СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕМБРАННОГО ТРУБЧАТОГО ФИЛЬТРА Российский патент 1999 года по МПК B01D65/00 

Изобретение относится к области мембранной техники и может быть использовано при процессах разделения, концентрирования и очистки компонентов сточных вод и технологических жидких смесей, в частности с применением микрофильтрационных, ультрафильтрационных и обратноосмотических мембранных фильтров трубчатой формы.

Известен способ восстановления эксплуатационных свойств трубчатых ультрафильтров /1/, включающий промывку, механическую протирку поверхности каналов фильтрующего элемента комбинацией вращательных и возвратно-поступательных движений смоченным моющим раствором протирочным устройством, содержащим 1-3 губчатых эластичных шарика или мягкий эластичный ерш, закрепленных по центру на конце оправки, а промывку ведут с использованием водного раствора, содержащего смеси полиоксиэтиленового эфира изооктилфенола с лимонной, уксусной, соляной или азотной кислотой или N-метил- пирролидона, диметилацетамида или диметилформамида.

Однако, известный способ позволяет в той или иной степени восстановить эксплуатационные свойства трубчатых ультрафильтров, только в том случае, если не нарушена целостность мембраны, мембрана не подвергалась сильному износу и сильному загрязнению во время эксплуатации.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ восстановления мембранного трубчатого фильтра /2/, включающий извлечение трубчатого фильтрующего элемента, регенерацию открытопористой трубки путем удаления с ее поверхности бывшей в употреблении или поврежденной мембраны, нанесение на поверхность регенерированной открытопористой трубки новой мембраны и сборку фильтра, отличающийся тем, что удаление бывшей в употреблении или поврежденной мембраны фильтрующего элемента осуществляют выжиганием при температуре 500-800^oC.

Однако, этот способ не позволяет регенерировать дорогостоящую открытопористую трубку фильтрующего элемента, если она изготовлена из органических материалов или с использованием связующих на органической основе, например, стеклопластика. Указанный способ возможен лишь для восстановления мембранных фильтров, фильтрующий элемент которых изготовлен из металлических, керамических и других огнестойких материалов, температура плавления которых выше температуры разложения мембран.

К тому же, неорганические загрязнения в порах мембраны и открытопористой трубки после выжигания остаются в порах регенерированной открытопористой трубки, что требует дополнительной очистки ее перед нанесением новой мембраны.

При высокой температуре 500-800^oC, которая используется для удаления бывшей в употреблении или поврежденной мембраны фильтрующего элемента по известному способу (2), возможна деформация (коробление) регенерируемых открытопористых трубок, так как эти трубки являются тонкостенными (толщина стенки не более 1,5 мм) и при их изготовлении в материале трубки остаются внутренние напряжения, которые при температурах 500-800^oC могут реализоваться и привести в негодность регенерируемые открытопористые трубки по прямому назначению.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка эффективного способа восстановления эксплуатационных свойств любого мембранного трубчатого фильтра, вышедшего из строя по причине износа, дефекта мембраны или закупорки ее пор.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе восстановления мембранного трубчатого элемента, включающем извлечение трубчатого фильтрующего элемента, регенерацию открытопористой трубки путем удаления с ее внутренней поверхности бывшей в употреблении или поврежденной мембраны, нанесение на внутреннюю поверхность регенерированной открытопористой трубки новой мембраны и сборку фильтра, согласно изобретению, удаление с внутренней поверхности открытопористой трубки бывшей в употреблении или поврежденной предварительно набухшей мембраны осуществляют с помощью круглого ножа, укрепленного на конце оправки, причем диаметр режущей кромки ножа составляет 0,9984-0,9993 внутреннего диаметра открытопористой трубки мембранного фильтра.

Принципиальное отличие предлагаемой операции регенерации открытопористой трубки в процессе восстановления мембранного фильтра от ранее известной, проводимой за счет выжигания мембраны при температуре 500-800^oC, заключается в том, что удаление бывшей в употреблении или поврежденной мембраны с внутренней поверхности регенерируемой открытопористой трубки фильтрующего элемента осуществляют за счет сдвиговых усилий, создаваемых с помощью ножа, укрепленного на конце оправки, причем диаметр ножа составляет 0,9984-0,9993 внутреннего диаметра открытопористой трубки мембранного фильтра. Жесткая тяга, к которой крепится нож, позволяет продвигать нож по всей поверхности открытопористой трубки, что обеспечивает большие сдвиговые усилия и способствует получению одинаково очищенной поверхности открытопористой трубки по всей ее длине.

Используя предлагаемый прием, удается обеспечить удаление со всей поверхности открытопористой трубки всей или основной массы бывшей в употреблении или поврежденной мембраны в сухом или в набухшем виде, в результате чего значительно повышается надежность и эффективность очистки открытопористой трубки мембранного фильтрующего элемента за счет жесткого воздействия ножа и создаваемых им при этом больших сдвиговых усилий.

Приспособление для удаления с внутренней поверхности открытопористой трубки всей или основной массы бывшей в употреблении или поврежденной набухшей мембраны выполнено в виде круглого ножа, укрепленного на конце оправки, причем диаметр ножа составляет 0,9984-0,9993 внутреннего диаметра регенерируемой открытопористой трубки мембранного фильтрующего элемента. Крепление ножа на конце оправки может быть выполнено с помощью гнезда, в котором зафиксирована сферическая головка тяги оправки.

Приспособление работает следующим образом. Круглый нож, укрепленный на конце оправки, вставляют с одного конца в напорный канал трубчатого фильтрующего элемента с набухшей мембраной и оправку продвигают к другому концу мембранного трубчатого фильтрующего элемента. Под действием сдвиговых усилий ножа мембрана отдирается и срезается с поверхности открытопористой трубки и выталкивается с другого ее конца. Затем оправку с ножом вставляют с другого конца мембранного трубчатого фильтрующего элемента и дополнительно прочищают внутреннюю поверхность открытопористой трубки, как указано выше.

Остатки бывшей в употреблении или поврежденной мембраны на внутренней поверхности трубки, не захваченные ножом, удаляют протиркой ершом и/или тампоном, при необходимости дополнительно замачивая регенерируемую открытопористую трубку в растворителе для мембранообразующего полимера.

Нож изготавливают преимущественно из стали, оправку, на конце которой крепится нож, - из металлической трубки с наружным диаметром 8-12 мм. На другом конце оправки-тяги выполняется ручка для большего удобства при работе. Длина оправки на 10-30 см больше длины регенерируемой открытопористой трубки.

Ослабление адгезионных связей между мембраной и открытопористой трубкой фильтрующего элемента способствует очистке открытопористой трубки ножом. Оно может быть осуществлено замачиванием фильтрующего элемента в растворе вещества или смеси веществ, вызывающих набухание или растворение мембраны. При этом могут иметь место химические превращения материала мембраны. Например, при замачивании фильтрующего элемента с ацетатцеллюлозной мембраной в щелочном растворе возможно омыление ацетатцеллюлозы с превращением ее в сильно набухающую гидратцеллюлозу, которая при последующей сушке имеет сильную усадку, в результате чего сильно коробится, крошится и легко отрывается от поверхности открытопористой трубки.

Скорость набухания и растворения мембраны зависит от природы мембранообразующего полимера, ее пористости, свойств открытопористой трубки, используемых агентов набухания и условий проведения операции.

Для ускорения набухания мембраны могут быть использованы подогрев или охлаждение раствора, применяемого в процессе. Однако, подогрев выше 50^oC нежелателен, так как требуется дополнительный расход тепла и возможно коробление и ослабление открытопористых трубок.

Процесс набухания мембраны целесообразно останавливать на стадии ограниченного набухания, а затем производить отслаивание и удаление с поверхности открытопористой трубки мембранообразующего материала механическим способом (ножом) и только остатки мембраны после очистки ножом следует удалять растворением. Это значительно экономит растворитель и создает меньше проблем с утилизацией отходов, ускоряет стадию регенерации открытопористой трубки.

При этом для набухания мембраны целесообразно использовать высококипящие малотоксичные растворители, хорошо смешивающиеся с водой, раствор мембранообразующего полимера в которых при высаждении в воду дает открытую крупнопористую структуру. Это позволяет многократно использовать раствор для набухания и/или растворения мембранообразующего полимера, что сокращает затраты на восстановление мембранных фильтров. Чаще всего для этого пригодны N-метил-пирролидон, N-диметилацетамид, диметилформамид, ацетон.

Растворители, используемые для набухания бывшей в употреблении или поврежденной мембраны фильтрующих элементов, не должны взаимодействовать с материалом регенерируемых открытопористых трубок, чтобы не вызвать коробления и ухудшения их эксплуатационных свойств.

Сопоставительный анализ показывает, что предлагаемый способ восстановления мембранного трубчатого фильтра отличается новизной технического решения. Новым является операция удаления с поверхности регенерируемой открытопористой трубки бывшей в употреблении или поврежденной мембраны фильтрующего элемента с помощью ножа, укрепленного на конце оправки, причем диаметр режущей кромки ножа составляет 0,9984 - 0,9993 внутреннего диаметра открытопористой трубки мембранного фильтра.

Несмотря на известность удаления пленочных покрытий соскабливанием с целью очистки поверхности, выполнение операции удаления с внутренней поверхности регенерируемой открытопористой трубки мембранного фильтра бывшей в употреблении или поврежденной мембраны с помощью ножа, укрепленного на конце оправки, диаметр режущей кромки которого составляет 0,9984 - 0,9993 внутреннего диаметра регенерируемой открытопористой трубки мембранного фильтра, является новым и не простым использованием известного приема в технике.

Для обеспечения надежной работы мембранного фильтра стараются обеспечить максимальную адгезию мембраны к поверхности открытопористой трубки фильтрующего элемента, поэтому удаление бывшей в употреблении или поврежденной мембраны с внутренней поверхности длинномерной (обычно 1,5 - 3 м) открытопористой трубки представляет большую проблему. Она усложняется и тем, что затруднен визуальный контроль за степенью очистки поверхности внутри трубки.

Найденный экспериментальным путем прием одновременного отдирания, срезания и выталкивания бывшей в употреблении или поврежденной мембраны с внутренней поверхности длинномерной открытопористой трубки фильтрующего элемента за счет больших сдвиговых усилий, создаваемых с помощью круглого ножа, диаметр режущей кромки которого составляет 0,9984 - 0,9993 диаметра открытопористой трубки, закрепленного на конце жесткой оправки, при его поступательном движении с одного конца открытопористой трубки в другой позволяет обеспечивать одинаковую по всей длине эффективную очистку внутренней поверхности открытопористой трубки.

Найденные экспериментальным путем новые совокупности приемов и свойств проведения процесса являются решающими факторами целенаправленных мероприятий для обеспечения восстановления эксплуатационных свойств мембранных трубчатых фильтров. Полученный более глубокий эффект очистки поверхности регенерируемой открытопористой трубки при меньших затратах и отходах не проявлялся в известных способах восстановления эксплуатационных свойств мембранных трубчатых фильтров. Несовпадение технических свойств с точки зрения положительного эффекта заявляемого и известных объектов свидетельствует о том, что в результате налицо новая совокупность признаков решения, приводящая к возникновению нового явления (свойства), обеспечивающего достижение положительного эффекта, что позволяет признать предлагаемый способ соответствующим критерию "существенные отличия".

Заявленное техническое решение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Из бывшего в употреблении для очистки (регенерации) отработанного смывающего раствора трубчатого ультрафильтра после промывки извлекают фильтрующий элемент, представляющий собой открытопористую трубку длиной 2,9 м с внутренним диаметром 25,40 мм, внутренняя поверхность которой покрыта мембраной на основе фторполимера. Частично мембранообразующий полимер выходит и на наружную поверхность открытопористой трубки. Водопроницаемость фильтрующего элемента до эксплуатации при температуре 25^oC и давлении 0,2 МПа составляла 500 л/м²•ч, производительность по фильтрату при обработке отработанного смывающего раствора в начале эксплуатации составляла 70 л/м²•ч, после употребления эти показатели снизились до 30 и 10 л/м²•ч, соответственно, и были неприемлемы при дальнейшей эксплуатации ультрафильтра. Серповидным ножом соскабливают с наружной поверхности фильтрующего элемента мембранообразующий полимер (55 г). Затем фильтрующий элемент сушат на воздухе, погружают в N-метил-пирролидон и оставляют в нем при температуре помещения (20^oC) на 30 мин. Далее в канал открытопористой трубки фильтрующего элемента с одного конца вставляют круглый нож (диаметром 25,36 мм), укрепленный на конце оправки, и оправку продвигают к другому концу открытопористой трубки. Под действием сдвиговых усилий ножа набухшая мембрана отдирается от поверхности открытопористой трубки, срезается и выталкивается с другого ее конца. Оправку с ножом вытаскивают из открытопористой трубки и проталкивают нож еще раз по каналу открытопористой трубки с другого ее конца (при этом удаляется 72 г мембранообразующего полимера в виде геля 27% концентрации).

Открытопористую трубку после этого снова помещают в N-метил-пирролидон на 20-30 мин, затем внутреннюю поверхность ее по всей длине прочищают ершом, закрепленным на оправке, и протирают тампоном. После этого регенерированную открытопористую трубку отмывают водой от N-метил-пирролидона, сушат, на внутреннюю поверхность ее наносят новую мембрану из того же мембранообразующего полимера. Восстановленный фильтрующий элемент снабжают уплотнениями по концам открытопористой трубки, вставляют в кожух, обеспечивая сборку мембранного фильтра. Восстановленный мембранный фильтр имеет водопроницаемость 520 л/м²•ч, производительность по фильтрату при обработке отработанного смывающего раствора 75 л/м²•ч при 100% селективности по краске.

Обычно в N-метил-пирролидон загружают 10-15 штук фильтрующих элементов. В среднем расход N-метил-пирролидона составляет порядка 450 г на фильтрующий элемент, продолжительность процесса порядка 1 ч.

Пример 2. Бракованный в процессе производства трубчатый микрофильтр из-за дефекта (повреждения) мембраны на основе ароматического полисульфона, представляющий собой блок из семи открытопористых трубок длиной 2 м и внутренним диаметром 13,50 мм, восстанавливают по способу, как в примере 1, с той лишь разницей, что диаметр режущей кромки круглого ножа составляет 13,49 мм, очистке подвергают канал каждой открытопористой трубки, не производится чистка наружной поверхности трубок от мембранообразующего полимера, так как выход его на наружную поверхность открытопористых трубок отсутствует. После этого на внутреннюю поверхность открытопористых трубок вместо микрофильтрационной полисульфоновой мембраны наносят ультрафильтрационную полисульфоновую мембрану. Восстановленный трубчатый мембранный фильтр имел водопроницаемость по обессоленной воде 1100 л/м²•ч при температуре 25^oC и давлении 0,2 МПа.

Пример 3. Трубчатый ультрафильтр той же конструкции, как трубчатый микрофильтр в примере 2, с мембраной на основе сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом из-за повреждения мембраны в одной из трубок восстановлен по способу, как в примере 2, с той лишь разницей, что в качестве растворителя используют ацетон. На внутреннюю поверхность регенерированных открытопористых трубок наносят ультрафильтрационную мембрану из ароматического полисульфонамида. Восстановленный ультрафильтр имел водопроницаемость по обессоленной воде 600 л/м²•ч при температуре 25^oC и давлении 0,2 МПа.

Пример 4. Способ восстановления бывшего в употреблении для обработки раствора анофорезного грунта трубчатого ультрафильтра с ацетилцеллюлозной мембраной, как в примере 1, с той лишь разницей, что мембранный фильтрующий элемент после извлечения из кожуха для набухания мембраны помещают в 5% подогретый до 50^oC водный раствор, содержащий 5 г/л едкого натра и 5 г/л моющего средства КМ (ТУ 6-38-30743-72). На регенерированную открытопористую трубку наносят новую ацетилцеллюлозную мембрану, затем собирают ультрафильтр. Водопроницаемость восстановленного ультрафильтра при температуре 25^oC и давлении 0,2 МПа составляет 300 л/м²•ч. Восстановленный ультрафильтр при обработке 15% раствора анофорезного грунта имеет производительность по фильтрату 32 л/м²•ч, селективность по сухому остатку 96,7%. Такие же характеристики были в начале эксплуатации у бывшего в употреблении ультрафильтра.

Пример 5. Способ восстановления трубчатого ультрафильтра, как в примере 1, но круглый нож для удаления мембраны с внутренней поверхности регенерируемой открытопористой трубки имел диаметр режущей кромки 25,20 мкм. Расход N-метил-пирролидона на операцию регенерации открытопористой трубки увеличился на 30%, продолжительность очистки на 20%. Восстановленный ультрафильтр имел 480 л/м²•ч при температуре 25^oC и давлении 0,2 МПа.

Пример 6. Трубчатый фильтрующий элемент, извлеченный из ультрафильтра с поврежденной мембраной (сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом), находящейся на внутренней поверхности открытопористой трубки, помещали на 30 мин при температуре помещения (20^oC) в ацетон. Осторожно вынимали из ванны и набухшую мембрану удаляли, как в примере 1. Остатки мембраны отмывают ацетоном, протирают поверхность регенерированной открытопористой трубки тампоном и наносят на нее фторопластовую мембрану. После сборки ультрафильтр при испытании имел водопроницаемость 1100 л/м²•ч при температуре 25^oC и давлении 0,2 МПа.

Пример 7 (согласно прототипу). Извлеченный из кожуха фильтрующий элемент на основе стеклопластиковой открытопористой трубки, внутренняя поверхность которой покрыта ацетатцеллюлозной мембраной, помещали в термокамеру и поднимали в ней температуру до 500^oC. Через 1 час открыли термокамеру и обнаружили в ней лишь остатки стеклолент. Мембрана, подложка под мембрану из нетканого волокнистого лавсанового материала и связующее в стеклоленте выгорели, открытопористая трубка разрушилась.

Данные сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что в способе восстановления мембранного трубчатого фильтра, включающем извлечение трубчатого фильтрующего элемента, регенерацию открытопористой трубки путем удаления с ее поверхности бывшей в употреблении или поврежденной мембраны, нанесение на поверхность регенерированной открытопористой трубки новой мембраны и сборку фильтра, при регенерации открытопористой трубки с помощью ножа при движении его режущей кромки на расстоянии, удаленном от поверхности открытопористой трубки не более чем на 20 мкм (примеры 1-4,6) благодаря сдвиговым усилиям, создаваемым ножом, обеспечивается более эффективное удаление мембраны с поверхности регенерируемой открытопористой трубки (отслоение в виде концентрированного геля (пример 1-3, 5, 6) или кусочков мембраны (пример 4). При этом обеспечивается более надежная и одинаковая очистка открытопористой трубки по всей ее поверхности при меньших затратах и отходах. Если диаметр режущей кромки ножа менее, чем 0,9984 диаметра открытопористой трубки (пример 5), то набухшая мембрана отслаивается хуже, больше ее остается на поверхности регенерируемой открытопористой трубки, поэтому требуются большие затраты для доводки открытопористой трубки до кондиции. При известном способе (пример 7) удаление бывшей в употреблении или дефектной мембраны приводит к разрушению открытопористой трубки, на внутренней поверхности которой располагается мембрана.

Использование предлагаемого способа восстановления мембранного трубчатого фильтра обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества:
а) возможность полного восстановления эксплуатационных свойств мембранных трубчатых фильтров, бывших в употреблении или вышедших из строя в результате повреждения мембраны, при небольших затратах растворителей и отходах производства, что важно с экономической и экологической точек зрения;
б) за счет сдвиговых воздействий круглого ножа обеспечивается более полное и равномерное удаление остатков бывшей в употреблении или вышедшей из строя набухшей мембраны и содержащихся в ней загрязнений из регенерируемой открытопористой трубки мембранного фильтра, что упрощает процесс окончательной очистки регенерируемой открытопористой трубки перед нанесением новой мембраны на регенерированную открытопористую трубку;
в) возможность нанесения на регенерированную открытопористую трубку новой мембраны из другого мембранообразующего полимера;
г) конструктивно простое аппаратурное решение процесса, не требующее капитальных затрат.

Заявляемое техническое решение с положительным результатом проверено на промышленных предприятиях.

Источники
1. Патент РФ N 2094103, класс B 01 D 65/06.

2. Патент Японии N 54-28278, кл. B 01 D 13/00.

Способ включает извлечение фильтрующего элемента, регенерацию открытопористой трубки путем удаления с ее внутренней поверхности бывшей в употреблении или поврежденной предварительно набухшей мембраны, нанесение на внутреннюю поверхность регенерированной трубки новой мембраны и сборку фильтра. Новым является удаление с внутренней поверхности открытопористой трубки бывшей в употреблении или поврежденной предварительно набухшей мембраны с помощью круглого ножа, укрепленного на конце оправки, причем диаметр режущей кромки ножа составляет 0,9984-0,9993 внутреннего диаметра открытопористой трубки мембранного фильтра. Технический результат - повышение эффективности способа. 1 табл.

Способ восстановления мембранного трубчатого фильтра, включающий извлечение трубчатого фильтрующего элемента, регенерацию открытопористой трубки путем удаления с ее внутренней поверхности бывшей в употреблении или поврежденной мембраны, нанесение на внутреннюю поверхность регенерированной открытопористой трубки новой мембраны и сборку фильтра, отличающийся тем, что регенерацию открытопористой трубки путем удаления с ее внутренней поверхности бывшей в употреблении или поврежденной предварительно набухшей мембраны осуществляют с помощью круглого ножа, укрепленного на конце оправки, причем диаметр режущей кромки ножа составляет 0,9984 - 0,9993 внутреннего диаметра открытопористой трубки мембранного фильтра.