专利名称：依靠刚性可转动桶体作支撑在超重力条件下工作的膜组件的制作方法
技术领域：
本发明属于一种膜组件，特别涉及一种可在超重力条件下进行膜 分离的，并且依靠刚性可转动桶体作支撑的膜组件。
背景技术：
膜分离技术因其高效、节能、过程容易放大等优点目前已经广泛 应用于化工、医药、食品、能源、环保等领域。然而由于在膜分离过 程中浓差极化，膜污染等方面问题的存在，膜分离技术的推广应用受 到了很多的限制，尽管人们研发了很多方法试图解决上述问题，但都 不是很理想。例如以压力作为驱动力的膜分离过程，浓差极差现象 普遍存在。由于浓差极差化发生时膜分离过程中起关键作用的膜分离 层外表面物料的浓度远远高于物料的主体浓度，因此给膜分离过程带 来了很多不利的影响，具体有1、在很多膜分离过程中溶质的截留 率降低(如反渗膜用于海水淡化)。2、膜渗透通量降低，装置的生产 能力下降。3、膜界面上的渗透压增高，为提高渗透通量必须提高进 料压力或提高进料液流速，从而导致能耗的提高。4、膜污染加剧， 膜寿命下降。5.膜浓縮倍率下降，难以获得高浓度产物。为了减少浓 差极化以及浓差极化所带来的不利影响，人们提出了许多解决方法， 并应用于膜分离过程，但实践表明这些方法都不同程度地存在这样或 那样的缺陷如l.能耗加大(增大流速法，安装湍流促进器，脉冲法， 搅拌法，提高扩散系数法，旋转强化法等)2.膜的填充密度低。单位 膜面积膜组件成本高(填料法，安装湍流器，旋转强化法)3.膜分离 层易受损，膜寿命降低(安装湍流器，填料法，旋转强化法)
超重力指的是在比地球重力加速度(9.8m/s"大得多的环境下物 质所受到力(包括引力或排斥力)，利用超重力的的科学原理所创造 的实用技术称为超重力技术。在超重力条件下物质所受到的与物质质 量相关的力得到了极大的强化因而极大的强化了传质效果，这一特征 具有极大的应用价值，目前通过高速旋转产生超重力环境的超重力机 已在分离工艺，纳米材料制备等方面获得了十分成功的应用。
超重力下的膜分离，是将膜分离的工艺过程置于超重力条件下进 行，这是膜分离技术与超重力技术的有机结合。在此方面目前可查的 资料很少，在已知的可査资料中有阎建民的《具有管式结构的旋转床 超重力场装置》(申请专利号03115674.6)和《离心旋转超重力"^膜分离技术》(申请专利号03100089.4)上述2项专利已将膜分离技 术和超重力技术进行了结合，并提出了具体的实施方案。但仔细分析 研究上述2专利后不难发现上述2专利并没有提及解决对膜分离过程 影响极大的浓差极化问题的工作原理和解决方案，在其结构和实施方 案中也存在明显的缺陷，具体分析如下
专利《具有管式结构的旋转床超重力场装置》在其权利要求①中 强调其特征在于管子的轴线与旋转轴垂直或平行，管子的两端固定， 事实上当管子为有机管式膜或中空纤维膜以及其他柔性材质膜时由 于膜组件内液体受到的哥氏力，旋转床在启动式停车时料液的惯性作 用都会将对管子产生巨大的侧向力，在这种侧向力的作用下管子的轴 线不可能为一条直线，因而也就不存在与旋转轴的垂直，如果通过两 端固定的方法保持其轴线为直线并与旋转轴轴线垂直或平行那么在 上述侧向力的作用下膜很容易被拉断而使膜分离装置失效。在其说明 书及附图中可以发现在其实施中无法解决截流物或渗余液的排出问 题。
专利《离心旋转超重力——膜分离技术》，在其权利要求书中强调 "以旋转离心力为膜的分离驱动力为原理的膜分离技术，包括工艺过 程和理论计标"依据该项所及的原理，工艺过程和理论计算，都无法 解决对膜浓縮过程中影响极大的浓差极化问题。2.该专利所选用的平 板膜的分离层表面都是面向旋转轴轴线，这样的膜装置在其工作时， 在离心力的作用下会加剧膜表面的浓差极化。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述现有技术中存在的不足，而提供一 种依靠刚性可转动桶体作支撑在超重力条件下工作的膜组件，该膜组 件可有效地克服膜分离过程中的浓差极化带来的不利影响，从而提高 了膜分离的效果。
本发明的技术方案是 一种依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重 力条件下工作的膜组件，其特征在于由膜组件壳体、原料液分配器、 分离膜和气泡轻液导出器组成；分离膜的一端固定在膜组件壳体的侧
壁上，且膜组件壳体侧壁的外侧对应于分离膜的端部开有沟槽，沟槽
与分离膜的内腔连通；分离膜的另一端为可自由移动的封闭端；膜组 件壳体上端盖的外边缘开有一倒角，膜组件下端盖外边缘开有浓縮液 出口，膜组件壳体的中央固定有原料液分配器，原料液分配器上端中 央装有气泡轻液导出器，其侧壁开有原料液导出口，并且在其侧壁外侧开有气泡轻液导出槽。
上述膜组件壳体的中心线可垂直于水平面安装，也可以与水平面 呈一定角度安装。
上述分离膜可为管状膜、中空纤维膜和平板膜。
上述原料液导出口沿膜组件中心轴对称分布，形状相同，其中心 线可以与直径方向相同，也可以呈一定角度。 上述膜组件壳体的上端盖内侧呈锥形。
上述分离膜的封闭端可采用胶、环氧树脂、加热或烧结的方法进 行封闭。
上述膜组件壳体可以是圆台形、圆柱形；其材料可以是环氧树脂、
也可以是环氧树脂与金属材料或塑料尼龙组成的复合材料。
上述中空纤维膜的内径为0.005-0.1mm之间。
上述分离膜的材料可采用具有柔性的有机膜或无机膜，也可采用 由金属丝、玻璃纤维、尼龙丝、化学纤维、动植物纤维、蚕丝编织的 筛网。
上述平板膜的分离层表面背向转动轴轴线，且背面粘贴有薄板， 薄板的材料可以是塑料、尼龙板、金属板；平板膜靠近转动轴线的一 端也可通过平板膜支架固定；平板膜的母线可以与膜组件的中心轴线 平行，也可以与膜组件中心轴线呈一定角度。
本发明的工作原理是同一种料液在溶剂脱除后其浓度加大， 随其浓度加大其密度会发生变化，在多数情况下料液的密度会随其浓 度的加大而升高，高浓度料液的沉降与稀料液的沉降不同为干涉沉 降，即高浓度物料沉降时溶质小颗粒相互作用，沉降过程呈集体性， 宏观性沉降。膜分离过程中由于浓差极化，膜表面的料液浓度远高于 料液的主体浓度，所以膜表面的料液密度与料液的主体密度存在差别 由于这种密度差的存在特别是超重力条件下高浓度料液会沿超重力 场的相同或相反方向快速移动，从而脱离膜表面，而新的稀料液补充 因高浓物料脱离膜表面而让出的空间从而使膜表面料液浓度降低(即 浓差极化降低)。膜表面高浓物料的不断脱离和稀物料的不断补充， 达到本衡时膜表面及其附近讲形成一个浓度高于料液主题浓度但远 低于非超重力条件下浓差极化层料液浓度的一个较为稳定的区域层， 这个区域层的存在，类似于动态膜，对膜分离过程产生较好的效果。
本发明的优点是将膜分离技术和超重力技术有效地结合起来， 具有较高的可行性，可有效地克服膜分离过程中的浓差极化带来的不
6利影响，从而提高了膜分离的效果。
图1是本发明采用管状膜或中空纤维膜分离膜时的主视剖面图
图2是图1的俯视剖面图。
图3是本发明采用平板膜时的主视剖面图。
图4是图3的俯视剖面图。
具体实施例方式
图1、图2是分离膜3选用管状膜或中空纤维膜时膜组件的主视
剖面图和俯视剖面图。膜组件壳体中心线可垂直于水平面安装，也可 以与水平面呈一定角度安装。膜组件壳体1固定安装在刚性壳转动桶
体4内。
图中膜组件壳体l为圆台形，其侧壁内侧固定有分离膜3、侧壁 外侧对应于分离膜3外端出口处沿侧壁母线方向开有沟槽13，沟槽 13与分离膜3的内腔连通，以便透过液通过分离膜渗透液出口 5排 出。膜组件壳体1侧壁外缘与上端盖外缘交汇处开有一倒角17，以 便从压縮空气入口 11处进入的压縮空气可以通过沟槽13进入分离膜 3的内腔，从而实现气体的反冲洗。膜组件壳体1的下端盖外边缘处 开有浓縮液出口 6，以便在离心力的作用下汇集在膜组件壳体1侧壁 内侧的浓缩液排出，膜组件壳体l的上端盖内侧呈锥形，便于膜分离 过程中产生的气泡及低于料液主体密度的轻液以及气体反冲洗产生 的气泡及气体通过固定在原料液分配器2上方的气泡轻液导出器8导 出。气泡轻液导出器8上开有便于气泡和轻液导出的导出口9。分离 膜一端固定在膜组件壳体1侧壁的内侧，膜组件壳体1侧壁内侧涂刷 环氧树脂以保证膜组件壳体内的料液不外泄，分离膜3的另一端为可 自由移动的封闭端，以保证料液不通过膜的内腔与透过液混合。密封 处理可采用胶或环氧树脂粘接，也可采用烧结或高温加热的方法进 行。分离膜可采用中空纤维膜，其内径为0.005-0.1mm之间，是具有 柔性的有机膜或经过处理具有足够柔性的无机膜，其靠近旋转轴的一 端不作固定，这样分离膜即使受到哥氏力和料液流动产生的侧向力也 会随波顺势而动，而不会折断或拉断。膜组件壳体的中央固定有原料 分配器2，其侧壁开有原料液导出口 7，且在其侧壁外侧开有气泡轻 液导出槽12。原料液导出口沿膜组件中心轴对称分布，形状相同， 其中心线可以与直径方向相同，也可以呈一定角度。原料液经原料液 入口 10进入原料液分配器2内腔，通过原料液导出口 7均匀进入膜组件壳体内腔。由于膜组件壳体l多由塑料尼龙、环氧树脂制成，并
且壁薄，不能承受较高的压力，但是因其固定在刚性壳转动桶体4上 且粘合稳定，所以其承受的压力均匀传导给刚性壳转动桶体4上，并 且不会变形损坏。刚性壳转动桶体4转动时，膜组件壳体随着其同步 转动，从而使膜分离过程在超重力条件下进行。
图3和图4是分离膜选用平板膜时膜组件的主视剖面和俯视剖面 图。膜组件的结构与图l、图2所示的膜组件结构大致相同，只是平 板膜的分离层表面在安装时必须背向转动轴轴线，这样由于浓差极化 产生的膜表面的高浓物料可在离心力的作用下远离膜表面，从而降低 浓差极化的影响。平板膜16的背面粘贴有薄板15，以承接浓料液并 将其导出，薄板的材料可以是塑料、尼龙板、金属板。平板膜靠近转 动轴线的一端也可通过平板膜支架14固定，以保证膜与膜的间距均 衡。平板膜的母线可以与膜组件的中心轴线平行，也可以与膜组件中 心轴线呈一定角度。该平板膜可为有机膜和无机膜，也可以是由金属 丝、玻璃纤维、尼龙丝、化学纤维、动植物纤维、蚕丝编织的筛网。
本发明的工作过程是安装在刚性可转动桶体内的膜组件壳体在 刚性可转动桶体转动时随其转动，并使膜组件及其体内的原料液、透 过液处于超重条件下，原料液通过原料液入口进入原料液分配器的中 部腔体，在原料液的输入压力和离心力的作用下，原料液通过原料液 导出口均匀地进入膜组件壳体内腔，与分离膜接触，在原料液的输入 压力和离心力的作用产生的原料液压力而共同形成的原料液压力作 用下，原料液中的水或溶剂透过分离膜的离层进入分离膜的内腔，并 在离心力及膜后余压的作用下经透过液出口排出。随着水或溶剂不断 透过分离膜，分离膜的分离层表面表面处物料的浓度不断增加，且其 密度也随着浓度的增加而加大，形成与主体物料的密度差。在超重离 心力的作用下浓物料脱离膜表面并向膜组件壳体内腔边缘集中，并通 过浓縮液出口排出。低于料液主体浓度的轻料液和气泡在浮力的作用 下向原料液分配器外边缘集中，并通过气泡轻液导出槽向上汇集经过 气泡轻液体导出口排出。
权利要求
1、一种依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，其特征在于由膜组件壳体、原料液分配器、分离膜和气泡轻液导出器组成；分离膜的一端固定在膜组件壳体的侧壁上，且膜组件壳体侧壁的外侧对应于分离膜的端部开有沟槽，沟槽与分离膜的内腔连通；分离膜的另一端为可自由移动的封闭端；膜组件壳体上端盖的外边缘开有一倒角，膜组件下端盖外边缘开有浓缩液出口，膜组件壳体的中央固定有原料液分配器，原料液分配器上端中央装有气泡轻液导出器，其侧壁开有原料液导出口，并且在其侧壁外侧开有气泡轻液导出槽。
2、 根据权利要求1所述的依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，其特征在于上述膜组件壳体的中心线可垂直于水平面安装，也可以与水平面呈一定角度安装。
3、 根据权利要求1所述的依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，其特征在于上述分离膜可为管状膜、中空纤维膜和平板膜。
4、 根据权利要求1所述的依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，其特征在于原料液导出口沿膜组件中心轴对称分布，形状相同，其中心线可以与直径方向相同，也可以呈一定角度。
5、 根据权利要求1所述的依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，其特征在于上述膜组件壳体的上端盖内侧呈锥形。
6、 根据权利要求1所述的依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，其特征在于上述分离膜的封闭端可采用胶、环氧树脂、加热或烧结的方法进行封闭。
7、 根据权利要求1所述的依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，其特征在于上述膜组件壳体可以是圆台形、圆柱形；其材料可以是环氧树脂、也可以是环氧树脂与金属材料或塑料尼龙组成的复合材料。
8、 根据权利要求1所述的依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，其特征在于上述中空纤维膜的内径为0.005-0. lmm之间。
9、 根据权利要求1或3所述的依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，其特征在于上述分离膜的材料可采用具有柔性的有机膜或无机膜，也可采用由金属丝、玻璃纤维、尼龙丝、化学纤维、动植物纤维、蚕丝编织的筛网。
10、 根据权利要求3所述的依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，其特征在于上述平板膜的分离层表面背向转动轴轴线，且背面粘贴有薄板，薄板的材料可以是塑料、尼龙板、金属板；平板膜靠近转动轴线的一端也可通过平板膜支架固定；平板膜的母线可以与膜组件的中心轴线平行，也可以与膜组件中心轴线呈一定角度。
全文摘要
一种依靠刚性可转动桶体作支撑，在超重力条件下工作的膜组件，由膜组件壳体、原料液分配器、分离膜和气泡轻液导出器组成；分离膜的一端固定在膜组件壳体的侧壁上，且膜组件壳体侧壁的外侧对应于分离膜的端部开有沟槽，沟槽与分离膜的内腔连通；分离膜的另一端为可自由移动的封闭端；膜组件壳体上端盖的外边缘开有一倒角，膜组件下端盖外边缘开有浓缩液出口，膜组件壳体的中央固定有原料液分配器，原料液分配器上端中央装有气泡轻液导出器，其侧壁开有原料液导出口，并且在其侧壁外侧开有气泡轻液导出槽。本发明的优点是将膜分离技术和超重力技术有效地结合起来，可有效地克服膜分离过程中的浓差极化带来的不利影响，从而提高了膜分离的效果。
文档编号B01D63/16GK101653700SQ20081005421
公开日2010年2月24日 申请日期2008年8月22日 优先权日2008年8月22日
发明者周志杰 申请人:周志杰