一种环状陶瓷膜元件及包含它的蜂窝陶瓷膜组件的制作方法

本实用新型涉及一种环状陶瓷膜元件及包含它的蜂窝陶瓷膜组件，属于无机陶瓷膜分离设备领域。

背景技术：

近年无机陶瓷膜产业迅速发展，使用广泛。主要因陶瓷膜存在如下优点：

(1)化学稳定性好，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂；

(2)机械强度大；

(3)抗老化，使用寿命长，长达10年以上；

(4)耐高温，一般均可以在400℃下操作，最高可达800℃以上；

(5)孔径分布窄，分离效率高。

目前国内市场上陶瓷膜组件主要有管式多通道陶瓷膜组件、平板式多通道陶瓷膜组件和蜂窝陶瓷膜组件，其中，蜂窝陶瓷膜是以氧化铝、氧化钛、氧化锆和氧化硅等无极陶瓷材料作为支撑体，经涂膜高温烧结而成的，是具有多孔结构的精密陶瓷过滤元件，是在管式多通道陶瓷膜的基础上发展而成的具有密集通道的一种陶瓷膜结构形式。蜂窝陶瓷膜组件具有如下特点：耐温、耐压、耐酸碱、耐腐蚀、耐有机溶剂，抗氧化，化学稳定性好；强度高、适合反冲洗、气洗，再生能力强；操作简单，易于自动化；运行稳定，使用寿命长。

但是目前市场上蜂窝陶瓷膜应用较少，还处于起步阶段，主要有如下原因：过滤路径长、过滤阻力大、过滤效率较低、成品率低、价格高、封装不方便等；因此在一定程度上限制了蜂窝陶瓷膜使用范围及领域。

技术实现要素：

为了解决现有技术中过滤路径长、过滤阻力大和过滤效率较低等缺陷，本实用新型提供一种环状陶瓷膜元件及包含它的蜂窝陶瓷膜组件，本发明环状陶瓷膜元件具有较高的渗透通量和单位体积膜面积，构型及制备工艺简单，有效缩短了过滤路径，减小了渗透阻力，提高了过滤效率，同时极大地提高了蜂窝陶瓷膜的成品率、降低了陶瓷膜成本。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种环状陶瓷膜元件，包括支撑体和设在支撑体上的进液通道，支撑体的横截面为有缺口的圆环形状。

上述环状陶瓷膜元件中缺口和圆环形的设置，有效缩短了过滤路径，减小了过滤阻力大，提高了过滤效率。

为了进一步提高过滤效率，优选，进液通道的轴向与支撑体的轴向平行，也即进液通道为直通道。支撑体实质上为管壁上设有缺口的管状，支撑体的轴向与常规管状或圆柱体的轴向概念相同。

为了减少渗透阻力、提高过滤效率，单个环状陶瓷膜元件上的进液通道有1～5排(或圈)，排数越少，过滤路径越短，也就是越容易过滤，减少了渗透阻力、提高了过滤效率。

由于支撑体为横截面为有缺口的圆环形状，因此，单排进液通道也形成了缺口的圆环形状。

优选，单个环状陶瓷膜元件上的进液通道有1～4排。申请人经研究发现，只有1排进液通道的环状陶瓷膜元件，渗透阻力小，过滤效率高；有2排以上进液通道的环状陶瓷膜元件，渗透阻力大，但填装密度高，为保证过滤效率，单个环状陶瓷膜元件上的进液通道优选小于5排。

为了提高过滤效率，优选，支撑体的过滤精度为1～10μm。

进一步优选，支撑体上覆盖有精度为0.001～1μm的膜层。

优选，膜层为厚度为5～15μm的氧化锆镀层。

本申请精度也即膜孔的平均孔径，精度的控制为现有技术，比如可参照申请号为CN201610393915.2、名称为一种Al2O3、SiO2多孔陶瓷膜支撑体的制备方法的专利申请、或参照申请号为CN201610154401.1、名称为一种用于膜吸收过程的陶瓷膜制备方法的专利申请等。

环状陶瓷膜元件所用材质包含氧化铝、氧化钛、氧化锆和氧化硅等无机陶瓷材料，具体参照现有技术，本申请对具体材质没有特别改进。

进液通道的横截面可以是各种形状，优选为圆形、方形、长方形、三角形或椭圆形；进液通道的内径为1～6mm。

一种蜂窝陶瓷膜组件，包括外壳和封装在外壳内的陶瓷膜元件组合，陶瓷膜元件组合由两片以上直径不同的上述环状陶瓷膜元件组成。

作为常识，封装不能堵塞进液通道。封装材料采用环氧树脂粘合剂、聚氨酯粘合剂、丙烯酸树脂粘合剂、或者是它们的复合及改性粘合剂或无机粘合剂，优选为现有的无机粘结合剂。

外壳材质采用PVC、PE、玻璃钢、不锈钢等有机和无机类材质，外壳设置进液口、浓液口、产水口等，具体参照现有技术。

陶瓷膜元件组合由两片以上的环状陶瓷膜元件组成，所有环状陶瓷膜元件的高度均相等、直径均不等，所有环状陶瓷膜元件等高度设置、且按照大直径的环状陶瓷膜元件套在小直径的环状陶瓷膜元件外围的一环套一环的形式排列，相邻两环状陶瓷膜元件之间的间隙不为零、且形成第一集水通道；相邻两环状陶瓷膜元件的缺口相通形成第二集水通道。

第二集水通道有一条或两条以上。所有的第一集水通道中液体汇集到第二集水通道，实现渗透液汇集。当第二集水通道有两条以时，对应的每个环状陶瓷膜元件上也有两个缺口。

上述环状陶瓷膜元件从里到外排列，所有的进液通道共同组成了蜂窝孔的结构。

采用上述蜂窝陶瓷膜组件过滤时，用高压将待处理的过滤物(污水、饮用水、废气等)从陶瓷膜元件组合一端的蜂窝孔通入，在高压力作用下过滤物通过孔(进液通道)壁上的微孔渗出并流入第一集水通道，再汇流至第二集水通道，从过滤元件(陶瓷膜元件组合)的侧面排出，由于每片环状陶瓷膜元件旁都有第一集水通道，物料过滤后就可进入第一集水通道中，过滤阻力小，过滤通量大，过滤效率高，因此，本申请蜂窝陶瓷膜组件具有蜂窝陶瓷膜渗透阻力小、过滤通量大的优点。

为保证蜂窝陶瓷膜组件的填装面积，相邻两环状陶瓷膜元件之间的间隙为0.5～1.5mm。

第二集水通道的横截面为扇形状或矩形，第二集水通道有1～2条。

由于里边的环状陶瓷膜元件透过液少，外边的环状陶瓷膜元件透过液多，因此，第二集水通道的横截面优选为扇形状，也即从里到外，环状陶瓷膜元件上的缺口越来越大。

优选，陶瓷膜元件组合由20～40片环状陶瓷膜元件组成。

上述蜂窝陶瓷膜组件的高度为500～1500mm。

本实用新型未提及的技术均参照现有技术。

本实用新型环状陶瓷膜元件通过缺口和圆环形的设置，有效缩短了过滤路径，减小了过滤阻力大，提高了过滤效率；本实用新型蜂窝陶瓷膜组件，装填密度高，过滤路径短、强度高、安装简便，价格适中，且过滤效率高、过滤效果好，其装填密度几乎接近有机中空纤维膜组件，但过滤通量、化学稳定性和使用寿命长都大大优于中空纤维膜组件；与管式陶瓷膜膜相比，在同等条件下，设备体积和运行能耗可大大降低，节省设备投资和设备占用空间，广泛适用于污水和饮用水处理、以及石油化工、电力电镀、焦化冶金、造纸印染、医药食品等行业使用；与整体式蜂窝陶瓷膜相比，成品率大大提高、降低了蜂窝陶瓷膜成本。

附图说明

图1为本实用新型环状陶瓷膜元件立体图(有1排进液通道)；

图2为图1的透视图；

图3为图1的俯视图；

图4为本实用新型蜂窝陶瓷膜组件的横截面示意图；

图5为本实用新型陶瓷膜元件组合封胶示意图(相对图3有缩小)；

图6为本实用新型蜂窝陶瓷膜组件的结构示意图(相对图3有缩小)；

图中，1为支撑体，2为进液通道，3为环状陶瓷膜元件，4为外壳，5为第一集水通道，6为第二集水通道，7为封胶层，8为进料口，9为出料口，10为入口端罩，11为出口端罩，12为渗透液出口。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1-2所示，一种环状陶瓷膜元件，包括支撑体和设在支撑体上的进液通道，支撑体的横截面为有缺口的圆环形状；进液通道的轴向与支撑体的轴向平行，也即进液通道为直通道，且为1排；支撑体的过滤精度为1～5μm。进液通道的横截面为圆形，当然，也可以是方形、长方形、三角形或椭圆形等各种形状，进液通道的内径为4mm。

上述环状陶瓷膜元件中缺口和圆环形的设置，有效缩短了过滤路径，减小了过滤阻力大，提高了过滤效率。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：支撑体上覆盖有精度为50nm、厚度为10μm的氧化锆镀层膜层。

实施例3

与实施例2基本相同，所不同的是：进液通道的内径为2mm。支撑体上覆盖有精度为10nm、厚度为6μm的氧化锆镀层膜层。

实施例4

与实施例2基本相同，所不同的是：进液通道的内径为3mm。支撑体上覆盖有精度为100nm、厚度为12μm的氧化锆镀层膜层。

实施例5

与实施例2基本相同，所不同的是：进液通道的内径为5mm。支撑体上覆盖有精度为500nm、厚度为14μm的氧化锆镀层膜层。

实施例6

如图3所示，蜂窝陶瓷膜组件，包括外壳和封装在外壳内的陶瓷膜元件组合，陶瓷膜元件组合由30片直径不同的上述环状陶瓷膜元件(实施例2所得)组成，所有环状陶瓷膜元件等高度设置、且按照大直径的环状陶瓷膜元件套在小直径的环状陶瓷膜元件外围的一环套一环的形式排列，相邻两环状陶瓷膜元件之间的间隙形成第一集水通道；相邻两环状陶瓷膜元件的缺口相通形成第二集水通道。

相邻两环状陶瓷膜元件之间的间隙为1mm(也可是0.6mm、0.8mm、1.2mm或1.4mm等)；第二集水通道有一条；第二集水通道的横截面为扇形状。所有的第一集水通道中液体汇集到第二集水通道，实现渗透液汇集。环状陶瓷膜元件的最大直径90mm，最小直径3mm，组成的蜂窝陶瓷膜组件的填装有效膜面积为13m²，纯水水量达到19.5m³/h。而同等直径的管式陶瓷膜有效膜面积0.42m²；而同等直径的蜂窝陶瓷膜出水通量为13m³/h。

如图4所示，封装时，先将陶瓷膜元件组合按照设定的位置通过其两端的封胶封装在外壳内，作为常识，封装不能堵塞进液通道；然后分别将入口端罩和出口端罩封装在陶瓷膜元件组合的两端，即可，蜂窝陶瓷膜组件的高度为1000mm(也可是600mm、800mm、1200mm或1400mm等)。

上述4片环状陶瓷膜元件从里到外的排列，使各元件上的进液通道共同组成了蜂窝孔的结构。采用上述蜂窝陶瓷膜组件过滤时，用高压将待处理的过滤物(污水、饮用水、废气等)从陶瓷膜元件组合一端的蜂窝孔通入，在高压力作用下过滤物通过孔(进液通道)壁上的微孔渗出并流入第一集水通道，再汇流至第二集水通道，从过滤元件(陶瓷膜元件组合)的侧面排出，由于每片环状陶瓷膜元件旁都有第一集水通道，物料过滤后就可进入第一集水通道中，过滤阻力小，过滤通量大，过滤效率高，因此，本申请蜂窝陶瓷膜组件具有蜂窝陶瓷膜渗透阻力小、过滤通量大的优点。

上述环状陶瓷膜元件通过缺口和圆环形的设置，有效缩短了过滤路径，减小了过滤阻力大，提高了过滤效率；

与自身结构对比：如1圈(或排)进液通道的膜元件，在1bar过滤压力下纯水通量为1500LMH；如是2(或排)进液通道的膜元件，在1bar过滤压力下纯水通量为1300LMH，依次类推；如是5(或排)进液通道的膜元件的1bar过滤压力下纯水通量为800LMH。

与管式多通道膜结构对比：选用市场上优质管式多通道陶瓷膜，进液通道直径为4mm，过滤精度为50nm，25℃下，在1bar过滤压力下纯水通量为800LMH，选用本发明1圈进液通道膜元件，进液通道直径为4mm，过滤精度为50nm，25℃下，在1bar过滤压力下纯水通量为1500LMH。

与管式单通道膜结构对比：选用市场上优质管式单通道陶瓷膜，进液通道直径为4mm，过滤精度为50nm，25℃下，在1bar过滤压力下纯水通量为1500LMH，选用本发明1圈进液通道膜元件，进液通道直径为4mm，过滤精度为50nm，25℃下，在1bar过滤压力下纯水通量为1500LMH。通量虽然一样，但是本发明的膜元件单位体积下，过滤面积更大，填装面积更大。

与多排通道平板陶瓷膜结构对比：多排通道平板陶瓷膜是组合式蜂窝陶瓷膜的单体元件，选用市场上优质多排通道平板陶瓷膜，进液通道直径为4mm，过滤精度为50nm，25℃下，在1bar过滤压力下纯水通量为1100LMH，选用本发明1圈进液通道膜元件，进液通道直径为4mm，过滤精度为50nm，25℃下，在1bar过滤压力下纯水通量为1500LMH。

与整体式蜂窝陶瓷膜结构对比：选用市场上优质整体式蜂窝陶瓷膜，进液通道直径为4mm，过滤精度为50nm，25℃下，在1bar过滤压力下纯水通量为1000LMH，选用本发明1圈进液通道膜元件，进液通道直径为4mm，过滤精度为50nm，25℃下，在1bar过滤压力下纯水通量为1500LMH。)

实施例7

与实施例6基本相同，所不同的是：陶瓷膜元件组合由20片直径不同的上述环状陶瓷膜元件组成，环状陶瓷膜元件的最大直径60mm，最小直径3mm，组成的蜂窝陶瓷膜组件的填装有效膜面积为6m²，纯水水量达到9m³/h。而同等直径的单管式陶瓷膜有效膜面积0.28m²；而同等直径的整体式蜂窝陶瓷膜出水通量为6m³/h。

实施例8

与实施例6基本相同，所不同的是：陶瓷膜元件组合由40片直径不同的上述环状陶瓷膜元件组成，环状陶瓷膜元件的最大直径120mm，最小直径3mm，组成的蜂窝陶瓷膜组件的填装有效膜面积为23m²，纯水水量达到34.5m³/h。而同等直径的单管式陶瓷膜有效膜面积不到0.57m²；而同等直径的整体式蜂窝陶瓷膜出水通量为23m³/h。

实施例9

与实施例6基本相同，所不同的是：陶瓷膜元件组合由10片直径不同的上述环状陶瓷膜元件组成，环状陶瓷膜元件的最大直径30mm，最小直径3mm，组成的蜂窝陶瓷膜组件的填装有效膜面积为1.5m²，纯水水量达到2.2m³/h。而同等直径的单管式陶瓷膜有效膜面积为0.15m²；而同等直径的整体式蜂窝陶瓷膜出水通量为1.5m³/h。

实施例10

与实施例6基本相同，所不同的是：陶瓷膜元件组合由50片直径不同的上述环状陶瓷膜元件组成，环状陶瓷膜元件的最大直径150mm，最小直径3mm，组成的蜂窝陶瓷膜组件的填装有效膜面积为37m²，纯水水量达到55m³/h。而同等直径的单管式陶瓷膜有效膜面积为0.7m²；而同等直径的整体式蜂窝陶瓷膜出水通量为37m³/h。

综上，本实用新型蜂窝陶瓷膜组件，装填密度高，过滤路径短、强度高、安装简便，价格适中，且过滤效率高、过滤效果好，其装填密度几乎接近有机中空纤维膜组件，但过滤通量、化学稳定性和使用寿命长都大大优于中空纤维膜组件；与管式陶瓷膜膜相比，在同等条件下，设备体积和运行能耗可大大降低，节省设备投资和设备占用空间，广泛适用于污水和饮用水处理、以及石油化工、电力电镀、焦化冶金、造纸印染、医药食品等行业使用；与整体式蜂窝陶瓷膜相比，成品率大大提高、降低了蜂窝陶瓷膜成本，因为整体式蜂窝陶瓷膜体积大、成型难度大，任何局部的瑕疵都会导致整个产品的失败。