一種適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種適用于通用平板膜元件的復合場膜，分離實驗裝置，包括本體結構和外接本體結構的超聲波換能器、高壓交流脈沖電源，本體結構上下對稱，由上夾板和下夾板、上腔體壁和下腔體壁及位于中間的膜元件形成上料液腔體、下料液腔體以及膜元件內的濾液腔體這三個獨立的封閉腔體；上導電螺桿下端伸在上料液腔體內可調節地連接上電極板、上端伸出上夾板外連接高壓交流脈沖電源，下導電螺桿上端伸在下料液腔體內可調節地連接下電極板、下端伸出下夾板外連接高壓交流脈沖電源；上、下腔體壁均是由四個L型壁板首尾搭接成的平移方框型結構；本發明實現了腔體長度、寬度、厚度的三維可調，可以更換不同類型的膜元件，使用靈活方便，通用性好。
【專利說明】一種適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及膜分離【技術領域】，具體涉及一種適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置。
【背景技術】
[0002]膜分離技術是指利用膜的選擇性分離特性，以壓力差、濃度差、電化學勢等為推動力，實現料液不同組分的分離、純化、濃縮的技術。膜分離技術廣泛應用于石油、化工、環保、能源、醫藥、食品和水處理等領域。然而，由于膜分離過程中存在的濃差極化、膜污染和膜劣化現象，使得目前工業化應用的膜分離系統普遍存在著分離效果差、生產成本高、生產速度和效率難于有效提高的問題，制約了膜分離技術進一步的大規模應用。濃差極化、膜污染和膜劣化的發生機制十分復雜，由于缺乏有關弱化濃差極化、膜污染和膜劣化效應的有效實驗手段，現階段對高效膜過濾的方法研究還處在經驗階段，并未建立成熟的理論體系。因此，對在外場條件下進行膜分離過程的膜分離實驗設備，研究濃差極化、膜污染和膜劣化的形成機理以及處理方法具有重要的意義。
[0003]近年來，膜生物反應器(MBR)被廣泛應用于城市污水和工業廢水處理，膜組件是MBR的核心部分，目前工程化應用中膜組件的形式主要有平板構型和管式構型。平板型膜組件通常是安裝有若干平板膜元件的箱子，配有曝氣裝置和進出水管，膜元件之間是相互并聯的。市場上通用的浸沒式雙面平板膜元件一般由膜支撐框、濾膜片、導流布及導流板等組成，在導流板的頂端設有一個抽吸口，膜池中的活性污泥被阻隔在膜元件的外部，過濾后的水通過膜元件抽吸口在負壓作用下被抽出。目前各廠商生產的平板膜元件的型號一般有四種，其對應的有效膜面積分別為1.5m2,0.8m2,0.25m2和0.lm2，相應的外形尺寸(寬度X長度 X 厚度(mm))—般為 490X1750X7、490X1000X7、340X470X7 和 220X320X6。不同廠商生產的膜元件在有效膜面積相等的情況下，在外形尺寸上會有差異，如有效膜面積為0.1m2的膜元件，其外形尺寸寬度為210±30mm、長度為310±30mm、厚度為6±2mm。
[0004]中國專利申請號200620155007.1公開了一種超聲場和高壓交流脈沖電場復合強化的超濾膜分離組件，用于實驗室的超濾試驗，并利用超聲場和高壓交流脈沖電場改善濃差極化，防止膜污染，該組件設置了上下基板，上下基板間的凹槽形成空腔，上下導電板分別壓于空腔內，通過壓條將超濾膜片壓緊在下基板的凹槽內，將上下導電板分成兩個相互隔開的空間。上空間為原料液，有進液口和出液口，下空間為過濾液，有出液口。上導電板位于原料液空間內，下導電板位于過濾液空間內。在其中一個基板上加工8個超聲波安裝孔，超聲波振子安裝在兩個基板之間的空間內，緊貼電極板。該裝置使用超濾膜片進行超濾實驗，需要專門裁切膜片，上下空間大小固定，不能調節，不能使用通用的平板膜元件。導電板、超聲波振子等的安裝位置固定，不能調節。超濾膜使用壓條壓緊在上下基板之間，安裝位置和大小固定，拆卸更換時需要拆開整個裝置。以上，導致該組件通用性不強，使用不便。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有膜分離技術存在的問題，公開一種適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置，直接使用商用的膜元件，雙面過濾，能夠利用不同廠商生產的、各種材料和類型的單個膜元件開展分離試驗，通過設置不同的實驗環境，測試膜分離過程的性能和效率，對各種膜材料的可靠性進行測試，分析濃差極化、膜污染和膜劣化產生的原因機理，并提供位置可調的超聲場和交變電場的復合場，研究在復合場條件下對濃差極化和膜污染的抑制作用以及對膜材料的影響，為諸多膜分離應用實驗提供了一種新型的結構。
[0006]為達到上述目的，本發明的技術方案是:本發明包括本體結構和外接本體結構的超聲波換能器、高壓交流脈沖電源，所述本體結構上下對稱，由上夾板和下夾板、上腔體壁和下腔體壁及位于中間的膜元件形成上料液腔體、下料液腔體以及膜元件內的濾液腔體這三個獨立的封閉腔體；上腔體壁的左側壁上開有上進液口、右側壁上開有上出液口 ；下腔壁左側壁上開有下進液口、右側壁上開有下出液口，膜元件的左側設有過濾液出口 ；上料液腔體內部設有固定連接上夾板上的上電極板，下料液腔體內部設有固定連接下夾板的下電極板；上導電螺桿下端伸在上料液腔體內可調節地連接上電極板、上端伸出上夾板外連接高壓交流脈沖電源，下導電螺桿上端伸在下料液腔體內可調節地連接下電極板、下端伸出下夾板外連接高壓交流脈沖電源；上腔體壁和下腔體壁均是由四個L型壁板首尾搭接成的平移方框型結構，可調節上料液腔體和下料液腔體的長度和寬度；上夾板和下夾板的外表面均設有斜體卡槽，斜體卡槽內嵌有超聲波換能器，超聲波換能器連接超聲波發生器。
[0007]本發明與已有技術相比，具有如下優點:
1.本發明針對通用的平板膜元件，設計了雙料液腔，與膜元件組合形成了三腔體結構，上料液腔和下料液腔分別設置了進液口和出液口，中濾液腔直接采用膜元件的出液口，這種結構適用于通用平板膜元件的實驗。
[0008]2.很多廠商生產有效膜面積為0.1平方米和0.25平方米的小型平板膜元件，但不同廠商生產時，平板膜元件板框的長度、寬度和厚度等尺寸參數會有一定的差異，本發明采用腔壁移動拼接和螺桿調節相配合的方式，上下采用夾板固定，實現了腔體長度、寬度、厚度的三維可調，可以適應大部分廠商生產的0.1平方米和0.25平方米的小型平板膜元件產品。直接采用通用的雙面平板膜元件進行膜分離試驗，拆卸膜元件時只需擰松螺桿的螺母，將膜元件抽出即可，不需要裁切膜片，適用于各種商用平板膜元件的膜分離和膜材料檢測實驗，使用靈活方便，通用性好。
[0009]3.本發明上下電極板分別設置在上料液腔和下料液腔體中，用定位套管調節到膜表面的距離，通過改變極板間交變電場的強度，研究電場對濃差極化和膜通量的影響。
[0010]4.本發明表面設置了三個卡槽，根據超聲波換能器的形狀設計，兩邊向內傾斜，用于夾住同樣呈傾斜端面的超聲波換能器，便于左右調節安裝位置，兩邊各開有一排小孔，插入插銷后通過阻擋作用對超聲波換能器產生一個向下的力，有利于進一步的固定，這樣的設計可以安裝任意數量的超聲波換能器，根據實驗需要靈活調節換能器數目和位置，便于超聲波助濾效果實驗，滿足不同的實驗需要。超聲波換能器安裝于上下夾板表面的卡槽上而不是安裝于腔體內，避免了換能器清潔、通電、夾板打孔密封和拆卸不易的問題。
[0011]5.本發明上下夾板采用長螺桿結構固定，方便膜元件的拆卸和更換。
[0012]6.本發明接入膜分離系統中，通過施加和改變腔體內實驗環境條件，包括溫度、壓力、酸堿度、流速、顆粒大小等，針對膜分離過程的效率、濃差極化、污染和劣化情況進行測試，研究膜元件和膜材料的可靠性。接入膜分離系統中，可以更換不同類型的膜元件，進行微濾、超濾、納濾、反滲透等膜分離試驗。
[0013]7、本發明中的電極板分別安裝于上下料液腔內，不接觸濾液腔，電場充分作用于原料液，更好地對膜表面施加影響。在復合場具體實施時將一面的電極板取出，可以實現上電場、下超聲場或上超聲場、下電場的組合。上下電極板、超聲波換能器的安裝數量和位置視實驗的需要均可進行調節。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明所述一種適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置在去掉外接的超聲波發生器、超聲波換能器、高壓交流脈沖電源及相關安裝附件之后的本體結構正視圖；
圖2為圖1中上腔體壁4或下腔體壁8的結構圖；
圖3為圖2中上夾板I及其關聯部件的仰視結構圖；
圖4為圖2中上夾板I及其關聯部件的俯視結構圖；
圖5為本發明去掉超聲波發生器、高壓交流脈沖電源后的立體裝配圖。
[0015]圖6為本發明所述一種適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置的立體裝配圖。
[0016]圖中:1.上夾板；2.上進液口 ；3.腔體固定螺桿；4.上腔體壁；5.膜元件；6.過濾液出口 ；7.下進液口 ；8.下腔體壁；9.固定螺桿和螺母；10.下夾板；11.定位桿；12.定位套管；13.腔壁固定螺孔；14.上電極板；15.防水橡膠墊；16.上出液口 ；17.下電極板；18.下出液口 ；19.濾液腔體；20.上料液腔體；21.下料液腔體；22.固定螺孔；23.導電螺孔；24.插銷；25.安裝超聲波換能器的斜體卡槽；26.超聲波換能器；27.插銷孔；28.超聲波發生器；29.高壓交流脈沖電源；30.上導電螺桿；31.下導電螺桿；32.絕緣防滲墊片。
【具體實施方式】
[0017]參見附圖1和圖6，本發明所述適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置包括本體結構和外接本體結構的超聲波換能器26、超聲波發生器28、高壓交流脈沖電源29。所述本體結構為上下對稱結構，正中間是膜元件5，由上夾板I和下夾板10、上腔壁4和下腔壁8以及位于中間的膜元件5構成三個獨立的封閉腔體，三個獨立的封閉腔體分別是上料液腔體20、下料液腔體21和膜元件5內的濾液腔體19。上料液腔體20由上夾板1、上腔體壁4和膜元件5圍成，下料液腔體21由下夾板10、下腔體壁8和膜元件5圍成，膜元件5本身內部具有濾液腔體19。
[0018]在上夾板I與上腔體壁4之間的結合部、下夾板10和下腔體壁8之間的結合部都用防水橡膠墊15作密封防滲處理。上腔壁4的下端面、下腔壁8的上端面分別扣壓在膜元件5的邊框處，在結合部也用防水橡膠墊15作密封防滲處理。
[0019]在上腔壁4的左側壁上開有上進液口 2、右側壁上開有上出液口 16 ;在下腔壁8左側壁上開有下進液口 7、右側壁上開有下出液口 18，各個進液口和出液口都是通用螺紋結構，邊緣作密封防滲處理，便于接入膜分離系統外設。膜元件5的左側頭部設有過濾液出口6，過濾液出口 6稍向外突出。
[0020]在上料液腔體20內部安裝上電極板14，在下料液腔體21內部安裝下電極板17。上電極板14固定在上夾板I上，下電極板17固定連接在下夾板10上。上電極板14和下電極板17分別通過上、下導電螺桿30、31和各自的定位桿11、定位套管12的共同作用，調節安裝位置并固定。
[0021]上導電螺桿30垂直安裝于上夾板I的中央，下導電螺桿31垂直安裝于下夾板10的中央，在上、下導電螺桿30、31和上、下夾板1、10的結合部，用絕緣防滲墊片32作防滲絕緣處理。上導電螺桿30下端伸在上料液腔體20內連接上電極板14、上端伸出上夾板I外并外接高壓交流脈沖電源29，下導電螺桿31上端伸在下料液腔體21內連接下電極板17、下端伸出下夾板10外并外接高壓交流脈沖電源29 (參見附圖6)，由高壓交流脈沖電源29向上、下電極板14、17供電，從而在上、下電極板14、17間產生交變電場，對膜分離過程中膜材料表面的濃差極化現象產生影響。
[0022]參見附圖2，為上腔體壁4的結構圖，下腔體壁8結構與此相同。上腔體壁4和下腔體壁8均是由四個L型壁板首尾搭接成的平移方框型結構，實現了上料液腔體20和下料液腔體21的腔體大小可調。在搭接處分布有一排螺孔，螺孔不打穿，與腔體不相通。通過2個螺絲3固定和調節上料液腔體20和下料液腔體21的大小。在搭接處用防水橡膠墊15保證腔體的防滲和密封，4個搭接處都作相同處理。通過同時移動同處一側的上下或左右2個L型壁板，實現上料液腔體20和下料液腔體21的長度和寬度的可調節，以適應大部分有效膜面積為0.25m2和0.1m2的商用平板膜元件。
[0023]參見附圖3，同時參見附圖1，為上夾板I及與其關聯部件的仰視結構圖，下平板10與其關聯部件的俯視結構與此相同。主要有位于上下側邊緣的6個固定螺孔22，用于整個實驗裝置的安裝固定。一圈防水橡膠圈15，有一定的寬度范圍，能適應腔體大小的調整。位于中央位置的螺孔23用于安裝上導電螺桿31以及4個定位桿11，在定位桿11上嵌套定位套管12，通過定位套管12和上導電螺桿31的共同作用，固定安裝上電極板14。使用不同長度的定位套管12，可以調節上電極板14的安裝位置。
[0024]參見附圖4，為上夾板I的俯視結構圖，下平板10的仰視結構與此相同。超聲場的設置為在上夾板I的表面安裝有3個斜體卡槽25，3個斜體卡槽25相互平行。超聲波換能器26形狀為倒喇叭型，與此相適應，斜體卡槽25的側邊向內傾斜，上面各開有一排插銷孔27。超聲波換能器26的安裝方法為嵌入斜體卡槽25內，安裝位置可以沿斜體卡槽25左右調節，位置確定后，通過兩側邊的插銷孔27，在超聲波換能器26兩側的肩突處各插入一根插銷24，形成鉗位固定結構，通過斜體卡槽25向內傾斜的側邊產生的夾力和插銷24鉗位固定產生的向下阻力，對超聲波換能器26加以固定。這種結構可以根據實驗要求安裝任意多個超聲波換能器26。
[0025]參見附圖5，同時參見附圖1、附圖2、附圖3、附圖4，先按照膜元件5的尺寸，調節安裝好上、下腔體20、21。在裝配時首先放置好下夾板10，接著在各個定位桿11上套上定位套管12，將下電極板17放置在定位套管12上，然后將下導電螺桿31穿過電極板17和下夾板10，在下導電螺桿31上配合相應的絕緣防滲墊片32擰上螺母，完成下電極板17的安裝固定。接著將裝配好的下腔體21放置在下夾板10背面的一圈防水橡膠墊15上。然后將膜元件5配合防水橡膠墊15壓緊在下腔體21上端，膜元件5的頭部和過濾液出口 6稍向外突出，濾液腔體19置于中央位置。接著將裝配好的上腔體20配合防水橡膠墊15壓緊在膜元件5的上端面邊框處。接著將上夾板I背面朝上，在各個定位桿11上套上定位套管12，將上電極板14放置在定位套管12上，然后將上導電螺桿30穿過上電極板14和上夾板I，在上導電螺桿30上配合相應的絕緣防滲墊片32擰上螺母，完成上電極板14的安裝固定。然后將上夾板I翻轉背面朝下，扣壓在上腔體20上方，對齊上夾板10背面的一圈防水橡膠墊15。最后將6根固定長螺桿9穿過上、下夾板1、10兩側邊緣的固定螺孔，擰上螺母完成固定安裝。
[0026]參見附圖6，同時參見附圖1，超聲波換能器26外接超聲波發生器28，上、下導電螺桿30、31外接高壓交流脈沖電源29，形成超聲場和交變電場的復合場。超聲波發生器28的輸入電壓為220V，工作電流為2?6A，輸出頻率為17?68kHz，最大功率為2000W ;超聲波換能器28頻率可為25 kHz、28 kHz、40 kHz、60 kHz等，功率為40?100W，配合超聲波發生器，超聲波功率、頻率持續可調節。高壓交流脈沖電源29輸入220V兩相交流電源，輸出脈沖電壓O?1000V交流可調，輸出脈沖頻率5?IOOOHz可調，輸出脈沖電流10?500mA，最大脈沖輸出功率500W。由交變電場和超聲場構成的復合場,利用復合場對液體和膜材料的沖擊和擾動作用，對膜分離過程的濃差極化和污染進行抑制，并考察對膜元件5和膜材料的性能影響。該復合場平板膜分離組件實驗裝置，接入膜分離系統中，上、下進液口 2、7和上、下出液口 16、18外接水泵和風機形成循環液流結構，在上、下料液腔體20、21中產生壓力和切向流，原料液從上、下進液口 2、7進入上、下料液腔體20、21，經過膜分離過程，過濾液進入膜元件濾液腔體19，然后從膜元件的過濾液出口 6流出，濃縮液經上、下出液口 16、18流出，可以更換不同類型的膜元件，進行微濾、超濾、納濾、反滲透等膜分離試驗，對膜分離及過程的功能和效率進行測試。另外，還可以通過改變上、下料液腔體20、21內溫度、壓力、PH值、原料液中顆粒大小、流速等環境條件，測試膜元件5和膜材料在各種極限條件下的污染和劣化情況，測試其工作可靠性。
【權利要求】
1.一種適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置，包括本體結構和外接本體結構的超聲波換能器(26)、高壓交流脈沖電源(29)，其特征是:所述本體結構上下對稱，由上夾板(I)和下夾板(10)、上腔體壁(4)和下腔體壁(8)及位于中間的膜元件(5)形成上料液腔體(20)、下料液腔體(21)以及膜元件(5)內的濾液腔體(19)這三個獨立的封閉腔體；上腔體壁(4)的左側壁上開有上進液口(2)、右側壁上開有上出液口(16);下腔壁(8)左側壁上開有下進液口(7)、右側壁上開有下出液口(18)，膜元件(5)的左側設有過濾液出口(6)；上料液腔體(20 )內部設有固定連接上夾板(I)的上電極板(14)，下料液腔體(21)內部設有固定連接下夾板(10)的下電極板(17);上導電螺桿(30)下端伸在上料液腔體(20)內可調節地連接上電極板(14)、上端伸出上夾板(I)外連接高壓交流脈沖電源(29)，下導電螺桿(31)上端伸在下料液腔體(21)內可調節地連接下電極板(17)、下端伸出下夾板(10)外連接高壓交流脈沖電源(29 );上腔體壁(4)和下腔體壁(8 )均是由四個L型壁板首尾搭接成的平移方框型結構，可調節上料液腔體(20)和下料液腔體(21)的長度和寬度；上夾板(I)和下夾板(10)的外表面均設有斜體卡槽(25)，斜體卡槽(25)內嵌有超聲波換能器(26)，超聲波換能器(26)連接超聲波發生器(28)。
2.根據權利要求1所述適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置，其特征是:上、下進液口(2、7)和上、下出液口(16、18)外接水泵和風機形成循環液流結構，上、下料液腔體(20、21)中產生壓力和切向流，原料液從上、下進液口( 2、7)進入上、下料液腔體(20、21 )，經過膜分離過程，過濾液進入膜元件濾液腔體(19)，從膜元件的過濾液出口(6)流出，濃縮液經上、下出液口( 16、18)流出。
3.根據權利要求1所述適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置，其特征是:有多個超聲波換能器(26)，有3個相互平行的斜體卡槽(25)，斜體卡槽(25)的側邊向內傾斜。
4.根據權利要求1所述適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置，其特征是:超聲波發生器(28)的輸入電壓為220V，工作電流為2?6A，輸出頻率為17?68kHz，最大功率為2000W ;超聲波換能器(26)的頻率為25kHz、28kHz、40kHz、60kHz，功率為40?100W ；高壓交流脈沖電源(29)的輸入電壓為220V，輸出脈沖電壓為O?1000V，輸出脈沖頻率為5?1000Hz，輸出脈沖電流為10?500mA，最大脈沖輸出功率為500W。
5.根據權利要求1所述適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置，其特征是:上、下夾板(1、10)的結合部裝有絕緣防滲墊片(32)，上夾板(I)與上腔體壁(4)之間的結合部、下夾板(10)和下腔體壁(8)之間的結合部裝有防水橡膠墊，上腔壁(4)的下端面、下腔壁(8)的上端面分別扣壓在膜元件(5)的邊框處，在扣壓部裝有防水橡膠墊。
6.根據權利要求1所述適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置，其特征是:上電極板(14)和下電極板(17)分別通過上、下導電螺桿(30、31)和各自的定位桿(11)、定位套管(12)分別連接上、下夾板(1、10)。
7.根據權利要求1所述適用于通用平板膜元件的復合場膜分離實驗裝置，其特征是:在上腔體壁(4)和下腔體壁(8)的四個L型壁板的搭接處分布有一排螺孔，螺孔與腔體不相通，通過2個螺絲(3)固定和調節上料液腔體(20)和下料液腔體(21)的大小。
【文檔編號】B01D69/06GK103920397SQ201410150134
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月15日 優先權日:2014年4月15日
【發明者】張榮標, 徐佩鋒, 楊寧 申請人:江蘇大學