中空纖維膜濾芯的製作方法
2023-09-16 06:59:35 2
專利名稱：中空纖維膜濾芯的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用中空纖維膜的濾芯，該濾芯嵌入罐式過濾裝置或嵌入臺架(rack)式過濾裝置中。本發明具體涉及用於從大量未淨化水例如河水、湖水、地下水、海水、生活廢水或工業汙水中除去濁度和細菌的中空纖維膜濾芯。
本發明還涉及使用上述中空纖維膜濾芯的罐式或臺架式過濾裝置。
背景技術：
作為使用中空纖維膜的常規濾芯，JP-A-61-153104公開了示於圖3的濾芯，其具有以下結構將多根中空纖維膜收容到圓筒形套管中，每根中空纖維膜的兩端分別固定在該圓筒形套管上部和下部的粘合及固定部分，並且該圓筒形套管是一種整體模塑套管，以致伸向該中空纖維膜的上端和下端。在該濾芯上部粘合及固定部分，大量中空纖維膜的中空部分是開放的，但是其在該濾芯下部的粘合及固定部分中是密封的，並且該下部粘合及固定部分的粘合劑層具有多個通孔。在該下部粘合及固定部分之下形成被該圓筒形套管環繞的氣室。
這種中空纖維膜濾芯用於外壓力之下的過濾並且在嵌入過濾柱之後使用。當不能透過該膜的材料在該膜外表面上蓄積時，該膜的過濾能力惡化，因此過濾一定時間之後進行除去該膜表面上蓄積材料的洗滌操作。
已知一種稱為鼓氣泡的洗滌方法。這種方法步驟包括，經位於未淨化水填充的過濾柱中的中空纖維膜濾芯下部將空氣引入該濾芯內，並以氣-液混合流體振動該中空纖維膜以便剝去該膜表面上的蓄積材料。
然而，在該中空纖維膜濾芯中，因為每根中空纖維膜的兩端固定在該圓筒形套管上以致中空纖維膜的振動受到限制，所以有時候鼓泡不能充分洗滌。在進行長期過濾操作的一些情形中，特別是當該濾芯的外徑很大時，此現象顯著且帶來麻煩。
發明公開為了解決此類問題，本發明欲提供一種中空纖維膜濾芯，其通過使每根中空纖維膜在鼓泡洗滌時能夠儘可能地振動而促進中空纖維膜外表面上蓄積截留物(suspended materials)的剝落，並容許從該中空纖維膜濾芯容易地排出剝落的截留物。
即，本發明涉及一種中空纖維膜濾芯，其包括一多根中空纖維膜的集束、一濾芯頭和一底環，該中空纖維膜集束的兩端被粘合固定，該濾芯頭固定在該束一端外圍以便不容許液體或進或出通過，該底環固定在該束另一端的外圍以便不容許液體或進或出通過，其中不是把該濾芯頭和該底環連接或固定而是將它們分開。開放該濾芯頭一側上每一中空纖維膜端部的中空部分，密封該底環一側上每一中空纖維膜端部的中空部分，並且在該底環側上的粘合及固定層內提供多個通孔。在本發明的一個實施方案中，通過粘合將該底環端部固定在該中空纖維膜集束的外圍表面，以致伸出該中空纖維膜集束端部之外。
當根據本發明採用上述結構時，可在許可範圍內以最大幅度振動每根中空纖維膜，因為在中空纖維膜濾芯的外圍不存在覆蓋整個中空纖維膜的圓筒形套管。結果是，在鼓泡洗滌時，蓄積在中空纖維膜外表面上的截留物變得易於剝落，並且所剝落的截留物變得易於從中空纖維膜濾芯排出。因此，可長期穩定地維持此過濾性能。
另外，當中空纖維膜濾芯的底環端部經粘合固定以致伸出該中空纖維膜集束端部之外時，鼓泡的氣體可被保留在該底環內，並因此可經底環側上粘附及固定層的通孔被有效地導向這些中空纖維膜，因此能令人滿意地進行鼓泡洗滌。
此外，本發明涉及一種使用上述中空纖維膜濾芯的罐式或臺架式過濾裝置。
附圖簡述
圖1為截面圖，其顯示本發明中空纖維膜濾芯的一個實施方案，該濾芯在罐式過濾裝置中以懸掛狀態支承。
圖2為顯示中空纖維膜濾芯底環粘合及固定部分結構主要部分的放大圖。
圖3為公知中空纖維膜濾芯的簡圖。
圖4為截面圖，其顯示本發明中空纖維膜濾芯的一個實施方案，該濾芯在罐式過濾裝置中自淨化水總管經懸掛固定。
實施發明的最佳方式本發明中空纖維膜濾芯的一個實施方案參照附圖解釋如下。
圖1為截面圖，其顯示本發明中空纖維膜濾芯的一個實施方案，該濾芯在罐式過濾裝置中以懸掛狀態支承。圖2為主要部分放大圖，其用於說明中空纖維膜濾芯底環粘合及固定部分的結構。
圖1中，本發明中空纖維膜濾芯4由大量中空纖維膜3、粘合及固定層11、濾芯頭12、粘合及固定層14和底環13構成。在中空纖維膜3集束的一端，各中空纖維膜用粘合劑彼此粘合成整體，並且整個地固定在濾芯頭12的內部，以便形成粘合和固定層11。濾芯頭12側中空纖維膜濾芯3的端部是開放的。
中空纖維膜3集束的另一端上，各中空纖維膜用粘合劑彼此粘合成整體，並且整個地固定在底環13內，以便形成粘合和固定層14。但是，底環13側中空纖維膜3的端部是密封的。如圖2所示，在粘合及固定層14中形成多個通孔14a，以便將用於洗滌的未淨化水和氣體導入中空纖維膜集束中並使未淨化水和氣體與每一中空纖維膜的外圍表面有效接觸。
中空纖維膜濾芯4的直徑為30毫米～800毫米，優選80毫米～800毫米。中空纖維膜濾芯4的長度選自300毫米～3000毫米範圍。
本發明中，不連接或固定濾芯頭12和底環13而將它們分開。因此在濾芯頭12和底環13之間的中空纖維膜3集束外圍不存在常規圓筒形套管，且基本上此範圍內各處中空纖維膜3被暴露。然而，中空纖維膜3集束的外圍可用例如有大孔的柔性樹脂網覆蓋，該樹脂網不限制中空纖維膜振動並且基本不阻礙流體通過。這種情形下，不將該網直接固定於濾芯頭12或底環13上，而把它嵌入將被固定的粘合及固定層14中。通過用此柔性網覆蓋中空纖維膜集束可防止因運輸導致的中空纖維膜3損壞。
從孔徑的觀點出發，用於本發明的中空纖維膜3可使用反滲透膜、納米濾膜、超濾膜和微濾膜。對中空纖維膜3的材料沒有特別限制且包括聚碸、聚醚碸、聚丙烯腈、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚醯胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚乙烯、聚丙烯、聚(4-甲基戊烯)、纖維素、醋酸纖維素、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯等等。還可使用它們的複合材料。至於中空纖維膜的形狀，可使用內徑50微米～3000微米並且內徑和外徑之比為0.3～0.8的中空纖維膜。
用於本發明的粘合劑包括聚合物材料例如環氧樹脂、尿烷樹脂、環氧丙烯酸酯樹脂、矽氧烷樹脂等等。粘合方法包括例如離心粘合法、靜置粘合法等等的公知方法。當要求改進粘合劑的固化的縮率和強度時，可在上述舉例的粘合劑中摻混入纖維材料例如玻璃纖維或碳纖維，或者精細粉末例如碳黑、氧化鋁、二氧化矽等等。
用於本發明濾芯頭12和底環13的材料沒有特別限制並且可以相同或不同。優選用熱塑性樹脂和不鏽鋼作為這些材料。作為熱塑性樹脂，使用聚乙烯類、聚丙烯類、聚(4-甲基戊烯)類、聚氯乙烯類、聚偏氟乙烯類、乙烯-四氟乙烯共聚物類、聚四氟乙烯類、聚碳酸酯類、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物類(ABS)、聚亞苯醚類、聚碸類、聚醚碸類、聚醚醯亞胺類、聚醯胺類、聚醚酮類、聚醚醚酮類等。作為不鏽鋼，使用SUS304,SUS316等。
濾芯頭12不僅用作罐式過濾裝置或臺架式過濾裝置中用於懸掛中空纖維膜濾芯4的固定部分，而且作為分開未淨化水和過濾水的密封部分。因此，以適於懸掛、固定的形狀以及適於密封的結構製造濾芯頭12。例如，可在濾芯頭12外圍提供沿直徑方向向外突出的高(1evel)差、凹槽或凸緣。雖然濾芯頭12直徑方向上的截面形狀可為圓形、正方形、六角形、橢圓形等等，但是從濾芯頭12與它的粘合及固定部分間密封性能以及過濾罐製造容易性的角度考慮優選圓形。
存在於本發明中底環端上粘合及固定層14中的通孔14a是在該粘合及固定層自身中產生的孔。關於通孔的尺寸，它們的當量直徑選自2毫米～30毫米的範圍。在此，當量直徑定義為4×(流路截面積)/(周長)。通孔的形狀選自多邊形(例如三角形、四邊形和六邊形)，圓形，橢圓形、扇形，C形，星形等。雖然通孔數取決於濾芯的截面積和紗線數，但是其為2～300。至於通孔位置，優選如下形成該通孔當考慮特定粘合及固定段的情況而給予說明時，將該通孔分散在該粘合及固定段上，例如，在多重圓和半徑線的交叉點上，格子的交叉點上，或者大量等邊三角形頂點上。特別優選在該中空纖維膜集束的中心部分形成多個通孔。
本發明中，優選將底環13固定在該中空纖維膜集束的外圍，以致其伸出該中空纖維膜3端部之外，以便形成被該粘合及固定層及該底環圍繞的氣室14b。雖然底環13從中空纖維膜端部伸出部分的長度取決於濾芯直徑、所供應氣體的體積以及通孔數和直徑，但是優選5毫米～200毫米以阻止氣體的散開和丟失。當所述部分太長時，該濾芯的總長度將不合要求地長，導致形成無用的空間。當所述部分太短時，向濾芯供應的氣體不合要求地在橫向上被散開和丟失而未有效地導入該通孔。
底環13直徑方向上截面的形狀可為圓形、方形、六邊形、橢圓形等等。當將該濾芯嵌入過濾罐時，優選該截面形狀與該濾芯頭的相同，並且尤其優選該截面的形狀為圓形。
可如下製造本發明的中空纖維膜濾芯。將集束一端中空部分已經被填塞的一束中空纖維膜裝入濾芯頭12，並將粘合劑引入濾筒頭12以便使該中空纖維膜彼此粘合併固定，並使該中空纖維膜集束粘合併固定到濾筒頭12上，以致不容許液體或進或出通過。將該中空纖維膜和該粘合及固定層一起切屑，以便使該中空纖維膜端部開放。將中空纖維膜另外一端裝入底環13且不填塞它們的中空部分，並且將為了形成通孔而預設的棒、管或板安放進該中空纖維膜的集束中。然後，將粘合劑引入底環13以便使該中空纖維膜彼此粘合併固定而且使該中空纖維膜集束粘合併固定到底環13上。在此情況下，中空纖維膜端部的中空部分將被粘合劑同時密封。此後，從粘合及固定層中取出用於形成通孔14a的棒、管或板，以便形成通孔14a。下述的方法也有可能將用於形成通孔14a的棒、管或板安放進該中空纖維膜的集束中，接著粘合併固定，並將用於形成通孔14a的器具取出，此後通過粘合或焊接將底環13固定在該粘合及固定層的外圍。
以下說明罐式過濾裝置的一個實例(圖1)，其包括懸掛並固定於其中的本發明中空纖維膜濾芯。
圖1中，數字1表示用於過濾所流入未淨化水的罐式過濾裝置，其可用於從大量的未淨化水，例如河水、湖水、地下水、海水、生活廢水或工業汙水中降低濁度和細菌的水處理。
該罐式過濾裝置1的過濾罐2由罐主體2a和蓋子2b，經焊接等以預設高度在罐主體2a內壁上固定分離板5和分隔板6，以致不容許液體或進或出通過。由罐主體2a下部和分離板5所成空間形成供水室7，由罐主體2a中部與分離板5和分隔板6所成空間形成供水室8。由分隔板6與蓋子2b經密封物9所成空間形成淨化水室10。
如上述，通過固定在過濾罐2中的分離板5和分隔板6將過濾罐2內部分成3個室，並且以分隔板6握持本發明中空纖維膜濾芯4的一端，將該濾芯的每一個懸掛在供水室8中。
分隔板6，其握持懸掛其中的中空纖維膜濾芯4，按照預定的厚度製造，以便有足夠的強度承受中空纖維膜濾芯和水壓施加的載荷。在分隔板6的預設位置上形成多個用於嵌入中空纖維膜濾芯4的通孔6a。
在分隔板6每個通孔6a的下部，形成沿直徑方向突向通孔6a內側的凸臺6b，並且位於中空纖維膜濾芯4上端外圍的濾筒頭12的下端被凸臺6b扣鎖以便懸掛並握持中空纖維膜濾芯4。作為另一實施方案，可能如下在該濾芯頭上形成沿直徑方向突向外部的凸緣，並且其底面經密封墊與分隔板6的頂表面接觸，以便懸掛和握持該中空纖維膜濾芯。
將O型環15裝配在分隔板6每個通孔6a壁表面上所形成的凹槽6c內，並且經壓力焊接將濾筒頭12的外壁表面結合到O型環15上，從而將濾筒頭12附在分隔板6上以致不容許液體或進或出通過。可在濾筒頭12上形成用於在其中裝配O型環15的凹槽。
用系留件16將濾筒頭12上部端面系留，該系留件16已經配備在分隔板6每個通孔6a的壁表面上，使得其可移去，從而將濾筒頭12固定在分隔板6上並將中空纖維膜濾芯4堅固地收容到過濾罐2中。
用罐式過濾裝置1進行過濾作業期間，在上述結構中，依靠一臺泵(未示出)經供水入口2c裝入供水室7的未淨化水，經分離板5的噴嘴5a裝入供水室8以便向上填充供水室8，然後將該水引入每根中空纖維膜3的外圍表面，該供水入口2c位於過濾罐2的罐主體2a的下部。
每根中空纖維膜3外圍附近的未淨化水在壓力下從外部向內部經中空纖維膜3過濾，並將過濾的水經中空纖維膜3開放的上端導入淨化水室10。
將收容在淨化水室10中的過濾水經位於蓋子2b上部的淨化水出口2d從過濾罐2中取走。
作為另一種過濾作業方法，可採用以下方法，其包括依靠一抽吸泵(未示出)通過淨化水出口2d抽吸淨化水室10中的空氣以便降低壓力進行過濾，同時用未淨化水灌裝供水室8。
當用過濾水回洗中空纖維膜3時，經過濾水出口2d供應過濾水並使過濾水回流到供水室8中，以便去除蓄積在中空纖維膜3外壁上的截留物(不能透過該膜的材料)，此後，經噴嘴5a將其導入供水室7，然後經供水入口2c將其從過濾罐2排出。
當中空纖維膜3經歷鼓氣泡時，首先經位於罐主體2a下部的空氣入口2f向供水室7供應空氣，同時用未淨化水裝填供水室8。供水室7中已經調節過壓力的空氣以氣泡形式經位於分離板5上的噴嘴5a流入裝滿未淨化水的供水室8，並且從底環13將空氣通過粘合及固定層14的通孔14a引入到每根中空纖維膜3的外圍側，以便攪動中空纖維膜3集束中的水並振動中空纖維膜3。因此，該空氣剝落了粘附在中空纖維膜3表面的截留物。蓄積在供水室8上部的空氣經位於罐主體2a上部的排氣口2g從過濾罐2排出。
在上述鼓泡操作中，首先供應例如空氣、氮氣或氧氣，同時供水室8充滿未淨化水，即，同時供水室8中未淨化水位於靜止或停止狀態。鼓泡後，經淨化水出口2d供應過濾水進行上述回洗操作，以便洗掉上述的剝落截留物。含剝落截留物的過濾水經位於分離板5上的噴嘴5a、供水室7以及供水入口2c從過濾罐2排出，並收容到廢水箱(未示出)中。首先進行鼓泡操作或回洗操作都可以，並且優選監測過濾作業穩定性的同時確定回洗操作和鼓泡操作的頻率。
另外，以下說明包括本發明中空纖維膜濾芯的罐式過濾裝置(圖4)的一個實例，該濾芯從淨化水總管懸掛並固定在該總管上。
圖4中，經過密封襯墊19利用位於濾芯頭12外圍的濾芯頭凸緣12a和夾具20將每個中空纖維膜濾芯4懸掛並固定在由淨化水總管17分出的支管18上。
在用罐式過濾裝置1進行過濾操作期間，在上述結構中，依靠一臺泵(未示出)經供水入口2c裝入供水室7的未淨化水，經分離板5的噴嘴5a裝入供水室8以向上填充供水室8，然後將該水引入每根中空纖維膜3的外圍表面，該供水入口2c位於過濾罐2的罐主體2a的下部。每根中空纖維膜3外圍附近的未淨化水在壓力下從外部向內部經中空纖維膜3過濾，並將過濾的水經中空纖維膜3開放的上端以及支管18導入淨化水總管17。經罐主體2a上的淨化水出口2d從過濾罐2排出淨化水總管中的過濾水。
未經中空纖維膜3過濾的濃縮水經位於過濾罐2上部蓋子2b上的濃縮水出口2g排出過濾罐2。
當中空纖維膜濾芯4經歷鼓泡時，首先經位於罐主體2a下部的空氣入口2f向供水室7供應空氣，同時用未淨化水裝填供水室8。供水室7中已經調節過壓力的空氣以氣泡形式經位於分離板5上的噴嘴5a流入裝滿未淨化水的供水室8，並且從底環13將空氣通過粘合及固定層14的通孔14a引入到每根中空纖維膜3的外圍側，以便攪動中空纖維膜3集束中的水並振動中空纖維膜3。因此，該空氣剝落了粘附在中空纖維膜3表面的截留物。振動中空纖維膜3的空氣經位於蓋子2b上的空氣排出口2g排出過濾罐2。
工業適用性本發明的中空纖維膜濾芯4沒有附著於外圍的圓筒形套管，因此能容許它的中空纖維膜3儘可能地振動。因此，可改進鼓泡操作時從中空纖維膜3表面上剝落蓄積截留物的能力，並且可容易地將該截留物從中空纖維膜濾芯4排出。此外，由於伸出中空纖維膜3端部之外的底環13位於中空纖維膜濾芯4的下端，且由於在該底環側的粘合及固定層14中具備通孔14a，所以可將所供應的氣體有效地引入中空纖維膜的集束中。因此，當使用本發明的濾芯時，可有效地進行鼓泡操作，以致可長時期地穩定維持過濾裝置的過濾能力。
權利要求
1．一種中空纖維膜濾芯，其包括一多根中空纖維膜的集束、一濾芯頭和一底環，該中空纖維膜集束的兩端被粘合固定，該濾芯頭固定在該束一端外圍以便不容許液體或進或出通過，該底環固定在該束另一端的外圍以便不容許液體或進或出通過，其中不是把該濾芯頭和該底環連接和固定而是將它們分開，開放該濾芯頭側上每一中空纖維膜端部的中空部分，密封該底環側上每一中空纖維膜端部的中空部分，並且在該底環側上的粘合及固定層內提供多個通孔。
2．按照權利要求1的中空纖維膜濾芯，其中將該底環端部固定在該中空纖維膜集束的外圍表面，以致伸出該中空纖維膜集束端部之外。
3．按照權利要求1的中空纖維膜濾芯，其中所述濾芯頭在其外圍具有凸緣。
4．按照權利要求2的中空纖維膜濾芯，其中所述濾芯頭在其外圍具有凸緣。
5．一種使用權利要求1所述中空纖維膜濾芯的罐式或臺架式過濾裝置。
6．一種使用權利要求2所述中空纖維膜濾芯的罐式或臺架式過濾裝置。
7．按照權利要求5的一種罐式過濾裝置，其中將所述中空纖維膜濾芯以懸掛狀態支承。
8．按照權利要求6的一種罐式過濾裝置，其中將所述中空纖維膜濾芯以懸掛狀態支承。
9．一種罐式過濾裝置，包括一過濾罐、一分離板、一分隔板和權利要求1所述中空纖維膜濾芯，其中該過濾罐內部被該分離板和該分隔板分開以形成供水室，並且將所述中空纖維膜濾芯懸掛在該供水室中並使其一端被分隔板握持。
10．按照權利要求9的罐式過濾裝置，其中將該底環的端部固定在該中空纖維膜集束的外圍表面，以致伸出該中空纖維膜集束端部之外。
11．一種罐式過濾裝置，包括一過濾罐，一分離板，一淨化水總管，從所述淨化水總管分出的支管以及按照權利要求3的中空纖維膜濾芯，其中所述中空纖維膜濾芯通過其凸緣從該支管懸掛。
12．按照權利要求11的罐式過濾裝置，其中將該底環端部固定在該中空纖維膜集束的外圍表面，以致伸出該中空纖維膜集束端部之外。
全文摘要
一種中空纖維膜濾芯,其包括一多根中空纖維膜的集束、一濾芯頭和一底環,該中空纖維膜集束的兩端被粘合固定,該濾芯頭固定在該束一端外圍以便不容許液體或進或出通過,該底環固定在該束另一端的外圍以便不容許液體或進或出通過,其中不是把該濾芯頭和該底環連接和固定而是將它們分開,開放該濾芯頭側上每一中空纖維膜端部的中空部分,密封該底環側上每一中空纖維膜端部的中空部分,並且在該底環側上的粘合及固定層內提供多個通孔。
文檔編號B01D65/02GK1289268SQ99802412
公開日2001年3月28日 申請日期1999年11月25日 優先權日1998年11月26日
發明者菅伸彥, 田中英彥 申請人:旭化成工業株式會社