝可采用本领域常用的制备方法一种是NIPS即非溶剂引发的相分离；另一种是TIPS即为热引发相分离的方法，两种方法的主要区别在于，前一方法主要用于聚合物在常温条件下能找到合适的溶剂将其溶解形成均一溶液；后者主要用于在常温条件下聚合物很难找到合适的溶剂将其溶解，只能通过加热的方法形成聚合物的均一溶液，但事实上，有些聚合物如聚偏氟乙烯是两种方法都能用于微滤膜的制备，通常条件下，TIPS较NIPS法制备的微滤膜强度高。中空纤维微滤膜丝材料可选择下列中的一种或几种聚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚偏氟乙烯类，聚四氟乙烯、聚烯烃类、聚氯乙烯。其中所述的聚砜主要包括双酚A型聚砜、聚醚砜、酚酞型聚醚砜、酚酞型聚醚酮。其中所述的聚烯烃类主要包括聚乙烯、聚丙烯、亲水改性聚乙烯、亲水改性聚丙烯。优选亲水改性的有机膜材料，如亲水改性的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、磺化聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯。所述环氧树脂固化层的厚度为7_30mm ;
所述环氧树脂固化层采用常温条件下固化的环氧树脂固化而成，其中环氧树脂和固化剂的质量比范围为1:0. 5-1:2. 5，其中优选的环氧树脂和固化剂比例为1:2。本发明还提供上述保安 过滤器滤芯的制备方法，具体包括以下工艺步骤
I)取中空纤维微滤膜丝，将其平均分成若干份均匀分布到膜丝封端分布器中支撑柱的周围，并控制膜丝两端各超出封端分布器两端5-10mm ；
2)将步骤(I)中分布好的膜丝封端分布器的一端与浇铸端盖进行连接后直立固定；
3)按照去离子水与无水硫酸钙的质量比为1.8:1-1. 3:1调制硫酸钙糊，优选质量比为
2.2 :1. 2-2. 2 :1. 6，并将调制均一的硫酸钙糊快速转移到步骤(2)中的封端与浇铸盖内，使得中空纤维膜丝的浸入高度为广3_，并自然干燥；
4)将环氧树脂和固化剂按照1:0.5-1:2. 5，优选1:2的重量比混合均匀后，将其转移到步骤(3)的硫酸钙滤芯封端与浇铸盖内，浸入高度为10-30mm，进行常温固化24_48h ；
5)重复步骤2)_4)，将滤芯另一端进行固定；
6)将经过固定后滤芯两端的浇铸盖取下，切除硫酸钙固化层，打开中空纤维微滤膜丝内中心孔，从而得到保安过滤器滤芯。步骤3)中，采用一定浓度的硫酸钙溶液进行膜丝预封端，目的是防止环氧树脂固化过程中导致环氧树脂进入到膜丝内孔；
所述膜丝封端分布器就是一组可置于保安过滤器筒体内(与保安过滤器筒体内径相同)的通过筒体截面圆心的连接板，截面图如图3中305所示；可以市购，也可以自制；所述浇铸端盖是与膜丝封端分布器配合的中空圆柱体，用于浇注滤芯封端，本领域技术人员可采用常用的材料制得；
在步骤I)中，所述膜丝封端分布器可由若干个间隔物将膜丝进行均匀分布，一般分为八份；
所述中空纤维微滤膜丝的分布，可根据所需滤芯的过滤方式(死端过滤或错流过滤)进行判断，也可以由本领域技术人员根据需要进行。步骤2)中，所述连接可采用本领域常用的方式连接如法兰、卡套等，只要能够保证滤芯固化过程中被均匀分布的中空纤维膜位置保持相对稳定即可。本发明还提供采用上述保安过滤器滤芯的保安过滤器。本发明所述的保安过滤器包括滤芯，以及位于滤芯两端的具有、与保安滤芯外直径相互配合且有一定厚度圆孔的连接板，该圆孔主要用于保安滤芯在保安过滤器内的相对位置固定；所述滤芯和连接板采用O型圈密封，同时将进水和产水分开。所述圆孔的直径大小由保安滤芯的外直径和O型圈厚度大小所决定，通常为10_20cm。所述多个保安滤芯以过滤器体横截面的中心为中心，呈中心对称纵向排布在过滤器体内，滤芯长度与过滤器体长度相同。将本发明制备的保安滤芯安装到如图5中的保安过滤器中，并用O型圈或O型垫片进行密封，将如图4中所示的上下端盖与其采用卡套或法兰的方式连接后串联到工业膜装置的管路中即可投入使用。本发明的应用技术方案优选的是采用两组安装新型保安滤芯的过滤装置进行工业应用，主要通过压差控制或时间控制的方式进行保安过滤装置的运行与清洗切换，污染及清洗后的保安过滤器的性能恢复主要通过清洗前后及运行初始状态压差进行判定。当保安过滤器的进出水压差超过O. 2MPa时进行在线切换清洗，并当经过多次在线清洗，上述保安过滤器的进出水压差不能恢复或压差恢复率小于90%时，可进行保安滤芯的更换，并将更换后的滤芯装入离线清洗装置进行清洗。清洗前首先标定其污染后的过滤通量，并分别使用pH为2和12的酸碱清洗液进行循环清洗，采用自来水或去离子水重新标定清洗后滤芯的性能恢复情况。待滤芯彻底清洗后即可进行循环使用。本发明与现有技术的实质性区别主要在于，保安过滤器滤芯采用具有较小过滤孔径和较窄孔径分布的中空纤维微滤膜作为主要过滤材料，本发明中的保安滤芯具有外皮层相对致密的结构特点，可形成表层过滤，不仅克服了现用滤芯深度污染的严重问题而且还可通过化学清洗进行性能恢复，克服了现有缠绕滤芯不能通过清洗实现反复利用的问题，降低了工业膜装置运行维护成本及劳动强度。本发明的有益效果是
保安过滤器滤芯具有较工业现用PP缠绕滤芯具有较高的过滤精度，同时保安过滤器滤芯可形成表层过滤克服了现用滤芯深度污染的严重问题；保安过滤器具有反洗功能，污染后的保安滤芯经清洗后可反复使用，不仅降低了安装、拆卸的劳动强度而且大大降低了更换PP滤芯所需费用，降低了运行及维护成本。采用本发明的保安过滤器，不仅能够克服现有保安滤芯在实际运行中存在的技术问题，如过滤精度偏高、易形成深度污染、不可清洗、产水水质不易控制的缺点，而且能够大大提高滤芯的运行和更换周期，降低现有双膜装置运行中的维护费用。
图1保安过滤器滤芯封端、浇铸盖及其连接示意图；其中101为封端；102为浇铸盖；103为上述两者的连接方式；
图2本发明所述保安过滤滤芯结构示意图；其中201滤芯封端；202 O型圈；203支撑柱；204中空纤维膜丝；
图3本发明所述保安过滤芯顶端结构示意图；其中A为错流过滤模式，B为死端过滤模式，204a开孔中空纤维膜丝；204b闭孔中空纤维膜丝；203支撑柱；304进水分布孔；305膜丝分布器；
图4本发明所述保安过滤器上下两端连接板结构示意图；其中A为上端连接板，B为下端连接板，401保安过滤器连接板；402密封圈；
图5本发明所述保安过滤器结构示意图；其中A为错流过滤模式，B为死端过滤模式，501进水；502浓水；503产水；
图6本发明所述保安过滤器安装示意图；其中A为错流过滤模式，其601两端均为图3中A断面的保安滤芯；B为死端过滤|旲式，602上端为图3中B、下端为图3中A结构的保安滤芯；
图7本发明所述保安过滤器在工业装置中的应用流程图；其中E-5泵；E3、E4新型保安过滤器；Vl-Vll电动或气动阀门；11-14压力表。
具体实施例方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1
制备采用本发明所述的保安过滤器滤芯1)取平均孔径为1μ m的微滤膜，孔径分布范围为0. 5-1. 5 μ m的PTFE中空纤维膜作为过滤材料，将其平均分成八份均匀分布到膜丝封端分布器中支撑柱的周围，并控制膜丝两端各超出膜丝封端分布器两端约10mm ；
2)将步骤(1)中分布好的膜丝封端分布器的一端与浇铸端盖102进行连接后直立固定，连接方式见图1所示；
3)按照去离子水与无水硫酸钙1.8:1的质量比配制无水硫酸钙糊，并将硫酸钙糊快速转移到步骤(2)中的封端与浇铸盖内，浸入高度为3mm，进行自然干燥；
4)将环氧树脂和固化剂按照1:1.5的质量比混合均匀后，将其转移到步骤(3)的滤芯封端与浇铸盖内，浸入高度为30mm，进行常温固化24h ；
5)重复步骤2)_4)，将滤芯另一端进行固定；
6)将经过固定后滤芯两端的浇铸盖取下，将经过固化后的滤芯两端沿滤芯封端端面进行旋切，打开中空纤维微滤膜丝内中心孔，从而得到保安过滤器滤芯。所述膜丝封端分布器如图3中305图。制备的保安滤芯长度为lm，每个滤芯的有效膜面积为5m2，单支滤芯的处理量为3_5t/h。滤芯与保安过滤器采用O型圈密封的方式将进水和产水、反洗水与清洗水进行隔离。本发明的保安过滤系统如图7所示。保安过滤器在实际应用过程中主要通过以下方式进行控制以实现正常运行与清洗交替。正常运行条件下的操作程序如下
E5启动V8、V4、Vll打开上进水，时间控制参数设置Tlmin，上进水运行Tl时间后，V4关闭V3打开实现下进水操作，时间控制参数设置T2min，此运行过程为一周期；运行T2时间后，开始进行V4和V3的交替运行，此过程需要记录周期数，能实现周期控制参数可设为N个。根据实际运行情况，进行Tl和T2的参数设置，和交替运行周期数目N的设置；当运行周期数达到N次后，系统开始切换至清洗状态。清洗控制
当A套达到清洗状态时，A套停止运行，即V8、V4、V3关闭，Vll和Vl开启；B套启动，即V10、V12打开，V7、V5交替打开进行类似A套的运行操作，此过程的时间控制参数分别为T3和T4，此时A套清洗水由B套产水进行A套的反向冲洗过程，此冲洗过程的时间参数需要进行控制为T5min，此过程的清洗水流经Vl至泵E5前进行反复使用，当达到清洗时间后，A套响应阀门关闭进行休息，等待B套到达清洗状态。当B套运行周期控制N2到设定值后，B套达到清洗条件，B套停止前2secA套启动，重复上述过程进行A套连续产水，B套清洗。实施例2
制备采用本发明所述的保安过滤器滤芯
1)取平均孔径为0.5 μ m的微滤膜，孔径分布范围为0. 1-1. 0ym的亲水改性的PVC中空纤维微滤膜为保安滤芯材料，将其平均分成八份均匀分布到膜丝封端分布器中支撑柱的周围，并控制膜丝两端各超出膜丝封端分布器两端5mm ；
2)将步骤(1)中分布好的膜丝封端分布器的一端与浇铸端盖进行连接后直立固定，连接方式见图1中的103所示；
3)按照去离子水与无水硫酸钙2.2:1. 6的质量比配制无水硫酸钙糊，并将硫酸钙糊快速转移到步骤(2)中的封端与浇铸盖内，浸入高度为1mm，进行自然干燥；
4)将环氧树脂和固化剂按照1:2的质量比混合均匀后，将其转移到步骤(3)的滤芯封端与烧铸盖内，浸入高度为IOmm,进行常温固化48h ；
5)重复步骤2)_4)，将滤芯另一端进行固定；
6)将经过固化后的滤芯两端沿滤芯封端的硫酸钙固化层的端面进行旋切，打开中空纤维微滤膜丝内中心孔，从而得到保安过滤器滤芯。所述膜丝封端分布器如图3中305图所示。本发明的保安过滤系统如图7所示
本实施例中的保安过滤器用滤芯采用滤芯长度为lm，每个组件的有效膜面积为8m2，单支滤芯的处理量为4-6t/h，采用常温环氧树脂和固化剂的比例为1:1进行固化封端后使用。滤芯与保安过滤器采用O型圈密封的方式将进水和产水、反洗水与清洗水进行隔离。两套系统在实际应用过程中，当其中一套达到一定的清洗条件或两套同时达到清洗条件下，在保证一套在连续运行的过程中，另一套清洗后即可进行运行的操作流程说明如下
A套和B套同时启动运行，当A、B均达到清洗状态时，其中A套清洗，B套运行；当A套清洗时间达到预设时间后，即可转入预先设定的上下交替进水设定时间运行；此时B套开始清洗，清洗到预设时间后进行产水运行，假设上述为一运行周期；此后的运行过程均采用此方式进行运行。
权利要求
1.一种保安过滤器滤芯，包括支撑柱、滤芯封端和中空纤维微滤膜，所述中空纤维微滤膜丝径向均匀分布在支撑柱周围构成中空纤维微滤膜，所述滤芯封端分布在支撑柱两端，包括环氧树脂固化层。
2.如权利要求1所述的保安过滤器滤芯，其特征在于，所述中空纤维微滤膜丝孔径范围为O. 5-5 μ m,优选的微滤膜孔径为1-2 μ m。
3.如权利要求1或2所述的保安过滤器滤芯，其特征在于，所述中空纤维微滤膜材料可选择下列中的一种或几种聚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚偏氟乙烯类，聚四氟乙烯、聚烯烃类、聚氯乙烯；优选经过亲水改性的下述材料聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、磺化聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯。
4.如权利要求3所述的保安过滤器滤芯，其特征在于，所述聚砜包括双酚A型聚砜、聚醚砜、酚酞型聚醚砜、酚酞型聚醚酮；所述聚烯烃类包括聚乙烯、聚丙烯、亲水改性聚乙烯、亲水改性聚丙烯。
5.如权利要求1所述的保安过滤器滤芯，其特征在于，所述环氧树脂固化层的厚度为7-30mmo
6.如权利要求1或5所述的保安过滤器滤芯，其特征在于，所述环氧树脂固化层采用常温条件下固化的环氧树脂固化而成，其中环氧树脂和固化剂的质量比为1:0. 5-1:2. 5，其中优选比例为1:2。
7.如权利要求1所述的保安过滤器滤芯，其特征在于，所述过滤芯的通量为O.1MPa下的纯水通量为500-2000L/m2h，其中优选的滤芯通量为800_1500L/m2h。
8.如权利要求1-7任一所述的保安过滤器滤芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 1)取中空纤维微滤膜丝，将其平均分成若干份均匀分布到膜丝封端分布器中支撑柱的周围，并控制膜丝两端各超出膜丝封端分布器两端5-10mm ； 2)将步骤(I)中分布好的膜丝封端分布器的一端与浇铸端盖进行连接后直立固定； 3)按照去离子水与无水硫酸钙的质量比为1.8:1-1. 3:1，优选为2. 2:1. 2-2. 2:1. 6的质量比调制无水硫酸钙糊，并将硫酸钙糊快速转移到步骤(2)中的封端与浇铸盖内，浸入高度为l_3mm，进行自然干燥，实现中空纤维膜丝顶端的封堵； 4)将环氧树脂和固化剂按照1:0.5-1:2. 5，优选1:2的质量比混合均匀后，将其转移到步骤(3)的滤芯封端与浇铸盖内，浸入高度为10-30mm，进行常温固化24_48h ； 5)重复步骤2)_4)，将滤芯另一端进行固定； 6)将经过固定后滤芯两端的浇铸盖取下，切除硫酸钙固化层，打开中空纤维微滤膜丝内中心孔，从而得到保安过滤器滤芯。
9.采用如权利要求1-7任一所述的保安过滤器滤芯的保安过滤器，其特征在于，所述的保安过滤器包括滤芯，以及位于滤芯两端的具有与保安滤芯外直径相互配合且有一定厚度的圆孔连接板；所述保安过滤器滤芯和连接板采用O型圈密封，同时将进水和产水分开。
10.如权利要求9所述的保安过滤器，其特征在于，所述圆孔的直径为10-20cm;所述多个保安滤芯以过滤器体横截面的中心为中心，呈中心对称纵向排布在过滤器体内，滤芯长度与过滤器体长度相同。
全文摘要
本发明涉及一种保安过滤器用高精度滤芯的制备与应用技术，特别涉及一种废水深度处理及回用过程中膜前保安过滤器中滤芯的制备和应用技术，本发明解决了工业现用喷融或缠绕PP滤芯过滤精度不高、易造成深层污染，不能通过化学清洗达到反复使用的技术问题。本发明可主要用于膜法污水处理领域中的双膜系统中保安过滤器中滤芯的使用和更换，还可应用于过滤精度要求较高，出水可用于油田回注水、循环水补水的水处理工艺中，在常规的生化处理单元可以代替或部分取代二沉池的沉淀功能，获得更为严格的外排水质要求。
文档编号C02F1/44GK103055699SQ201110316468
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者杨永强, 谢梓峰, 王玉杰, 奚振宇 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院