微纳米气浮过滤结构和微纳米气浮过滤装置的制作方法

1.本实用新型涉及膜过滤技术领域，具体是涉及一种微纳米气浮过滤结构和微纳米气浮过滤装置。


背景技术：

2.横流过滤是液体流向与过滤膜相切的一种“错流过滤”形式，由于其高表面错流，提高了膜表面的剪切力，对膜表面有一定冲刷作用，可以使过滤过程始终在积累少量滤饼条件下工作，在一定程度上改善了膜分离过程中的浓差极化和膜污染，但随着过滤时间增加，受液体回流阻力等因素的影响，流体对膜表面产生的切向流速，随着时间推移不足把过滤膜表面的沉积层冲扫殆尽。随着膜分离方式相关理论与实验研究的深入，对横流过滤方式进行优化得到动态错流过滤，它是利用流体旋转产生的离心力、剪切力及料液的湍流作用，使料液对膜表面产生较高的切向流速度，从而抑制滤饼层的增长，能更加有效地消除膜表面污染、降低浓差极化，增加膜系统过滤的稳定性。
3.但在某些诸如生物制药、新型纳米材料制备、污水处理等领域中，存在物料的粘度较高、杂质含量高、固含量比较高等情况，这就极易造成膜过滤装置在较短的时间内达到污染水平，导致过滤效率下降、过滤稳定性变差、浓缩比较低等现象的发生。
4.现有技术中存在一种旋转式陶瓷膜过滤装置，通常采用规则的圆盘膜片来实现，该类膜片固定在中空旋转轴上。该方式比较方便圆膜片的机械固定和安装，但却会导致料液在流场内趋于有序而使得颗粒物在膜表面逐渐沉积，进而导致在分离过程中，膜片的抗污染能力下降，从而限制了该类旋转膜过滤系统的应用领域。


技术实现要素：

5.本实用新型的第一目的是提供一种能减少膜表面沉积物，提高过滤效率和稳定性的微纳米气浮过滤结构。
6.本实用新型的第二目的是提供一种包含上述微纳米气浮过滤结构的微纳米气浮过滤装置。
7.为了实现上述的第一目的，本实用新型提供的一种微纳米气浮过滤结构，包括容纳腔、旋转驱动单元和膜过滤单元，膜过滤单元设置在容纳腔内，旋转驱动单元设置在容纳腔外，旋转驱动单元驱动膜过滤单元旋转，膜过滤单元包括中空旋转轴和过滤膜，中空旋转轴内设置有渗液通道，过滤膜均设置在中空旋转轴上，过滤膜内设置有产水通道，产水通道与渗液通道连通，容纳腔内还设置有气浮曝气单元，气浮曝气单元设置在过滤膜的下方，气浮曝气单元能排出微纳米气泡。
8.由上述方案可见，旋转驱动单元驱动膜过滤单元旋转时，容纳腔内的流体会产生无序湍流，通过设置气浮曝气单元排出大量的微纳米气泡，并在旋转离心力、剪切力的配合作用下，微纳米气泡会发生爆破并形成涡流，有利于增强湍流的无序度，从而可有效减少过滤膜表面颗粒物沉积、延缓过滤膜表面污染，进而使其能够更适应高浓度、高固含、高粘度
特效的物料环境，极大的提高旋转膜的分离过滤效率和性能；微纳米气泡在上升过程中，粘附在流体中的污染物或颗粒物上，使污染物或颗粒物的浮力大于重力和上浮阻力，从而使污染物或颗粒物上浮，有利于减小污染物或颗粒物沉积在过滤膜表面，起到扫掠过滤膜表面，削弱浓差极化，减少膜污染的作用。
9.进一步的方案是，气浮曝气单元设为气浮膜，气浮膜设置在中空旋转轴上并位于过滤膜正下方，气浮膜能跟随中空旋转轴旋转。
10.由上述方案可见，通过将气浮膜设置在中空旋转轴上，当中空旋转轴旋转时，气浮膜与过滤膜同步旋转，两者处于相对静止状态，使得气浮膜发射出的气泡能作用于过滤膜表面上，有利于减少过滤膜表面污染。
11.进一步的方案是，气浮膜设置有第一进气通道和多个出气微孔，第一进气通道分别与多个出气微孔连通；中空旋转轴内还设置有第二进气通道，第二进气通道与第一进气通道连通。
12.由上述方案可见，通过在中空旋转轴内设置第二进气通道，用于向气浮膜内部通气，使得气浮膜可以一边旋转一边向外排放微纳米气泡。
13.进一步的方案是，过滤膜和气浮膜之间形成有错流通道，错流通道与容纳腔连通。
14.由上述方案可见，通过设置错流通道，一方面方便流体从错流通道内过滤进入过滤膜内部，另一方面方便微纳米气泡作用于错流通道内的流体并扫掠过滤膜表面。
15.进一步的方案是，过滤膜设置有多个，气浮膜设置有多个，气浮膜与过滤膜上下间隔排列布置，气浮膜与过滤膜平行设置。
16.由上述方案可见，多个过滤膜和多个气浮膜间隔排列布置，使得每一过滤膜的下方至少具有一气浮膜，确保每一过滤膜均能被气浮膜排放的微纳米气泡所影响。
17.进一步的方案是，过滤膜和气浮膜均与中空旋转轴可拆卸连接，过滤膜和气浮膜可交换安装位置，两者交换位置后，所述第二进气通道与所述过滤膜的产水通道连通。
18.由上述方案可见，需要时，可将过滤膜能与气浮膜交换位置安装，利用气体强化清洗过滤膜，实现在线主动清洗，有利于进一步减少过滤膜表面污染物，保证系统运行的连续性和稳定性。
19.进一步的方案是，气浮曝气单元设置在容纳腔的底壁，中空旋转轴能相对气浮曝气单元旋转。
20.由上述方案可见，通过将气浮曝气单元设置在容纳腔的底壁，气浮曝气单元的微纳米气泡能作用于其上的所有过滤膜，有利于节省气浮曝气单元的作用。
21.为了实现上述的第二目的，本实用新型提供的一种微纳米气浮过滤装置，包括安装支架、分离罐和上述的微纳米气浮过滤结构，分离罐设置在安装支架上，微纳米气浮过滤结构的膜过滤单元和气浮曝气单元均设置在分离罐内，微纳米气浮过滤结构的旋转驱动单元设置在分离罐外。
22.进一步的方案是，膜过滤单元的中空旋转轴的一端穿出分离罐之外，中空旋转轴在穿出分离罐的一端连通地设置有渗透液出口，渗透液出口与中空旋转轴的渗液通道连通。
23.进一步的方案是，分离罐的下部设置有进液管和排污管，分离罐的上部设置有排液管，进液管和排污管以及分离罐的上部均设置有压力检测器。
附图说明
24.图1是本实用新型微纳米气浮过滤装置实施例的结构图。
25.图2是本实用新型微纳米气浮过滤装置实施例中微纳米气浮过滤结构的结构图。
26.图3是本实用新型微纳米气浮过滤装置实施例中膜过滤单元和气浮曝气单元的剖视图。
27.以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
28.参见图1至图3，本实施例提供的微纳米气浮过滤装置，包括安装支架1、分离罐2和微纳米气浮过滤结构，分离罐2设置在安装支架1上，分离罐2内设置有容纳腔。微纳米气浮过滤结构包括旋转驱动单元3、膜过滤单元4和气浮曝气单元，膜过滤单元4和气浮曝气单元均设置在分离罐2的容纳腔内，旋转驱动单元3设置在分离罐2的下部外侧并设置在安装支架1上，旋转驱动单元3能驱动膜过滤单元4旋转。膜过滤单元4在旋转过程中，会使得容纳腔内的流体产生无序湍流，气浮曝气单元能排出大量的微纳米气泡，以增加无序湍流的无序度，起到增加流体流动及湍流扰动的作用。
29.膜过滤单元4包括中空旋转轴41和多个过滤膜42。中空旋转轴41的上部设置在分离罐2内，中空旋转轴41的下部穿出分离罐2之外，中空旋转轴41与分离罐2之间通过机械密封组件密封连接，机械密封组件为本领域的标准配件，在此不再赘述。旋转驱动单元3包括驱动电机和减速器，驱动电机优选为异步电机，驱动电机的驱动轴与减速器连接，减速器采用平行轴式减速器，减速器通过空心轴锁紧装置与中空旋转轴41的下部连接。中空旋转轴41内设置有渗液通道411，渗液通道411沿中空旋转轴41的轴向延伸，渗液通道411在穿出分离罐2的一端设置有渗透液出口412，渗液出口与渗液通道411连通。
30.多个过滤膜42分成数量相等的两组或三组，各组间隔均匀地设置在中空旋转轴41上，本实施例以设置两组、每组三个过滤膜42为例，过滤膜42的延伸方向垂直于中空旋转轴41的轴向，同一组内相邻两个过滤膜42之间间隔预设距离，过滤膜42通过叠压板43固定。最上层的过滤膜42通过上限位件44紧固，过滤膜42与上限位件44及叠压板43之间均密封设置。所有过滤膜42均平行设置，过滤膜42内设置有产水通道421，过滤膜42表面设置有多个过滤孔，过滤孔通过产水通道421与渗液通道411连通。膜过滤单元4和中空旋转轴41在旋转驱动单元3带动下旋转，可形成与过滤方向不一致的无序湍流现象，能避免膜表面颗粒物的沉积，以降低膜污染。
31.过滤膜42设为圆盘结构或碟片结构，盘式过滤膜42具有结构稳定、旋转速度快且分离效果好的优点。过滤膜42主要是采用a12o3、zro2、ti02和si02等无机材料制备的多孔膜，其孔径为0.01μm至50μm，可适应300-1000rpm等较高旋转速度的运行环境。过滤膜42可为中空陶瓷膜、pvdf膜、金属膜或软片膜，其中金属膜和软片膜适用于较低旋转速度的运行环境。pvdf膜即聚偏二氟乙烯膜，是蛋白质印迹法中常用的一种固相支持物。软片膜优选为市面上销售的ipuf软片膜。
32.气浮曝气单元设置在过滤膜42的下方，气浮曝气单元能排出大量微纳米气泡。液体中存在的微小气泡，当气泡直径在100μm以下称作微米气泡，直径为100nm以下的气泡称为纳米气泡。微纳米气泡是指气泡发生时直径在数十微米到数百纳米之间的气泡，这种气
泡是介于微米气泡和纳米气泡之间，具有常规气泡所不具备的物理与化学特性，例如气浮功能。气浮功能是指将气泡通入混有其他相或颗粒的液体中，利用气泡外带有负电荷而具有的吸附性，在流体的浓缩、分离过程中，流体中的其他相或颗粒本身带有正电荷，正负电荷相吸，使气泡吸附在其他相或颗粒表面，从而增大其他相或颗粒在液体中的浮力，使其浮在液体表面，实现与液体分离的目的。因此气泡的吸附性能越好，则气浮效果越好，而气泡的吸附性能取决于其直径的大小。气泡的直径越小则其表面的电位越高，因此更容易吸附于液体中其他相的表面，使其与液体分离。
33.在一实施例中，气浮曝气单元设为气浮膜5，气浮膜5的数量设为多个，气浮膜5设置在中空旋转轴41上，气浮膜5与过滤膜42平行且间隔排列设置，且气浮膜5设置在过滤膜42的下方，位于最下方的气浮膜5通过下限位件45紧固。当中空旋转轴41带动过滤膜42旋转时，气浮膜5跟随同步旋转，将微纳米气泡均匀地分散至分离罐2内部，以充分发挥微纳米气泡爆破的涡流作用，增加流体的流动无序度。气浮膜5连通地设置有第一进气通道51和多个出气微孔。本实施例中，出气微孔的孔径为纳米级，其产生的气泡分别为纳米气泡，纳米气泡具有上述微纳米气泡的特性，具有更高效的过滤分离效率，更能适应高粘度、高固含物物料分离场景。
34.对应地，中空旋转轴41内还设置有第二进气通道413，第二进气通道413沿中空旋转轴41的轴向延伸，第二进气通道413与第一进气通道51连通，第二进气通道413通过气管7与分离罐2外部的供气装置连通，该气管7优选向上穿过分离罐2的上盖22。通过外设的供气装置向气浮膜5内部吹入压缩气体，使得气浮膜5向容纳腔内排放大量微纳米气泡。
35.过滤膜42与其相邻的气浮膜5之间设置有供流体流经的错流通道6，错流通道6与容纳腔连通，在旋转时，气浮膜5的气浮扰动及气泡爆破形成涡流，可形成与过滤方向不一致的无序湍流现象，流体在错流通道6内同时受到几个不同方向的力的作用，形成更加无序的无序湍流，能有效擦扫过滤膜42表面，削弱浓差极化，减少膜污染。气浮膜5的设置，利用云气浮形成局部涡流、强化膜表面的湍流，进而有效避免过滤膜42表面颗粒物的沉积现象，很大程度上降低了膜污染，是能够保持连续、稳定，使之更能适合高粘度、高固含物料体系的过滤分离。
36.本实施例中相邻两个过滤膜42之间设置一个气浮膜5，在其他实施例中，气浮膜5的数量可根据物料的特性进行调整，例如，进行氧化锆纳米粉体浆料浓缩时，由于其粘度较小，但固含量较高，气浮膜5可间隔两个过滤膜42进行设置，即相邻两个气浮膜5之间设置有两个过滤膜42，这样设置可以保证系统的渗透通量的稳定性。
37.本实施例中，过滤膜42和气浮膜5均与中空旋转轴41可拆卸连接，过滤膜42和气浮膜5的结构相同，也就是说，过滤膜42和气浮膜5可为同一种膜，只是两者的功能不同，过滤膜42和气浮膜5可交换安装位置。一定时间周期内，可将过滤膜42与气浮膜5的安装位置进行交换；当两者交换安装位置后，外设的供气装置通过第二进气通道413向过滤膜42内部供气，气体从过滤膜42的过滤孔排出，起到清洗过滤膜42的作用。
38.在另一实施例中，气浮曝气单元固定地设置在容纳腔的底壁，中空旋转轴41能相对气浮膜5旋转，本实施例的气浮曝气单元可以为微纳米气泡发生器或射流曝气器，微纳米气泡发生器与外设的供气装置连通。
39.在图2中，分离罐2包括罐体21和上盖22，上盖22设置有压固螺栓(图中未示出)，上
盖22通过压固螺栓与罐体21紧固连接，上盖22与罐体21上部之间通过密封圈密封连接。上盖22顶部设置有排液管23，排液管23与罐体21内部连通，排液管23还兼具排气作用。罐体21在其底部设置有进液管24和排污管25，进液管24和排污管25分别设置在分离罐2的左右两侧，进液管24与排液管23优选对角设置。分离罐2的进液管24连接有输液泵，通过输液泵向分离罐2内输送料液，渗透液进入过滤膜42内部并经渗透液通道从渗透液出口412导出，被截流的浓液留在过滤膜42外面，通过排液管23排出。进液管24和排污管25上分别设置有压力检测器，分离罐2上部也设置有压力检测器。
40.本实施例还可设置调速单元，通过调整膜过滤单元4的旋转速度，以满足针对物料不同的粘度、固含等特性进行处理，并可对不同程度污水进行处理，适用范围广。
41.本实施例的装置结构紧凑、外观尺寸小，且生产成本较低，可适用多数生产企业或污水处理企业，满足对不同类别物料或污水的处理，具有明显可观的经济效益。
42.工装过程：驱动电机通过减速器驱动中空旋转轴41旋转，进而带动所有过滤膜42旋转，分离罐2的进液管24安装有输液泵，输液泵向罐体21内输送料液，浓液通过排液管23排出，由于输液泵或渗滤液负压抽吸泵引起罐体21内外压差，进而将过滤渗滤液穿过过滤膜42的滤孔压入产水通道421和中空旋转轴41内部，最终经渗透液出口412导出。期间，开启外设的供气装置并向气浮曝气单元输送压缩空气，使得气浮曝气单元向分离罐2内的流体排放大量微纳米气泡，对流体进行气浮湍流扰动，促进分离罐2内流体的充分湍流。
43.综上可见，本实用新型旋转驱动单元驱动膜过滤单元旋转时，容纳腔内的流体会产生无序湍流，通过设置气浮曝气单元排出大量的微纳米气泡，并在旋转离心力、剪切力的配合作用下，微纳米气泡会发生爆破并形成涡流，有利于增强湍流的无序度；微纳米气泡在上升过程中，粘附在流体中的污染物或颗粒物上，使污染物或颗粒物的浮力大于重力和上浮阻力，从而使污染物或颗粒物上浮，有利于减小污染物或颗粒物沉积在过滤膜表面，起到扫掠过滤膜表面，削弱浓差极化，减少膜污染的作用。
44.最后需要强调的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种变化和更改，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。