中央挡板和包含其的压力式中空纤维膜组件及其清洁方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种压力式中空纤维膜组件的结构及其清洁方法，更具体地说，涉 及一种圆柱形的中央挡板，其在膜组件内具有中空部，包括空气区，在空气区的外周上 具有有序或无序地穿过其的至少一个反洗孔，和水区，在水区的外周上具有有序或无序 地穿过其的至少一个反洗孔，和压力式中空纤维膜组件，其中所述中央挡板与浓缩部件 (concentration part) -样被安装在压力式组件的中心处的相同轴线上，以使得浓缩水和 清洁空气在壳体的各个方向上均匀流动，并防止其中在传统组件中发生的压力和线速度增 加或保持停滞这种现象，从而提高机械清洁效果并减少膜污染。另外，本发明涉及一种两段 式反洗方法，其改善了具有中央挡板的压力式中空纤维膜组件的维护和管理，通过在高压 下膜的活动和移动及在反洗过程中的空气注入其具有空气和反洗水的平稳移动的优点，并 减少使用的总能量，从而降低膜运行成本和使清洁效果最大化。
[0002] 本申请要求2013年3月18日在韩国提交的韩国专利申请No. 10-2013-0028607 的优先权，其公开的内容通过引用并入本文。
【背景技术】
[0003] 使用膜的分离，纯化和分馏正被广泛用于所有工业领域，并且通过待处理的液体 和处理过的液体将中空纤维膜组件用于材料的过滤和透析中可以增加每单位体积的有效 膜面积，并且因此至今在包括微滤和超滤的水处理，气体分离，医学和生物产业领域具有广 泛的应用范围。然而，通常，当试图使用膜分离颗粒材料或存在于溶液中的溶解物时，因为 从溶液中待排除的颗粒具有非常低的分散速度，即使中心区和膜表面之间的浓度梯度很 大，逆分散也不容易发生，所以发生浓差极化现象，其中在膜表面附近的溶解物浓度增加或 在膜表面上发生向溶解物连续相的相变，并因此形成了溶解物层并发生膜污染现象，例如， 小的溶解物颗粒被吸附到大孔的壁上且所述孔被与孔相似尺寸的颗粒封闭。
[0004] 因此，由于这些现象，随着运行时间增加，膜的渗透通量率降低并且跨膜压力升 高，并且需要进行使用反洗，空气冲刷，或化学品的清洁。
[0005] 在中空纤维膜的情况下，对于实际应用于工业过程，使用大量的以束的形式结合 的中空纤维膜组件，并且典型类型的一般压力式组件具有如图1中所示结构，其中通过其 注入原水的入口部件3被设置在组件的下部，所以原水在下部流入并进入尿烷灌封之间的 中空纤维膜中，其中中空纤维膜被保持在尿烷灌封中，过滤后的水流出安装在顶部的过滤 部件1，配置用于排出不通过中空纤维膜的浓缩水的浓缩部件2被安装在组件上部的侧面， 并且空气注入部件4被安装在组件的底部。根据一般压力式组件的结构，如图6中所示， 流入的原水和反洗水处理后产生的浓缩水和注入用于反洗或空气冲刷的空气沿着组件下 部的入口部件和上部侧面上的浓缩部件之间的非对称移动通道通过，并通过这种水和空气 的流动，中空纤维膜在一个方向移动，和因此，压力和线速度在组件内不均匀（见图6)，当 反洗过程和空气冲刷过程如果在膜组件污染的情况下进行时，应用于浓缩部件或浓缩部件 周围的压力增加，并且因此，膜可能被切断或拉伸并可能发生浓缩水的瓶颈现象（拥塞现 象）。
[0006] 照惯例，压力式膜组件通过反洗过程去除在运行过程中产生的膜污染物，但是传 统的反洗过程不能完全去除膜表面上的膜污染物，尽管空气冲刷过程被用于有效清洁，由 于位于组件侧面上的压力式膜组件的排水管的结构问题，在反洗水的流动中还是会产生死 区，并且因此，膜污染的消除是不均匀的并在膜组件内形成空气停留的空间，阻碍清洁。特 别是，当高浊度材料流入时，发生严重的膜污染现象并降低清洁效果，并且膜污染物不能被 完全去除，因此额外需要定期的化学清洁，额外的化学清洁增加膜过滤系统的管理和运行 成本。
[0007] 因此，在中空纤维膜组件的设计中，已经在膜组件的技术开发上进行了尝试，引入 挡板形结构以使得液体如处理后的水或清洁空气能够平稳流动或均匀流动分布，相关技术 呈现在下面。
[0008] KR2010-0129379A涉及低污染的中空纤维膜组件和使用其的水处理装置，其中流 入水在组件中旋转的同时流入水开始与中空纤维膜接触，旋转分布板使来自该水的具有不 同比重的杂质通过离心力与流入水分离，并且流入水分布口进行平均分布以防止在组件 中流入水的不均匀流动，KR2004-0034492A和JP2009-195899A针对一种中空纤维膜组件， 其中挡板圆筒被嵌入中空纤维组件中，相对于中空纤维膜组件的隔离壁上的壳筒（casing barrel)的轴，裂缝以倾斜方向延伸，以防止隔离膜从所述壳筒分离或脱离并使得处理后的 液体不流入组件中，JP2010-247107A针对一种膜组件，特征在于在组件中设置挡板，所述挡 板配置用于支持多个中空纤维膜，以保持在膜表面上供给液体的流速在高速下并处于湍流 状态，以改善液体在膜组件中的流动，并且挡板结构优于双管结构的组件，JP1989-099611A 关注一种管状膜组件，特征在于挡板具有多个孔以控制液体的圆柱形流动，以防止在圆柱 形膜滤器中污染物的形成或促进污染物的去除和以防止过滤效率的降低，并且挡板被放置 在与膜圆筒相同的轴上，在膜圆筒内部的中心上，并且被固定在上部和底部。
[0009] 然而，根据相关技术，具有挡板结构的膜组件仅被设计用于流入水方面的平均分 布或牢固地固定隔离膜或防止污染物的形成，在解决下面问题上有技术局限性：在中空纤 维组件的运行过程中，中空纤维膜倾向于一个方向，内压力和线速度发生不均匀性，并且当 反洗过程和空气冲刷过程如果在膜组件污染的情况下进行时，应用于中空纤维膜的压力或 浓缩部件周围的压力增加，并且因此，膜被切断或拉伸并发生浓缩水的瓶颈现象（拥塞现 象）。有对新型挡板结构的技术开发的需求，其防止发生在压力式膜组件中压力和线速度的 增加或浓缩水的拥塞现象并实现有效的机械清洁以减少膜污染和增加膜使用时间，和包括 其的压力式中空纤维膜组件和新的清洁方法，其使压力式膜组件的清洁效果最大化以改善 膜过滤系统的维护和管理并减少使用的总能量和因此降低运行膜的成本。
【发明内容】
[0010] 抟术问题
[0011] 本发明提出一种圆柱形的中央挡板，其在压力式中空纤维膜组件内具有中空部， 包括空气区，在空气区的外周上具有有序或无序地穿过其的至少一个反洗孔，和水区，在水 区的外周上具有有序或无序地穿过其的至少一个反洗孔，以使得浓缩水和清洁空气在压力 式组件内部各个方向上均匀流动，并防止其中在传统组件中发生的压力和线速度增加或保 持停滞这种现象，从而解决了膜的切断或拉伸问题和浓缩水的瓶颈现象（拥塞现象），提高 机械清洁效果，并减少膜污染，以及通过在高压下膜的活动和移动及在反洗过程中的空气 注入使得空气和反洗水平稳流入/排出。
[0012] 空气区位于中央挡板的上部以使得在空气注入和排出过程中有效供给和排出，并 且水区位于中央挡板的下部以促进浓缩水的排出和反洗水的流入，在中央挡板的空气区的 外周上穿过其形成的反洗孔的尺寸大于在水区上穿过其形成的反洗孔的尺寸，以通过在空 气注入过程中膜的活动和移动使得空气和反洗水平稳移动，并且水区的面积大于空气区的 面积以使得空气和处理后的水有效移动。
[0013] 如图1中所示，传统的压力式组件包括位于组件上部侧面上的浓缩部件2,通过其 排出浓缩水，和位于组件的上部和下部的中心的入口部件3和过滤部件1，但是如图4中所 示，根据本发明的压力式组件，在组件上部的中心的中央挡板配置在浓缩部件20的中心， 过滤部件10配置在组件上部的侧面上，原水入口部件/空气注入部件30配置在组件的底 部，并且浓缩水和空气的出口部件位于壳体的中心，所以从壳体的边缘到浓缩水的距离是 一致的并因此浓缩水和空气的移动是均匀的。
[0014] 另外，根据本发明的膜组件，中空纤维膜以相对于组件的中心呈同心圆的放射状 布置，中央挡板位于其中心，所以通过中空纤维膜的水净化处理和清洁效果是一致的，整个 中空纤维膜被平均使用，并且膜使用时间是长的。
[0015] 相比于涉及各自两个过程同时运行的一般传统的膜清洁过程，其包括使过滤的水 流入过滤的相反方向的反洗过程和将膜表面使用空气冲刷的空气冲刷过程，具有中央挡板 的压力式中空纤维组件具有膜污染减少的效果和通过应用包括两阶段的两段式反洗过程 使减少膜维护和管理成本最大化的优点，基于反洗时间将第一阶段和第二阶段分开，其中 反洗水的量和反洗空气的量对于每个阶段不同，在第一阶段中，反洗水的量大于反洗空气 的量，并且在第二阶段中，反洗空气的量大于反洗水的量，并因此，在第一阶段过程中，高水 量使得粘附到组件孔内部的污染物被容易地移至膜表面，并且在第二阶段过程中，移至表 面的污染物通过使用增加量的空气的空气冲刷过程被有效地去除。
[0016] 特别是，第一阶段在I. 5Q~2. 5Q的反洗水的量，即高于过滤水的量（Q) 1. 5至 2. 5倍，和100~250L/min(LPM)的反洗空气的量，即高于传统反洗空气的量（300L/min， LPM) 1/3至2