МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ РУЛОННОГО ТИПА Российский патент 2007 года по МПК B01D63/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области конструкции (устройства) мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (далее МЭ).

МЭ состоит из мембранных пакетов, чередующихся с листами дренажного материала для отвода пермеата, намотанных на фильтратотводящую перфорированную трубку и загерметизированных определенным образом.

МЭ нашли широкое применение практически во всех областях промышленности в процессах обратного осмоса, нано-, ультра-, микрофильтрации. Наиболее широко МЭ используются для обессоливания природных и сточных вод промышленных предприятий, водоподготовки технологической воды для различных производств, для получения питьевой воды, в том числе для бытовых нужд.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные конструкции МЭ. МЭ отличаются друг от друга общей конструкцией, технологией изготовления, применяемыми конструкционными материалами, герметизацией (Патенты Японии №№54-151571, 54-149384, 54-149383, 53-124179; Патенты США №№3966616, 3417870, 4235723, 5538642; Авторские свидетельства №№1205359,1213100, 1595553).

Наиболее близкая к заявляемой конструкция МЭ приведена в патенте США №3417870. Согласно этому патенту МЭ содержит центральную трубку с отверстиями для отвода фильтрата, на которую намотаны листы сложенной активным слоем вовнутрь мембраны, внутри каждого листа которой находится лист сетки-турбулизатора, создающего канал для очищаемого раствора, листы сложенной мембраны разделены пористым материалом - каналом для отвода очищенной жидкости - фильтрата. Герметизация этих каналов осуществляется путем нанесения клеевой композиции на пористый материал - дренаж по трем его сторонам перед намоткой.

После спиральной намотки образуется МЭ, представляющий собой цилиндр с осевой фильтратотводящей трубкой, внутри которого сформированы каналы исходной воды и фильтрата. Каналы для подачи воды открыты с двух сторон (торцов) МЭ. Исходная жидкость подается в один торец МЭ и выводится через другой торец. Фильтрат выводится через фильтратотводящую трубку.

Эта конструкция мембранного рулонного элемента разработана достаточно давно и до настоящего времени широко используется многими фирмами-производителями мембранных элементов: Filmtec (США), Hydranautics (США), Roga (США), Toray (Япония), Saehan (Корея), ЗАО НТЦ «Владипор» (Россия), ООО «Экофил» (Россия) и другие. Однако на основе многолетнего опыта производства мембранных элементов и их эксплуатации следует отметить определенные недостатки вышеуказанной конструкции элемента:

- при герметизации мембранного рулонного элемента путем нанесения клеевой композиции по трем сторонам периметра дренажного листа образуются достаточно широкие клеевые швы (30-50 мм), которые существенно уменьшают активную рабочую площадь мембраны в элементе, особенно в малогабаритных элементах, предназначенных для доочистки питьевой воды в бытовых условиях, для офисов, для мембранных установок малой производительности. Для них уменьшение активной площади мембраны составляет 20-30%;

- приготовление и нанесение клеевой композиции, как правило, осуществляется оператором вручную. Этот процесс достаточно трудоемок. Кроме того, при этом неизбежно выдавливание избытка клеевой композиции на торцы мембранного элемента. Поэтому необходима операция подрезки обоих торцов элемента для «открытия» напорных каналов, предназначенных для входа и выхода очищаемой жидкости;

- для обеспечения турбулентного течения очищаемой жидкости в каналах мембранного рулонного элемента, исключающего возникновения эффекта концентрационной поляризации на поверхности мембраны, необходимо обеспечить определенную линейную скорость ее течения, которая будет определять коэффициент конверсии (К) или степень отбора фильтрата - отношение расхода фильтрата (Q_ф) к расходу исходной очищаемой жидкости (Q_исх), К=Q_ф/Q_исх. Поскольку суммарная торцевая площадь каналов в вышеуказанной конструкции мембранного элемента достаточно велика по сравнению с их длиной, для обеспечения турбулентного потока расход исходной очищаемой жидкости должен быть большим, в результате степень отбора фильтрата на практике составляет всего 10-15%. Для малогабаритных элементов, эксплуатируемых, как правило, по одному элементу в установке, более 90% очищаемой воды сбрасывается в канализацию, что является крайне неэкономичным.

Таким образом, недостатками МЭ по патенту США №3417870 являются большая зона герметизации мембранных пакетов, что уменьшает рабочую поверхность МЭ и его производительность, низкая степень отбора фильтрата.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является создание конструкции МЭ с увеличенной производительностью и степенью отбора фильтрата.

Согласно изобретению МЭ состоит из центральной трубки с радиальными отверстиями по длине, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов, каждый состоит из сложенной активной стороной внутрь полупроницаемой мембраны с вложенной в нее турбулизаторной сеткой, и промежуточных дренажных листов. Торцы МЭ полностью загерметизированы методом заливки термореактивной клеевой композиции или расплавом термопластичного материала. Продольный канал центральной трубки разделен поперечной перегородкой на два изолированных неравных по длине участка (L1, L2), в соотношении L1:L2=(1-3):(1-6). При этом длинный участок соединен с турбулизаторными сетками, а короткий - с дренажными листами. Отношение длины L мембранного пакета к его ширине В составляет от 2 до 5.

Вход очищаемой жидкости в напорный канал МЭ организован по образующей со стороны его наружной поверхности, затем по спиральному каналу к центру и выход концентрата через осевой канал центральной трубки с одного из торцов МЭ. Сбор и вывод фильтрата осуществляется по спиральному дренажному каналу к центральной трубке и выход через ее канал со стороны другого торца МЭ. В центральной трубке МЭ каналы фильтрата и концентрата разделены поперечной перегородкой.

Авторами найдено, что выполнение конструкции МЭ в соответствии с указанными выше особенностями позволило увеличить его производительность и степень отбора фильтрата. МЭ согласно изобретению отличается высокой воспроизводимостью эксплуатационных показателей, более технологичен в изготовлении, его производство приводит к значительному снижению твердых отходов.

Для реализации изобретения могут быть использованы все типы мембран: обратноосмотические, нано-, ультра-, микрофильтрационные.

В качестве турбулизаторной сетки предпочтительно использовать безузелковые сетки толщиной от 0,3 до 2 мм. В качестве дренажного полотна можно использовать трикотажное полотно, пропитанное раствором эпоксидной смолы с последующим ее отверждением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 приведен эскиз заявляемого МЭ.

На фиг.2 приведен поперечный разрез А-А заявляемого МЭ.

На фиг.3 приведен поперечный разрез Б-Б заявляемого МЭ.

На фиг.4 приведен эскиз напорного канала заявляемого МЭ.

На фиг.5 приведен эскиз дренажного канала заявляемого МЭ.

На чертежах позициями обозначены:

1 - вход исходного потока;

2 - турбулизаторная сетка (напорный канал элемента);

3 - мембрана;

4 - фильтрат;

5 - дренажный лист (канал для фильтрата);

6 - трубка;

7 - концентрат;

8 - перегородка,

9 - зона герметизации торцов МЭ,

L - длина мембранного пакета,

L1 - длина части центральной трубки МЭ, соединенной с дренажными листами,

L2 - длина части центральной трубки МЭ, соединенной с турбулизаторными сетками,

В - ширина мембранного пакета.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявителем совместно с авторами изобретения были изготовлены и испытаны опытные образцы МЭ с внешним диаметром 45 мм и длиной 300 мм.

Центральная трубка 6 МЭ имеет поперечную перегородку 8 (фиг.1). Вокруг трубки спирально намотана сложенная мембрана 3 с турбулизаторной сеткой 2 (фиг.2, фиг.3). Фильтратный канал образован дренажным листом 5 (фиг.2, фиг.3). Торцы МЭ загерметизированы расплавом термопластичного материала или термореактивной клеевой композицией 9 (фиг.1).

МЭ работает следующим образом (фиг.1-5). Исходная очищаемая вода 1 поступает в напорный канал МЭ, образуемый турбулизаторной сеткой 2 и мембранами 3. Фильтрат 4, проникая через мембраны 3, движется по каналам дренажного листа к центральной трубке и выводится из МЭ через один конец трубки. Концентрат выводится через другую часть центральной трубки 7. Канал для вывода фильтрата 4 и канал для вывода концентрата 7 разделены продольной перегородкой 8 центральной трубки 6.

Основные конструктивные особенности, исходные материалы и результаты испытаний опытных образцов МЭ приведены в таблице.

Контрольные испытания проводились:

- нанофильтрационных элементов на 0,2% растворе MgSO₄,

- микрофильтрационных элементов на водопроводной воде (Нерлинский водозабор г.Владимира).

Анализ результатов испытаний экспериментальных образцов элементов позволяет сделать следующие выводы:

1. Оба способа герметизации мембранных пакетов в элементах (см. п.4 таблицы) достаточно надежны.

2. При герметизации методом заливки торцов по сравнению с герметизацией нанесением клеевой композиции по 3 сторонам периметра каждого мембранного пакета перед спиральной намоткой обеспечивается увеличение эффективной (рабочей) площади мембраны в элементе (см. п.5.2, например, образцы 1, 2) и, как следствие, увеличение его производительности при прочих одинаковых условиях (см. п.6.1, например, образцы элементов 1 и 2).

3. Использование перегородки в центральной трубке (см. п.2.1, 2.2, образцы 2, 5) в сочетании с заливкой торцов (см. п.4.2) привело к увеличению как производительности (см. п.6.1), так и степени отбора фильтрата МЭ (см. п.6.4). При этом соотношение длины мембранного пакета к его ширине для образцов 2, 5 с поперечной перегородкой центральной трубки равнялось 3:1.

Таблица
Основные параметры и результаты испытаний опытных образцов МЭ№ п/пНаименование основных параметров и эксплуатационныеДанные по опытным образцамПримечание123451Используемое мембранное полотно 1.1Нанофильтрационная композитная мембрана++--- 1.2Микрофильтрационная мембрана (размер пор 1,0 мкм)--+++ 2Центральная фильтрат- и концентратотводящая трубка, пакеты 2.1С поперечной перегородкой L1:L2=1:3, отношение длины мембранного канала к его ширине 3:1-+--+ 2.2Без перегородки+-++- 3Наружный диаметр образца МЭ, мм      3.145,0+++++ 4Способ герметизации мембраны в элементе 4.1Строчное нанесение клеевой композиции по 3-м сторонам мембраны до спиральной намотки+-++-  согласно патенту №3417870      4.2Заливка торцов элемента после спиральной намотки термореактивной композицией согласно настоящей заявке-+--+ 5Площадь мембраны в элементе 5.1Общая площадь, м²0,360,360,360,360,36 5.2Эффективная (рабочая) площадь, м²0,230,340,220,230,34Определялась после испытаний и разборки элементов6Эксплуатационные характеристики МЭ 6.1Производительность (по фильтрату) л/час37,856,364,765,197,5 6.2Селективность, %, по MgSO₄94,394,4--- 6.3Селективность по мутности (ГОСТ 3351-74)  75,174,375,8 6.4Степень отбора фильтрата 11,726,914,415,041,0 7Условия испытаний:      Давление, МПа1,61,60,150,150,15Температура, °С20,020,020,020,020,0Режим - проточная фильтрация+++++8Условия испытаний 8.1Рабочая среда      - водный раствор MgSO₄, 0,2%++---- водопроводная вода, забор из р.Нерль г.Владимир--+++

Изобретение может быть использовано для разделения жидких сред в процессах обратного осмоса, нано-, ультра- и микрофильтрации. Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа состоит их центральной трубки с радиальными отверстиями, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов. Мембранный пакет состоит из сложенной активной стороной внутрь полупроницаемой мембраны с вложенной в нее турбулизаторной сеткой и промежуточных дренажных листов. Герметизация мембранного пакета в элементе осуществляется путем полной заливки обоих торцов расплавом термопластичного материала или термореактивной клеевой композицией. Ввод очищаемого раствора в элемент осуществляется через его наружную цилиндрическую поверхность, а вывод концентрата и фильтрата - через центральную трубку. Продольный канал центральной трубки разделен поперечной перегородкой на два изолированных неравных по длине участка. При этом длинный участок соединен с турбулизаторными сетками, а короткий - с дренажными листами. Отношение длины мембранного пакета к его ширине составляет от 2 до 5. Выполнение мембранного фильтрующего элемента в соответствии с предлагаемыми конструкционными решениями позволяет повысить его производительность и степень отбора фильтрата. 5 ил., 1 табл.

Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа, включающий в себя центральную трубку с радиальными отверстиями, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов, каждый состоит из сложенной активной стороной внутрь полупроницаемой мембраны с вложенной в нее турбулизаторной сеткой, и промежуточных дренажных листов, отличающийся тем, что а) герметизация мембранного пакета в элементе осуществляется путем полной заливки обоих торцев расплавом термопластичного материала или термореактивной клеевой композицией, при этом ввод очищаемого раствора в элемент осуществляется через его наружную цилиндрическую поверхность, вывод концентрата и фильтрата - через центральную трубку; б) продольный канал центральной трубки разделен поперечной перегородкой на два изолированных неравных по длине участка (LI, L2), в соотношении L1:L2=(1-3):(1-6), при этом длинный участок соединен с турбулизаторными сетками, а короткий - с дренажными листами; в) отношение длины L мембранного пакета к его ширине В составляет от 2 до 5.