一种单侧封装u型中空纤维膜元件及组件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种单侧封装U型中空纤维膜元件及组件。所述的中空纤维膜元件包含U型中空纤维膜集束、密封头和中心横隔板，中心横隔板位于U型中空纤维膜集束的内部，U型中空纤维膜集束的首端、尾端和中心横隔板的一端或一端的近端部密封于密封头中。本发明中空纤维膜元件搭配以不同的上下端盖、膜壳、进出口和中心横隔板，可组成外压、内压、浸没和曝气式等不同类型的中空纤维膜组件，膜元件通用性高。所述的中空纤维膜元件及组件采用单侧封装，降低了组建封装难度，使得组件结构紧凑，灵活性强，密封设计简单合理，减少了组件上使用过程中的渗漏风险。
【专利说明】一种单侧封装U型中空纤维膜元件及组件
【技术领域】
[0001]本发明涉及膜分离设备领域，尤其涉及一种中空纤维膜元件及组件。
【背景技术】
[0002]膜分离技术因其高效低能耗的技术特点而被广泛用于物质的分离、提纯、浓缩和净化过程，在化学化工，医药食品、能源储运和环境保护等领域的应用优势愈加突出。现有的膜元件或膜组件类型主要有平板式、卷式、管式和中空纤维等几种型式，而其中中空纤维膜因其膜面积极大、组件装填密度较高和成本较低等优势而成为常用的膜组件型式。
[0003]膜组件结构设计和膜元件的密封性能对整个膜分离系统运行的可靠性有重要影响。中空纤维膜具有较高的膜通量和一定的柔韧性，因而充分利用中空纤维膜的特性设计合理的组件结构不仅能保持较高的组件装填密度，提高产水量，有效保护膜元件内的中空纤维膜丝，增强其机械强度，还能减少堵塞现象，降低进水水质要求，减小浓差极化的不利影响等。
[0004]另一方面，膜元件的密封设计也是膜组件设计的关键，在膜丝性能一定的情况下，膜元件的密封性常常极大程度上决定了整个组件的渗漏性能，由于中空纤维一般较为细小，膜集束的膜丝数量较多且分布并不均匀，这就造成了集束膜丝间的膜间间隙形状、大小不一且分布不均匀，封堵情况较为复杂。因此中空纤维膜元件的封装难度也一般难于平板式、卷式和管式膜组件；为保障中空纤维的密封效果，中空纤维密封层的施涂步骤往往过于复杂，密封设计的繁复性却增加了膜组件的制备难度，限制了中空纤维膜组件的规模化应用。由此可见，简单合理的膜组件结构设计和膜元件密封设计是中空纤维膜商品化成熟应用中应不断改进并加以解决的关键问题。实际应用中发现，中空纤维膜丝首尾两端常密封于组件膜壳的两端头，在长期使用和反复清洗过程中，由于膜丝的频繁抖动和收缩，容易造成中空纤维膜丝的断裂或破损。
[0005]根据使用要求和应用场景的不同，中空纤维膜组件常需具有外压、内压、浸没和曝气等功能，不同的功能常需设计不同的膜元件以适应于不同的应用场合。发明专利申请CN102160966A公布了一种外压式中空纤维膜组件及其制备方法，该种组件在中空纤维膜兀件封装上布有中心管和中心管结合件，两端头分区，中空纤维膜丝两端头分别密封于膜壳上下端头部位，为保持中空纤维膜丝在竖直方向上均等分布不绞丝而设置了等角分布板，这种密封设计较为繁杂，须膜元件的上下两端头同时保证密封才能使得膜组件不至于渗漏。发明专利CN101757853B公布了一种具有抗污染结构的外压式中空纤维膜组件及清洗系统，该组件具有U型膜丝，膜元件只有一头形成密封层，U型膜丝为首尾两端同时封装与膜元件一侧的密封层中，由于U型膜丝首尾两端并未分区封装，因而只具有外压式组件功能；此外，膜丝中间置有中心产水管，膜丝弯曲的U型部位布有曝气管，因此该组件只具有曝气外压功能的膜生物反应器MBR组件，不能兼具浸没、内压功能，膜元件的通用性设计功能不强。
[0006]综上所述，简化膜元件的密封设计，增强膜组件的密封可靠性和提高膜元件结构设计的通用性有助于中空纤维膜组件的应用发展，有利于提高膜组件性能，延长膜组件的使用寿命和扩展中空纤维膜组件在多种适宜的领域内通用化，规模化应用。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于利用中空纤维膜丝的柔韧特性，以特殊的封装方式制成中空纤维膜元件，以期提高膜组件的膜面利用率，优化组件内部流场分布，维持较高的膜通量，并且配用不同的膜壳以提高膜元件的通用性，适应于不同的用途。
[0008]本发明所述中空纤维膜组件是通过如下技术方案设计制成的。
[0009]一种单侧封装U型中空纤维膜元件，包含U型中空纤维膜集束、密封头和中心横隔板，中心横隔板位于U型中空纤维膜集束的内部，U型中空纤维膜集束的首端、尾端和中心横隔板的一端或一端的近端部密封于密封头中包含中空纤维膜集束、密封头和中心横隔板，所述的中空纤维膜集束沿中心横隔板弯折180度成U型，弯折前后的中空纤维膜集束由中心横隔板隔开，中空纤维膜集束的首端、尾端和中心横隔板的一端或一端的近端部密封形成S封头。
[0010]优选地,所述的U型中空纤维膜集束含有I?100束中空纤维膜,每束中空纤维膜含有5?1000根中空纤维膜膜丝，所述的中空纤维膜膜丝的外径为0.2?5mm，内径为0.1 ?3mmο
[0011]优选地，所述密封头所使用的密封材料为环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸酯密封胶、聚氨酯密封胶、有机硅或陶瓷密封胶。
[0012]优选地，所述的中空纤维膜膜丝为有机膜、无机膜或复合型膜。
[0013]一种中空纤维膜组件，包含上述任一项所述的中空纤维膜元件。
[0014]优选地，所述的中空纤维膜组件包含上端盖、下端盖和所述的中空纤维膜元件，所述的上端盖与下端盖的一端均设有开口，所述的上端盖与下端盖的另一端均与密封头密封连接，所述的上端盖与下端盖紧固连接。
[0015]更优选地，所述的中心横隔板为实心隔板或曝气板，所述的实心隔板密封于所述的密封头中；所述的曝气板穿透密封头伸至上端盖开口端外。
[0016]优选地，所述的中空纤维膜组件包含上端盖、膜壳和所述的中空纤维膜元件，所述的中空纤维膜元件位于所述的上端盖和膜壳形成的空腔内；所述的上端盖的一端设有开口，所述的上端盖的另一端与密封头密封连接，所述的膜壳有一开口端，所述的膜壳的开口端与密封头密封连接，所述的上端盖与膜壳紧固连接。
[0017]更优选地，所述的中心横隔板为中空多孔板，所述的中空多孔板穿透密封头伸至上端盖开口端外，所述膜壳上设有进水口和/或出水口。
[0018]更优选地，所述的中心横隔板为实心隔板，所述的实心隔板密封于所述的密封头中，所述膜壳上设有进水口和/或出水口。
[0019]进一步优选地，所述的中空纤维膜装填分率为10?90%，长径比为0.5?10，为圆管状或者棱柱状；所述密封头为圆柱状或棱柱状。
[0020]与现有技术相比，本发明中空纤维膜元件利用了中空纤维膜束整体折叠设计，将中空纤维膜丝首尾两端分区封装于膜元件的同一端头中，只需一侧密封，另一侧是膜丝的弯折面。本发明中空纤维膜元件搭配以不同的上下端盖、膜壳、进出口和中心横隔板，可组成外压、内压、浸没和曝气式等不同类型的中空纤维膜组件，膜元件通用性高。单侧封装使得膜组件结构紧凑，灵活性强，减少了组件上使用过程中的渗漏风险；单侧封装密封设计简单合理，还能降低膜元件封装难度，减少膜组件加工成本，为中空纤维膜组件规模化应用奠定基础；利用弯折膜丝错流过滤，加强膜壳内的料液流场，增大效膜面积，提高膜面利用率,增大了膜面流速，能有效提升膜组件的分离能力。【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1膜元件结构示意图；
[0022]图2膜元件端面图；
[0023]图3浸没外压式中空纤维膜组件结构示意图；
[0024]图4浸没曝气式中空纤维膜组件结构示意图；
[0025]图5内压式中空纤维膜组件结构示意图；
[0026]图6外压隔板式中空纤维膜组件结构示意图；
[0027]图7外压曝气式中空纤维膜组件结构示意图；
[0028]图8外压中心进水板式中空纤维膜组件结构示意图。
[0029]其中图中序号示意分别为:
[0030]1、首端；2、尾端；3、实心隔板；
[0031]4、密封头； 5、中空纤维膜集束；6、进水口；
[0032]7、出水口； 8、上端盖；9、膜壳；
[0033]10、产水板； 11、进水板；12、下端盖；
[0034]13、曝气板； 14、折流板；15、加固件。
【具体实施方式】
[0035]为了更好的理解本发明下面结合附图和【具体实施方式】做进一步说明。
[0036]本发明中空纤维膜元件搭配以不同的上下端盖、膜壳、进出口和中心横隔板，可组成外压、内压、浸没和曝气式等不同类型的中空纤维膜组件，膜元件通用性高。所述的膜壳、上端盖和下端盖的材料为不锈钢、树脂塑料、四氟、尼龙。所述的上端盖与下端盖或膜壳的紧固连接方式为螺纹连接、法兰连接、快速接头、胶封或卡箍式连接，耐压范围为O~20Mpa。所述的中空纤维膜装填分率为10~90%，长径比为0.5~10，外形为圆管状或者棱柱状。优选地，所述的膜壳内还设置有折流板或者加固件。
[0037]实施例1单侧封装U型中空纤维膜元件
[0038]如图1和图2所示，一种单侧封装U型中空纤维膜元件，包含中空纤维膜集束5、中心横隔板和密封头4，所述的中空纤维膜集束5沿中心横隔板弯折180度形成U型中空纤维膜集束，弯折前后的中空纤维膜集束5由中心横隔板隔开，每根膜丝两端头分位于中心横隔板的两边。中空纤维膜集束5的首端1、尾端2和中心横隔板的一端或一端的近端部浇注成型，固化形成密封头4，密封头4开孔制成中空纤维膜元件。所述密封头所使用的密封材料可以为环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸酯密封胶、聚氨酯密封胶、有机硅或陶瓷密封胶。所述的中心横隔板可以为实心隔板3或中空多孔板。
[0039]优选地，本发明中所述的中空纤维膜集束5含有I~100束中空纤维膜，每束中空纤维膜含有5?1000根中空纤维膜膜丝，所述的中空纤维膜膜丝的外径为0.2?5mm，内径为 0.1 ?3mm。
[0040]所述的中空纤维膜膜丝为有机膜、无机膜或复合型膜。所述的有机膜为醋酸纤维素膜、聚乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯膜、聚丙烯腈膜、聚砜膜、聚醚砜膜、聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜或聚酰胺膜，所述的无机膜为氧化铝膜、氧化锆膜、氧化钛膜、氧化硅膜或碳膜，所述的复合型膜由醋酸纤维素、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化硅或碳中的至少两种材料制成。
[0041]实施例2浸没外压式中空纤维膜组件
[0042]如图3所示，一种浸没外压式中空纤维膜组件，所述的中空纤维膜组件包含上端盖8、下端盖12和所述的中空纤维膜元件，所述的上端盖8与下端盖12的一端均设有开口，所述的上端盖8与下端盖12的另一端均与密封头4密封连接，下端盖12与上端盖8紧固连接。所述的中心横隔板为实心隔板3，所述的实心隔板3密封于所述的密封头4中，密封头4切平露出膜中孔。所述的中空纤维膜元件直接浸没于料液中，渗透液透过膜面汇集于上端盖8中并抽吸收集产水，产水最终由上端盖8的开口端输出本发明中空纤维膜组件。
[0043]本发明中空纤维膜组件长为0.5m，直径4英寸，膜有效长度为0.Sm，膜丝为外径Imm,内径为0.6mm的PVDF外压膜，膜面积为2m2，装填分率90%。实施例3曝气浸没外压式中空纤维膜组件
[0044]如图4所示，本实施例曝气浸没外压式中空纤维膜组件的结构与实施例2基本相同，区别仅在于，所述的中心横隔板为曝气板13，所述的曝气板13穿透密封层伸至上端盖8开口端外，所示曝气板13为中空多孔板。膜丝与曝气管直接浸没于料液中，曝气板13通入空气或臭氧，空气或臭氧通过曝气板上的孔进入到膜组件和料液中进行曝气。渗透液从膜丝束内腔抽吸至上端盖8收集产水。
[0045]该组件长为1.2m，膜有效长度为2m，膜丝为外径1.8mm,内径为0.9mm的PVDF/Al2O3复合膜，膜面积为2m2，装填分率50%。该组件为浸没式组件与曝气的结合，适宜于制成一体式MBR反应器水处理装置。
[0046]实施例4内压式中空纤维膜组件
[0047]如图5所示，一种内压式中空纤维膜组件，所述的中空纤维膜组件包含上端盖8、膜壳9和所述的中空纤维膜元件，所述的中空纤维膜元件位于所述的上端盖8和膜壳9形成的空腔内；所述的上端盖8的一端设有开口，所述的上端盖8的另一端与密封头4密封连接，所述的膜壳9有一开口端，所述的膜壳的开口端与密封头4密封连接。膜壳9与上端盖8紧固连接。所述的中心横隔板为中空多孔板，所述的中空多孔板为产水板10。所述的产水板10穿透密封层伸至上端盖8开口端外。中空纤维膜集束5的首端1、尾端2被产水板10分隔为进水端和出水端，原水从首端I进水输送至中空纤维膜丝内腔，所述的上端盖8和膜壳9形成的空腔内设置有若干个加固件15，所述加固件可以为支撑板或支撑柱，渗余液从尾端2出水，渗透液由自吸泵经产水板10负压抽吸收集、输出。
[0048]该内压型中空纤维膜组件长600_，直径8英寸，膜有效长度lm，外径为5_，内径为3mm的YSZ内压膜，膜面积8m2，装填分率60%。由于该组件充分利用了膜丝的柔韧性，组件具有较高的集成度，进水，出水和产水都集中于组件的一端，膜壳上无需安装任何接头，降低了组件加工难度与加工成本，便于拆装与清洗维护。膜面流速控制在2?5m/s，利用U型膜束在弯头处水力损失能进一步加强过滤，提高产水。该组件较适宜于SS含量较高的污水处理。
[0049]实施例5外压隔板式中空纤维膜组件
[0050]如图6所示，本实施例外压隔板式中空纤维膜组件的结构与实施例4基本相同，区别仅在于，所述的中心横隔板为实心隔板3，所述的实心隔板3密封于所述的密封头中，密封头切平露出膜中孔；所示膜壳9上设有I个进水口 6和I个出水口 7，进水口 6和出水口7位于膜壳9的开口端的两侧。料液由进水口 6进入组件内部U型流场，经预置的折流板14加强料液与膜面的对流接触，最后绕流至出水口 7出水，渗透液透过膜面由中空纤维膜束内腔抽吸至上端盖8形成产水。
[0051]该组件长为lm，直径4英寸，膜有效长度为1.Sm，膜丝为外径0.5mm，内径为
0.24_的PS外压膜，膜面积为40m2，装填分率70%。由于该组件内腔布置了折流板加强了流场，增强了料液与膜面的有效接触，膜通量和产水量均得到了提高，膜面有效利用率增大，较适宜于水质较高的饮用水净化。
[0052]实施例6曝气外压式中空纤维膜组件
[0053]如图7所示，本实施例曝气外压式中空纤维膜组件的结构与实施例5基本相同，区别仅在于，所述的中心横隔板为中空多孔板，所述的中空多孔板为曝气板13，所述的曝气板13穿透密封层伸至上端盖8开口端外。料液从进水口 6进入组件内，从出水口 7流出，空气或臭氧通过曝气板13进行曝气，渗透液从膜丝束内腔抽吸至上端盖8收集产水。
[0054]该组件长为0.3m，直径32mm，膜有效长度为0.5m，膜丝为外径0.7mm，内径为
0.52mm的PVDF外压膜，膜面积为0.75m2，装填分率40%。该组件增加了曝气装置，可利用溶氧或臭氧氧化处理料液中的有机物，并且由于U型膜丝结构设计的特殊性，增加曝气有利于抖动膜丝，振落膜丝表面的污染物，实现曝气自动清洗，减少膜丝堵塞现象，此外，将膜过滤和高级氧化两种水处理方法结合起来，这种类型组件可广泛应用于饮用水净化，污水处理，分置式膜生物反应器等方面。
[0055]实施例7中心管外压式中空纤维膜组件
[0056]如图8所示，本实施例中心管外压式中空纤维膜组件的结构与实施例6基本相同，区别仅在于，所述的中心横隔板为中空多孔板，所示中空多孔板为进水板11，所述的进水板11穿透密封层伸至上端盖8开口端外；膜壳上只设有I个出水口 7，无进水口 6。料液从端头进水经进水板11分布进入组件内腔与膜丝接触，渗余液从膜壳上的出水口 7引出，渗透液从膜丝束内腔抽吸由上端盖8收集产水。
[0057]该组件长为2m,直径4英寸,膜有效长度为2.5m,膜丝为外径2mm、内径为0.8mm的PS外压膜，膜面积为12m2，装填分率50%。该组件结构简单，膜芯元件便于使用，耐清洗，易更换，从膜束中心进水，改善组件内径向进水分布，膜面接触更均匀，有利于膜分离。
[0058]以上对本发明的具体实施方法和相关参数进行了举例描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的同类技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以有多种不同的形式，这些均属于本发明的保护之内。
【权利要求】
1.一种单侧封装U型中空纤维膜元件，其特征在于，包含U型中空纤维膜集束、密封头和中心横隔板，中心横隔板位于U型中空纤维膜集束的内部，U型中空纤维膜集束的首端、尾端和中心横隔板的一端或一端的近端部密封于密封头中。
2.根据权利要求1所述的单侧封装U型中空纤维膜元件，其特征在于，所述的U型中空纤维膜集束含有I?100束中空纤维膜，每束中空纤维膜含有5?1000根中空纤维膜膜丝，所述的中空纤维膜膜丝的外径为0.2?5mm,内径为0.1?3mm。
3.根据权利要求1所述的单侧封装U型中空纤维膜元件，其特征在于，所述密封头所使用的密封材料为环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸酯密封胶、聚氨酯密封胶、有机硅或陶瓷密封胶。
4.根据权利要求2所述的单侧封装U型中空纤维膜元件，其特征在于，所述的中空纤维膜膜丝为有机膜、无机膜或复合型膜。
5.一种单侧封装U型中空纤维膜组件，其特征在于，包含权利要求1-3任一项所述的中空纤维膜元件。
6.根据权利要求5所述的单侧封装U型中空纤维膜组件，其特征在于，所述的中空纤维膜组件包含上端盖、下端盖和所述的中空纤维膜元件，所述的上端盖与下端盖的一端均设有开口，所述的上端盖与下端盖的另一端均与密封头密封连接，所述的上端盖与下端盖紧固连接。
7.根据权利要求6所述的单侧封装U型中空纤维膜组件，其特征在于，所述的中心横隔板为实心隔板或曝气板，所述的实心隔板密封于所述的密封头中；所述的曝气板穿透密封头伸至上端盖开口端外。
8.根据权利要求5所述的单侧封装U型中空纤维膜组件，其特征在于，所述的中空纤维膜组件包含上端盖、膜壳和所述的中空纤维膜元件，所述的中空纤维膜元件位于所述的上端盖和膜壳形成的空腔内；所述的上端盖的一端设有开口，所述的上端盖的另一端与密封头密封连接，所述的膜壳有一开口端，所述的膜壳的开口端与密封头密封连接，所述的上端盖与膜壳紧固连接。
9.根据权利要求8所述的单侧封装U型中空纤维膜组件，其特征在于，所述的中心横隔板为实心隔板或中空多孔板，所述的实心隔板密封于所述的密封头中，所述的中空多孔板穿透密封头伸至上端盖开口端外，所述膜壳上设有进水口和/或出水口。
10.根据权利要求5-9任一项所述的单侧封装U型中空纤维膜组件，其特征在于，所述的中空纤维膜装填分率为10?90%，长径比为0.5?10，为圆管状或者棱柱状；所述密封头为圆柱状或棱柱状。
【文档编号】C02F1/44GK103506012SQ201310415690
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】何勇, 郭芳威, 陈顺权, 杜如虚 申请人:广州中国科学院先进技术研究所