ЭЛЕКТРОБАРОМЕМБРАННЫЙ АППАРАТ РУЛОННОГО ТИПА
ELECTROBAROMEMBRANE FLAT-CHAMBER APPARATUS

Изобретение относится к конструкциям мембранных аппаратов рулонного типа и может быть использовано для осуществления процессов мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электроосмофильтрации.
Аналогом данной конструкции является баромембранный аппарат рулонного типа, конструкция которого приведена в работе Дытнерского Ю.И. «Баромембранные процессы. Теория и расчет». - М.: Химия. 1986 г., с 47. Аппарат рулонного типа, предназначенный для разделения растворов под действием градиента давления, состоит из корпуса, перфорированной раствороотводящей трубки с обернутыми вокруг нее несколькими многослойными листами мембран. Недостатком аппарата является низкая эффективность разделения растворов, в особенности при разделении многокомпонентных смесей электролитов, при отделении электролитов от неэлектролитов. Эти недостатки частично устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат рулонного типа, конструкция которого приведена в патенте № RU 2326721 С2, 31.07.2006, МПК B01D 61/42. Прототип состоит из корпуса выполненного из диэлектрического материала, перфорированной трубки служащей для подвода исходного раствора, обратноосмотической мембраны, монополярных электродов-турбулизаторов анода и катода, выполненных из графитовой ткани, подложек мембран, устройства для подвода электрического тока, коллекторов отвода ретентата. Недостатком аппарата является, невозможность охлаждения электродов катода и анода в результате подвода внешнего постоянного электрического поля, низкая эффективность разделения растворов, в особенности при выделении ценных веществ из многокомпонентных растворов природных и сточных вод.
Технический результат выражается - повышением качества и эффективности разделения растворов и улучшении охлаждения электродов катода и анода, за счет изменения конструкции аппарата: перфорированная трубка, служащая для подвода исходного раствора разделена на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, коллекторы отвода ретентата образованы пространством между полимерными перфорированными перегородками с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод и анод, подложки мембран, прикатодные и прианодные мембраны, приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата, расположенными под углом π/4, 3π/4 и (-π/4, -3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок к корпусу аппарата и полуцилиндром корпуса аппарата, коллектор отвода прикатодного пермеата образован пространством между полуцилиндром корпуса аппарата, корпусом аппарата и полимерной перфорированной перегородкой с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом π/4 и (-π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок к корпусу аппарата, коллектор отвода прианодного пермеата образован пространством между полуцилиндром корпуса аппарата, корпусом аппарата и полимерной перфорированной перегородкой с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом 3π/4 и (-3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок к корпусу аппарата, с одной стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата, а с другой стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата имеется отверстие с резьбой, в которую вкручен штуцер для отвода ретентата, пространство, образованное между корпусом аппарата, непористой пленкой и перфорированной трубкой, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, создают коллектор для протекания охлаждающей воды, в котором расположена сетка-турбулизатор охлаждающей воды, при этом на торцевых поверхностях корпуса аппарата с одной и другой стороны имеется отверстие с резьбой, в которую вкручены штуцера для вывода и ввода охлаждающей воды, которые расположены под углами π/2 и -π/2 от горизонтальной оси и находятся на расстоянии 0,06 м от края корпуса аппарата, а межмембранный канал, в котором расположена сетка-турбулизатор, образован последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора, прикатодной и прианодной мембран, подложек мембран, дренажных сеток - катода и анода и непористой пленки, которые все вместе обернуты вокруг перфорированной трубки служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине и проклеены с торцевых поверхностей, при этом непористая пленка, дренажные сетки - катод и анод, подложка мембран, прикатодная и прианодная мембраны приклеены в месте перфорации к перфорированной трубке, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, а в коллекторе отвода ретентата, дренажные сетки - катод и анод, подложки мембран, прикатодная и прианодная мембраны последовательно уложены на полимерные перфорированные перегородки с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине и приклеены к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата, дренажные сетки - катод и анод являются монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус», и соединены через отверстие, полимерной перфорированной перегородки с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, электрическим проводом, который соединен с устройством для подвода электрического тока через отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата, в которых расположена герметизирующая заливка, а дренажные каналы прикатодного и прианодного пермеата соответственно образованы пространством между непористыми пленками, и подложками мембран, в которых находится дренажная сетка - катод и анод.
На фиг.1 показан в разрезе электробаромембранный аппарат рулонного типа; фиг.2 - вид слева; фиг.3 - вид справа; фиг.4 - сечение А-А на фиг.1; фиг.5 - вид Б увеличенный на фиг.4; фиг.6 - вид В увеличенный, схема разделения в межмембранном канале на фиг.5.
Электробаромембранный аппарат рулонного типа состоит из перфорированной трубки 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, коллекторы отвода ретентата 10, образованы пространством между полимерными перфорированными перегородками 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод 7 и анод 26, подложки мембран 5, прикатодные и прианодные мембраны 4 и 28 приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата 20, расположенными под углом π/4, 3π/4 и (-π/4, -3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1 и полуцилиндром корпуса аппарата 20, коллектора отвода прикатодного пермеата 24, образованного пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20, корпусом аппарата 1 и полимерной перфорированной перегородкой 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом π/4 и (-π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1, коллектора отвода прианодного пермеата 25, образованного пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20, корпусом аппарата 1 и полимерной перфорированной перегородкой 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом 3π/4 и (-3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1, с одной стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата 20 имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, а с другой стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата 20 имеется отверстие 27 с резьбой, в которую вкручен штуцер 13 для отвода ретентата, пространство, образованное между корпусом аппарата 1, непористой пленкой 6 и перфорированной трубкой 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, создают коллектор для протекания охлаждающей воды, в котором расположена сетка-турбулизатор охлаждающей воды 8, при этом на торцевых поверхностях корпуса аппарата с одной и другой стороны имеется отверстие 22 и 23 с резьбой, в которую вкручены штуцера для вывода и ввода охлаждающей воды 12 и 3, которые расположены под углами π/2 и -π/2 от горизонтальной оси и находятся на расстоянии 0,06 м от края корпуса аппарата 1, а межмембранный канал, в котором расположена сетка-турбулизатор 9, образован последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора 9, прикатодной и прианодной мембран 4 и 28, подложек мембран 5, дренажных сеток - катода 7 и анода 26 и непористой пленки 6, которые все вместе обернуты вокруг перфорированной трубки 2 служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине и проклеены с торцевых поверхностей, при этом непористая пленка 6, дренажные сетки - катод 7 и анод 26, подложка мембран 5 и прикатодная и прианодная мембраны 4 и 28 приклеены в месте перфорации к перфорированной трубке 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, а в коллекторе отвода ретентата 10, дренажные сетки - катод 7 и анод 26, подложки мембран 5, прикатодная и прианодная мембраны 4 и 28 последовательно уложены на полимерные перфорированные перегородки 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине и приклеены к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата 20, дренажные сетки - катод 7 и анод 26 являются монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус», и соединены через отверстие 19, полимерной перфорированной перегородки 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, электрическим проводом 11, который соединен с устройством для подвода электрического тока 14 через отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата, в которых расположены герметизирующие заливки 16, а дренажные каналы прикатодного и прианодного пермеата соответственно образованы пространством между непористыми пленками 6 и подложками мембран 5, в которых находится дренажная сетка - катод 7 и анод 26.
Корпус аппарата 1, перфорированная трубка 2, полуцилиндр корпуса аппарата 20, полимерные перфорированные перегородки 15, вертикальная перегородка 21, штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, штуцер 13 для отвода ретентата, штуцера для вывода и ввода охлаждающей воды 12 и 3, могут быть изготовлены из капролона, текстолита ПТК.
Подложка мембран 5 изготовлена из листа ватмана.
Непористая пленка 6 может быть изготовлена из полиэтилена и полиэтилена высокой плотности.
Дренажные сетки - катод 7 и анод 26 являются монополярными электродами катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус» и могут быть выполнены из графитовой ткани типа «Вискум».
Прикатодная и прианодная мембраны 4 и 28 могут быть изготовлены в виде ленты из мембран типа МГА-95, МГА-70П, МГА-80П, МГА-90П, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA, УАМ-150П, УАМ-300П, УАМ-500П, УАМ-1000П, УПМ-200, УПМ-П, УПМ-ПП, УФМ-100, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-К, ОПМН (ОФМН)-П, МФФК-0, МФФК-3.
Сетка-турбулизатор охлаждающей воды 8 и сетка-турбулизатор 9 могут быть изготовлены из пластмассы или углепластика обеспечивают необходимую скорость движения и турбулизацию раствора и охлаждающей воды.
Герметизирующая заливка 16 может быть изготовлена из диэлектрических герметизирующих эпоксидных смол или клея холодная сварка.
В качестве охлаждающей воды может использоваться водопроводная вода с температурой от 5 до 15°С.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через перфорированную трубку 2 разделенную на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21 фиг.1, 4, подается в межмембранный канал, в котором расположена сетка-турбулизатор 9, образованный последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора 9, прикатодной и прианодной мембран 4 и 28, подложек мембран 5, дренажных сеток - катода 7 и анода 26 и непористой пленки 6, которые все вместе обернуты вокруг перфорированной трубки 2 и проклеены с торцевых поверхностей.
В этот же момент времени к дренажным сеткам - катоду 7 и аноду 26, фиг.4, включением устройства для подвода электрического тока 14 через электрические провода 11, которые проходят через отверстие 19 полимерной перфорированной перегородки 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине и отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата, в которых расположены герметизирующие заливки 16, к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.
Раствор, двигаясь турбулизируется с помощью сетки-турбулизатора 9 фиг.5, и поступает к прикатодным и прианодным мембранам 4 и 28 в зависимости от схемы подключения катода 7 и анода 26.
В межмембранном канале фиг.6, катионы и анионы, проникающие через прикатодную и прианодную мембраны 4 и 28, подложки мембран 5, попадают в дренажные каналы прикатодного и прианодного пермеата соответственно, образованные пространством между непористыми пленками 6 и подложками мембран 5, в которых находится дренажная сетка - катод 7 и анод 26, далее прикатодный и прианодный пермеат фиг.4, попадает в коллекторы отвода прикатодного пермеата 24 и прианодного пермеата 25, образованные пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20, корпусом аппарата 1 и полимерной перфорированной перегородкой 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом π/4 и (-π/4) и 3π/4 и (-3π/4) соответственно, от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1, затем прикатодный и прианодный пермеат отводятся через отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, фиг.2, расположенные на торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата 20 в виде оснований или кислот.
Одновременно с подачей исходного раствора, через отверстие 22 и 23 с резьбой фиг.1, в которую вкручены штуцера для вывода и ввода охлаждающей воды 12 и 3 находящиеся на торцевых поверхностях корпуса аппарата с одной и другой стороны фиг.1, 2, 3, которые расположены под углами π/2 и -π/2 от горизонтальной оси и находятся на расстоянии 0,06 м от края корпуса аппарата 1, заполняется коллектор для протекания охлаждающей воды фиг.1, 4 в котором расположена сетка-турбулизатор охлаждающей воды 8, образованный пространством между корпусом аппарата 1, непористой пленкой 6 и перфорированной трубкой 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21.
Исходный раствор, протекая по межмембранному каналу фиг.4, очищается от катионов и анионов и попадает в коллекторы отвода ретентата 10, образованные пространством между полимерными перфорированными перегородками 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод 7 и анод 26, подложки мембран 5, прикатодные и прианодные мембраны 4 и 28 приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата 20, расположенными под углом π/4, 3π/4 и (-π/4, -3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1 и полуцилиндром корпуса аппарата 20, и выводится через отверстия 27 с резьбой фиг.1, в которую вкручены штуцера 13 для отвода ретентата расположенные на торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата 20.
Под повышением качества и эффективности разделения растворов и улучшении охлаждения электродов катода 7 и анода 26 понимается возможность при данном конструктивном исполнении электробаромембранного аппарата рулонного типа фиг.1, совместить электробаромембранное разделение с процессом охлаждения электродов (дренажных сеток) - катода 7 и анода 26 за счет наличия в аппарате коллектора для протекания охлаждающей воды в котором расположена сетка-турбулизатор охлаждающей воды 8, образованный пространством между корпусом аппарата 1, непористой пленкой 6 и перфорированной трубкой 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21 и независимом расположении друг относительно друга дренажных каналов прикатодного и прианодного пермеата соответственно, соединенных с коллекторами отвода прикатодного и прианодного пермеата 24 и 25 фиг.4, через отверстие 19 полимерной перфорированной перегородки 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине и коллекторов отвода ретентата 10.
Дренажные сетки - катод 7 и анод 26, фиг.1, 4 являются монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус», реализующие возможную функцию периодической переполюсовки электродов.
Необходимость охлаждения дренажных сеток - катода 7 и анода 26 заключается в том, что исходный раствор, прокачиваемый над поверхностью прикатодных и прианодных мембран 4 и 28 и прошедший через их поры в виде прикатодного и прианодного пермеата с температурой от 20 до 40°С и проходящий самотеком через дренажные каналы, образованные пространством между непористыми пленками 6 и подложками мембран 5, охлаждается через теплопередающую стенку, которой является непористая пленка 6, при помощи охлаждающей воды с температурой от 5 до 15°С, фиг.1, 4.
Отверстия, находящиеся по длине полуцилиндров корпуса аппарата в середине их образующих, в которых расположены герметизирующие заливки 16, размещенные под углом 30 градусов фиг.4, препятствуют протеканию прикатодного и прианодного пермеата из коллекторов отвода прикатодного пермеата 24 и прианодного пермеата 25 минуя штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, фиг.2.
Коллекторы отвода ретентата 10, образованы пространством между полимерными перфорированными перегородками 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод 7 и анод 26, подложки мембран 5, прикатодные и прианодные мембраны 4 и 28, приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата 20, расположенными под углом π/4, 3π/4 для первого коллектора и (-π/4, -3π/4) для второго коллектора, от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1 и полуцилиндром корпуса аппарата 20, то есть коллекторы отвода ретентата 10 образованы пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20 и прикатодными и прианодными мембранами 4 и 28, фиг.4.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата рулонного типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например ультрафильтрацию, нанофильтрацию, микрофильтрацию и обратный осмос.