专利名称：中空纤维膜滤芯的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用中空纤维膜的滤芯，该滤芯嵌入罐式过滤装置或嵌入台架(rack)式过滤装置中。本发明具体涉及用于从大量未净化水例如河水、湖水、地下水、海水、生活废水或工业污水中除去浊度和细菌的中空纤维膜滤芯。
本发明还涉及使用上述中空纤维膜滤芯的罐式或台架式过滤装置。
背景技术：
作为使用中空纤维膜的常规滤芯，JP-A-61-153104公开了示于图3的滤芯，其具有以下结构将多根中空纤维膜收容到圆筒形套管中，每根中空纤维膜的两端分别固定在该圆筒形套管上部和下部的粘合及固定部分，并且该圆筒形套管是一种整体模塑套管，以致伸向该中空纤维膜的上端和下端。在该滤芯上部粘合及固定部分，大量中空纤维膜的中空部分是开放的，但是其在该滤芯下部的粘合及固定部分中是密封的，并且该下部粘合及固定部分的粘合剂层具有多个通孔。在该下部粘合及固定部分之下形成被该圆筒形套管环绕的气室。
这种中空纤维膜滤芯用于外压力之下的过滤并且在嵌入过滤柱之后使用。当不能透过该膜的材料在该膜外表面上蓄积时，该膜的过滤能力恶化，因此过滤一定时间之后进行除去该膜表面上蓄积材料的洗涤操作。
已知一种称为鼓气泡的洗涤方法。这种方法步骤包括，经位于未净化水填充的过滤柱中的中空纤维膜滤芯下部将空气引入该滤芯内，并以气-液混合流体振动该中空纤维膜以便剥去该膜表面上的蓄积材料。
然而，在该中空纤维膜滤芯中，因为每根中空纤维膜的两端固定在该圆筒形套管上以致中空纤维膜的振动受到限制，所以有时候鼓泡不能充分洗涤。在进行长期过滤操作的一些情形中，特别是当该滤芯的外径很大时，此现象显著且带来麻烦。
发明公开为了解决此类问题，本发明欲提供一种中空纤维膜滤芯，其通过使每根中空纤维膜在鼓泡洗涤时能够尽可能地振动而促进中空纤维膜外表面上蓄积截留物(suspended materials)的剥落，并容许从该中空纤维膜滤芯容易地排出剥落的截留物。
即，本发明涉及一种中空纤维膜滤芯，其包括一多根中空纤维膜的集束、一滤芯头和一底环，该中空纤维膜集束的两端被粘合固定，该滤芯头固定在该束一端外围以便不容许液体或进或出通过，该底环固定在该束另一端的外围以便不容许液体或进或出通过，其中不是把该滤芯头和该底环连接或固定而是将它们分开。开放该滤芯头一侧上每一中空纤维膜端部的中空部分，密封该底环一侧上每一中空纤维膜端部的中空部分，并且在该底环侧上的粘合及固定层内提供多个通孔。在本发明的一个实施方案中，通过粘合将该底环端部固定在该中空纤维膜集束的外围表面，以致伸出该中空纤维膜集束端部之外。
当根据本发明采用上述结构时，可在许可范围内以最大幅度振动每根中空纤维膜，因为在中空纤维膜滤芯的外围不存在覆盖整个中空纤维膜的圆筒形套管。结果是，在鼓泡洗涤时，蓄积在中空纤维膜外表面上的截留物变得易于剥落，并且所剥落的截留物变得易于从中空纤维膜滤芯排出。因此，可长期稳定地维持此过滤性能。
另外，当中空纤维膜滤芯的底环端部经粘合固定以致伸出该中空纤维膜集束端部之外时，鼓泡的气体可被保留在该底环内，并因此可经底环侧上粘附及固定层的通孔被有效地导向这些中空纤维膜，因此能令人满意地进行鼓泡洗涤。
此外，本发明涉及一种使用上述中空纤维膜滤芯的罐式或台架式过滤装置。
附图简述
图1为截面图，其显示本发明中空纤维膜滤芯的一个实施方案，该滤芯在罐式过滤装置中以悬挂状态支承。
图2为显示中空纤维膜滤芯底环粘合及固定部分结构主要部分的放大图。
图3为公知中空纤维膜滤芯的简图。
图4为截面图，其显示本发明中空纤维膜滤芯的一个实施方案，该滤芯在罐式过滤装置中自净化水总管经悬挂固定。
实施发明的最佳方式本发明中空纤维膜滤芯的一个实施方案参照附图解释如下。
图1为截面图，其显示本发明中空纤维膜滤芯的一个实施方案，该滤芯在罐式过滤装置中以悬挂状态支承。图2为主要部分放大图，其用于说明中空纤维膜滤芯底环粘合及固定部分的结构。
图1中，本发明中空纤维膜滤芯4由大量中空纤维膜3、粘合及固定层11、滤芯头12、粘合及固定层14和底环13构成。在中空纤维膜3集束的一端，各中空纤维膜用粘合剂彼此粘合成整体，并且整个地固定在滤芯头12的内部，以便形成粘合和固定层11。滤芯头12侧中空纤维膜滤芯3的端部是开放的。
中空纤维膜3集束的另一端上，各中空纤维膜用粘合剂彼此粘合成整体，并且整个地固定在底环13内，以便形成粘合和固定层14。但是，底环13侧中空纤维膜3的端部是密封的。如图2所示，在粘合及固定层14中形成多个通孔14a，以便将用于洗涤的未净化水和气体导入中空纤维膜集束中并使未净化水和气体与每一中空纤维膜的外围表面有效接触。
中空纤维膜滤芯4的直径为30毫米～800毫米，优选80毫米～800毫米。中空纤维膜滤芯4的长度选自300毫米～3000毫米范围。
本发明中，不连接或固定滤芯头12和底环13而将它们分开。因此在滤芯头12和底环13之间的中空纤维膜3集束外围不存在常规圆筒形套管，且基本上此范围内各处中空纤维膜3被暴露。然而，中空纤维膜3集束的外围可用例如有大孔的柔性树脂网覆盖，该树脂网不限制中空纤维膜振动并且基本不阻碍流体通过。这种情形下，不将该网直接固定于滤芯头12或底环13上，而把它嵌入将被固定的粘合及固定层14中。通过用此柔性网覆盖中空纤维膜集束可防止因运输导致的中空纤维膜3损坏。
从孔径的观点出发，用于本发明的中空纤维膜3可使用反渗透膜、纳米滤膜、超滤膜和微滤膜。对中空纤维膜3的材料没有特别限制且包括聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚乙烯、聚丙烯、聚(4-甲基戊烯)、纤维素、醋酸纤维素、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯等等。还可使用它们的复合材料。至于中空纤维膜的形状，可使用内径50微米～3000微米并且内径和外径之比为0.3～0.8的中空纤维膜。
用于本发明的粘合剂包括聚合物材料例如环氧树脂、尿烷树脂、环氧丙烯酸酯树脂、硅氧烷树脂等等。粘合方法包括例如离心粘合法、静置粘合法等等的公知方法。当要求改进粘合剂的固化的缩率和强度时，可在上述举例的粘合剂中掺混入纤维材料例如玻璃纤维或碳纤维，或者精细粉末例如碳黑、氧化铝、二氧化硅等等。
用于本发明滤芯头12和底环13的材料没有特别限制并且可以相同或不同。优选用热塑性树脂和不锈钢作为这些材料。作为热塑性树脂，使用聚乙烯类、聚丙烯类、聚(4-甲基戊烯)类、聚氯乙烯类、聚偏氟乙烯类、乙烯-四氟乙烯共聚物类、聚四氟乙烯类、聚碳酸酯类、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物类(ABS)、聚亚苯醚类、聚砜类、聚醚砜类、聚醚酰亚胺类、聚酰胺类、聚醚酮类、聚醚醚酮类等。作为不锈钢，使用SUS304,SUS316等。
滤芯头12不仅用作罐式过滤装置或台架式过滤装置中用于悬挂中空纤维膜滤芯4的固定部分，而且作为分开未净化水和过滤水的密封部分。因此，以适于悬挂、固定的形状以及适于密封的结构制造滤芯头12。例如，可在滤芯头12外围提供沿直径方向向外突出的高(1evel)差、凹槽或凸缘。虽然滤芯头12直径方向上的截面形状可为圆形、正方形、六角形、椭圆形等等，但是从滤芯头12与它的粘合及固定部分间密封性能以及过滤罐制造容易性的角度考虑优选圆形。
存在于本发明中底环端上粘合及固定层14中的通孔14a是在该粘合及固定层自身中产生的孔。关于通孔的尺寸，它们的当量直径选自2毫米～30毫米的范围。在此，当量直径定义为4×(流路截面积)/(周长)。通孔的形状选自多边形(例如三角形、四边形和六边形)，圆形，椭圆形、扇形，C形，星形等。虽然通孔数取决于滤芯的截面积和纱线数，但是其为2～300。至于通孔位置，优选如下形成该通孔当考虑特定粘合及固定段的情况而给予说明时，将该通孔分散在该粘合及固定段上，例如，在多重圆和半径线的交叉点上，格子的交叉点上，或者大量等边三角形顶点上。特别优选在该中空纤维膜集束的中心部分形成多个通孔。
本发明中，优选将底环13固定在该中空纤维膜集束的外围，以致其伸出该中空纤维膜3端部之外，以便形成被该粘合及固定层及该底环围绕的气室14b。虽然底环13从中空纤维膜端部伸出部分的长度取决于滤芯直径、所供应气体的体积以及通孔数和直径，但是优选5毫米～200毫米以阻止气体的散开和丢失。当所述部分太长时，该滤芯的总长度将不合要求地长，导致形成无用的空间。当所述部分太短时，向滤芯供应的气体不合要求地在横向上被散开和丢失而未有效地导入该通孔。
底环13直径方向上截面的形状可为圆形、方形、六边形、椭圆形等等。当将该滤芯嵌入过滤罐时，优选该截面形状与该滤芯头的相同，并且尤其优选该截面的形状为圆形。
可如下制造本发明的中空纤维膜滤芯。将集束一端中空部分已经被填塞的一束中空纤维膜装入滤芯头12，并将粘合剂引入滤筒头12以便使该中空纤维膜彼此粘合并固定，并使该中空纤维膜集束粘合并固定到滤筒头12上，以致不容许液体或进或出通过。将该中空纤维膜和该粘合及固定层一起切屑，以便使该中空纤维膜端部开放。将中空纤维膜另外一端装入底环13且不填塞它们的中空部分，并且将为了形成通孔而预设的棒、管或板安放进该中空纤维膜的集束中。然后，将粘合剂引入底环13以便使该中空纤维膜彼此粘合并固定而且使该中空纤维膜集束粘合并固定到底环13上。在此情况下，中空纤维膜端部的中空部分将被粘合剂同时密封。此后，从粘合及固定层中取出用于形成通孔14a的棒、管或板，以便形成通孔14a。下述的方法也有可能将用于形成通孔14a的棒、管或板安放进该中空纤维膜的集束中，接着粘合并固定，并将用于形成通孔14a的器具取出，此后通过粘合或焊接将底环13固定在该粘合及固定层的外围。
以下说明罐式过滤装置的一个实例(图1)，其包括悬挂并固定于其中的本发明中空纤维膜滤芯。
图1中，数字1表示用于过滤所流入未净化水的罐式过滤装置，其可用于从大量的未净化水，例如河水、湖水、地下水、海水、生活废水或工业污水中降低浊度和细菌的水处理。
该罐式过滤装置1的过滤罐2由罐主体2a和盖子2b，经焊接等以预设高度在罐主体2a内壁上固定分离板5和分隔板6，以致不容许液体或进或出通过。由罐主体2a下部和分离板5所成空间形成供水室7，由罐主体2a中部与分离板5和分隔板6所成空间形成供水室8。由分隔板6与盖子2b经密封物9所成空间形成净化水室10。
如上述，通过固定在过滤罐2中的分离板5和分隔板6将过滤罐2内部分成3个室，并且以分隔板6握持本发明中空纤维膜滤芯4的一端，将该滤芯的每一个悬挂在供水室8中。
分隔板6，其握持悬挂其中的中空纤维膜滤芯4，按照预定的厚度制造，以便有足够的强度承受中空纤维膜滤芯和水压施加的载荷。在分隔板6的预设位置上形成多个用于嵌入中空纤维膜滤芯4的通孔6a。
在分隔板6每个通孔6a的下部，形成沿直径方向突向通孔6a内侧的凸台6b，并且位于中空纤维膜滤芯4上端外围的滤筒头12的下端被凸台6b扣锁以便悬挂并握持中空纤维膜滤芯4。作为另一实施方案，可能如下在该滤芯头上形成沿直径方向突向外部的凸缘，并且其底面经密封垫与分隔板6的顶表面接触，以便悬挂和握持该中空纤维膜滤芯。
将O型环15装配在分隔板6每个通孔6a壁表面上所形成的凹槽6c内，并且经压力焊接将滤筒头12的外壁表面结合到O型环15上，从而将滤筒头12附在分隔板6上以致不容许液体或进或出通过。可在滤筒头12上形成用于在其中装配O型环15的凹槽。
用系留件16将滤筒头12上部端面系留，该系留件16已经配备在分隔板6每个通孔6a的壁表面上，使得其可移去，从而将滤筒头12固定在分隔板6上并将中空纤维膜滤芯4坚固地收容到过滤罐2中。
用罐式过滤装置1进行过滤作业期间，在上述结构中，依靠一台泵(未示出)经供水入口2c装入供水室7的未净化水，经分离板5的喷嘴5a装入供水室8以便向上填充供水室8，然后将该水引入每根中空纤维膜3的外围表面，该供水入口2c位于过滤罐2的罐主体2a的下部。
每根中空纤维膜3外围附近的未净化水在压力下从外部向内部经中空纤维膜3过滤，并将过滤的水经中空纤维膜3开放的上端导入净化水室10。
将收容在净化水室10中的过滤水经位于盖子2b上部的净化水出口2d从过滤罐2中取走。
作为另一种过滤作业方法，可采用以下方法，其包括依靠一抽吸泵(未示出)通过净化水出口2d抽吸净化水室10中的空气以便降低压力进行过滤，同时用未净化水灌装供水室8。
当用过滤水回洗中空纤维膜3时，经过滤水出口2d供应过滤水并使过滤水回流到供水室8中，以便去除蓄积在中空纤维膜3外壁上的截留物(不能透过该膜的材料)，此后，经喷嘴5a将其导入供水室7，然后经供水入口2c将其从过滤罐2排出。
当中空纤维膜3经历鼓气泡时，首先经位于罐主体2a下部的空气入口2f向供水室7供应空气，同时用未净化水装填供水室8。供水室7中已经调节过压力的空气以气泡形式经位于分离板5上的喷嘴5a流入装满未净化水的供水室8，并且从底环13将空气通过粘合及固定层14的通孔14a引入到每根中空纤维膜3的外围侧，以便搅动中空纤维膜3集束中的水并振动中空纤维膜3。因此，该空气剥落了粘附在中空纤维膜3表面的截留物。蓄积在供水室8上部的空气经位于罐主体2a上部的排气口2g从过滤罐2排出。
在上述鼓泡操作中，首先供应例如空气、氮气或氧气，同时供水室8充满未净化水，即，同时供水室8中未净化水位于静止或停止状态。鼓泡后，经净化水出口2d供应过滤水进行上述回洗操作，以便洗掉上述的剥落截留物。含剥落截留物的过滤水经位于分离板5上的喷嘴5a、供水室7以及供水入口2c从过滤罐2排出，并收容到废水箱(未示出)中。首先进行鼓泡操作或回洗操作都可以，并且优选监测过滤作业稳定性的同时确定回洗操作和鼓泡操作的频率。
另外，以下说明包括本发明中空纤维膜滤芯的罐式过滤装置(图4)的一个实例，该滤芯从净化水总管悬挂并固定在该总管上。
图4中，经过密封衬垫19利用位于滤芯头12外围的滤芯头凸缘12a和夹具20将每个中空纤维膜滤芯4悬挂并固定在由净化水总管17分出的支管18上。
在用罐式过滤装置1进行过滤操作期间，在上述结构中，依靠一台泵(未示出)经供水入口2c装入供水室7的未净化水，经分离板5的喷嘴5a装入供水室8以向上填充供水室8，然后将该水引入每根中空纤维膜3的外围表面，该供水入口2c位于过滤罐2的罐主体2a的下部。每根中空纤维膜3外围附近的未净化水在压力下从外部向内部经中空纤维膜3过滤，并将过滤的水经中空纤维膜3开放的上端以及支管18导入净化水总管17。经罐主体2a上的净化水出口2d从过滤罐2排出净化水总管中的过滤水。
未经中空纤维膜3过滤的浓缩水经位于过滤罐2上部盖子2b上的浓缩水出口2g排出过滤罐2。
当中空纤维膜滤芯4经历鼓泡时，首先经位于罐主体2a下部的空气入口2f向供水室7供应空气，同时用未净化水装填供水室8。供水室7中已经调节过压力的空气以气泡形式经位于分离板5上的喷嘴5a流入装满未净化水的供水室8，并且从底环13将空气通过粘合及固定层14的通孔14a引入到每根中空纤维膜3的外围侧，以便搅动中空纤维膜3集束中的水并振动中空纤维膜3。因此，该空气剥落了粘附在中空纤维膜3表面的截留物。振动中空纤维膜3的空气经位于盖子2b上的空气排出口2g排出过滤罐2。
工业适用性本发明的中空纤维膜滤芯4没有附着于外围的圆筒形套管，因此能容许它的中空纤维膜3尽可能地振动。因此，可改进鼓泡操作时从中空纤维膜3表面上剥落蓄积截留物的能力，并且可容易地将该截留物从中空纤维膜滤芯4排出。此外，由于伸出中空纤维膜3端部之外的底环13位于中空纤维膜滤芯4的下端，且由于在该底环侧的粘合及固定层14中具备通孔14a，所以可将所供应的气体有效地引入中空纤维膜的集束中。因此，当使用本发明的滤芯时，可有效地进行鼓泡操作，以致可长时期地稳定维持过滤装置的过滤能力。
权利要求
1．一种中空纤维膜滤芯，其包括一多根中空纤维膜的集束、一滤芯头和一底环，该中空纤维膜集束的两端被粘合固定，该滤芯头固定在该束一端外围以便不容许液体或进或出通过，该底环固定在该束另一端的外围以便不容许液体或进或出通过，其中不是把该滤芯头和该底环连接和固定而是将它们分开，开放该滤芯头侧上每一中空纤维膜端部的中空部分，密封该底环侧上每一中空纤维膜端部的中空部分，并且在该底环侧上的粘合及固定层内提供多个通孔。
2．按照权利要求1的中空纤维膜滤芯，其中将该底环端部固定在该中空纤维膜集束的外围表面，以致伸出该中空纤维膜集束端部之外。
3．按照权利要求1的中空纤维膜滤芯，其中所述滤芯头在其外围具有凸缘。
4．按照权利要求2的中空纤维膜滤芯，其中所述滤芯头在其外围具有凸缘。
5．一种使用权利要求1所述中空纤维膜滤芯的罐式或台架式过滤装置。
6．一种使用权利要求2所述中空纤维膜滤芯的罐式或台架式过滤装置。
7．按照权利要求5的一种罐式过滤装置，其中将所述中空纤维膜滤芯以悬挂状态支承。
8．按照权利要求6的一种罐式过滤装置，其中将所述中空纤维膜滤芯以悬挂状态支承。
9．一种罐式过滤装置，包括一过滤罐、一分离板、一分隔板和权利要求1所述中空纤维膜滤芯，其中该过滤罐内部被该分离板和该分隔板分开以形成供水室，并且将所述中空纤维膜滤芯悬挂在该供水室中并使其一端被分隔板握持。
10．按照权利要求9的罐式过滤装置，其中将该底环的端部固定在该中空纤维膜集束的外围表面，以致伸出该中空纤维膜集束端部之外。
11．一种罐式过滤装置，包括一过滤罐，一分离板，一净化水总管，从所述净化水总管分出的支管以及按照权利要求3的中空纤维膜滤芯，其中所述中空纤维膜滤芯通过其凸缘从该支管悬挂。
12．按照权利要求11的罐式过滤装置，其中将该底环端部固定在该中空纤维膜集束的外围表面，以致伸出该中空纤维膜集束端部之外。
全文摘要
一种中空纤维膜滤芯,其包括一多根中空纤维膜的集束、一滤芯头和一底环,该中空纤维膜集束的两端被粘合固定,该滤芯头固定在该束一端外围以便不容许液体或进或出通过,该底环固定在该束另一端的外围以便不容许液体或进或出通过,其中不是把该滤芯头和该底环连接和固定而是将它们分开,开放该滤芯头侧上每一中空纤维膜端部的中空部分,密封该底环侧上每一中空纤维膜端部的中空部分,并且在该底环侧上的粘合及固定层内提供多个通孔。
文档编号B01D65/02GK1289268SQ99802412
公开日2001年3月28日 申请日期1999年11月25日 优先权日1998年11月26日
发明者菅伸彦, 田中英彦 申请人:旭化成工业株式会社