ПОЛОВОЛОКОННЫЙ МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ, СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА, СБОРОЧНЫЙ УЗЕЛ С ПОЛОВОЛОКОННЫМ МЕМБРАННЫМ МОДУЛЕМ И СПОСОБ ОЧИСТКИ СУСПЕНДИРОВАННОЙ ВОДЫ С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
HOLLOW-FIBRE MEMBRANE MODULE, METHOD OF ITS PRODUCTION, ASSEMBLY UNIT WITH SAID MODULE AND METHOD OF SUSPENDED WATER TREATMENT THEREBY

Настоящее изобретение относится к половолоконной мембране, относящейся к типу мембран, работающих при наружном давлении, которая может быть использована в различных областях, но особенно пригодна для обработки воды, такой как осветление речной воды, озерной воды, воды в русле реки и т.п. Кроме того, настоящее изобретение относится к половолоконному мембранному модулю, обладающему повышенной эффективной длиной, содействующей проникновению сквозь половолоконную мембрану, улучшенным фактором эффективного использования площади мембраны и повышенной проницаемостью на единицу площади, и к способу производства половолоконного мембранного модуля, сборочному узлу с половолоконным мембранным модулем и к способу очистки суспендированной воды с использованием сборочного узла с половолоконным мембранным модулем.
Половолоконные мембранные модули могут характеризоваться большой площадью мембраны на единицу объема. Поэтому половолоконные мембранные модули применимы во многих случаях обработки текучих сред, например для деминерализации слабоминерализованной воды и морской воды при помощи обратноосмотической мембраны, первичной очистки при производстве воды сверхвысокой чистоты, удаления низкомолекулярных соединений, таких как сельскохозяйственные химикаты и полисахариды, с использованием нанофильтра, концентрирования и деминерализации энзимов с использованием ультрафильтрующей мембраны, производства воды для инъекций, извлечения электролитических покрытий, заключительной фильтрации при производстве воды сверхвысокой чистоты, обработки сточных вод, осветления речной воды, озерной воды и воды в русле реки, очистки, стерилизации и осветления химикатов с использованием микрофильтрующей мембраны, отделения кислорода, отделения азота, отделения водорода, отделения газообразного диоксида углерода с использованием газоразделительной мембраны.
За последние годы, ввиду разрешения использования речной воды, воды в русле реки и т.п. в качестве очищенной воды, метод осветления при помощи половолоконных мембран и половолоконных мембранных модулей стал шире использоваться вместо коагулирования примесей с их последующим осаждением и обработки на песчаном фильтре. Таким образом, были предложены новые половолоконные мембраны и половолоконные мембранные модули с высокими технологическими показателями.
Наиболее широко распространенный тип половолоконного мембранного модуля, работающего при наружном давлении, в котором сырую воду нагнетают сквозь половолоконную мембрану, получая проникающий поток воды, имеет следующую конструкцию. Полые элементы герметизированы при помощи клеевого соединения в фиксирующем элементе, расположенном у основания модуля и отделяющем половолоконные мембраны от корпуса модуля непроницаемым для жидкости образом. В клеевом фиксирующем элементе имеется множество впускных отверстий для сырой воды, через которые сырая вода может быть подана на половолоконные мембраны параллельно. Проникающий поток воды отводят через отверстие каждой из половолоконных мембран на их торцевой поверхности, расположенной у верхней части модуля. Концентрированную воду, содержащую взвешенные вещества, выводят через выходной штуцер для концентрированной воды, расположенный на боковой поверхности верхней части модуля (см. патентные документы 1 и 2).
Пример конструкции такого типа половолоконного мембранного модуля, работающего при наружном давлении, показан на фиг.17. На фиг.17 большое количество (в данном случае, для простоты, три) половолоконных мембран 105 смонтировано в корпусе модуля 104. В верней части корпуса половолоконные мембраны и корпус модуля склеены друг с другом непроницаемым для жидкости образом посредством клеевого фиксирующего элемента 106. Окончания половолоконных мембран открыты, поэтому сквозь них может проходить жидкость. Проникающий поток воды, собирающийся в крышке 101, откачивают насосом через отборное отверстие 112 для проведения отбора проб.
С другой стороны, у основания корпуса половолоконные мембраны при помощи клеевого соединения прикреплены к корпусу модуля непроницаемым для жидкости образом при помощи клеевого фиксирующего элемента 107. Окончания половолоконных мембран закрыты. В нижнем клеевом фиксирующем элементе 107 имеется множество отверстий для сырой воды 108, через которые может быть подан любой поток сырой воды, сжатого воздуха и смешанный поток сырой воды и сжатого воздуха. Теперь опишем прохождение жидкости при нормальной фильтрации. Сырая вода поступает через входное отверстие для сырой воды 110, имеющееся в нижней крышке 103, через впускные отверстия для сырой воды 108 в корпусе модуля. Большая часть воды проникает сквозь половолоконные мембраны 105. Образовавшийся проникающий поток проходит сквозь верхние отверстия половолоконных мембран и крышку 101 и отводится через отборное отверстие для проникающего потока воды 112. Кроме того, часть сырой воды концентрируется, а концентрированная вода выводится через выходной штуцер для концентрированной воды 111 на боковой поверхности верхней части. На данном этапе в зависимости от качества сырой воды может быть использован прием, позволяющий отводить концентрированную воду только в ходе физической промывки, такой как промывка струей, обратная промывка или промывка аэрированной струей, вместо непрерывного отведения концентрированной воды.
В уменьшенном масштабе для оценки параметров функционирования мембран или проверки стабильности фильтрации, половолоконный мембранный модуль, сконструированный, как описано выше, может обладать эффективной длиной мембраны, примерно 1 м.
Кроме того, если данный половолоконный мембранный модуль используется для реальной крупномасштабной обработки воды для ее осветления, эффективная длина половолоконных мембран обычно устанавливается большей, около 2 м, чтобы уменьшить площадь опоры, на которой монтируется мембранный модуль, или чтобы увеличить площадь половолоконных мембран на единицу объема. Однако поскольку обычные половолоконные мембраны обладают малой проницаемостью, падение давления в полой части со стороны проникающего потока мало. Поэтому обычный модуль при использовании не вызывает проблем практического характера.
Однако недавно, с расширением спектра возможностей применения мембранных фильтрационных модулей для очистки воды, проницаемость половолоконных мембран удалось увеличить. С другой стороны, так называемые односторонние водосборные модули перестали соответствовать тому уровню проницаемости, который обеспечивают половолоконные мембраны; в односторонних водосборных модулях проникающий поток воды отбирают только через отверстия половолоконных мембран, расположенные в верхней части модуля.
Так, известна конструкция, отличающаяся наличием переходного элемента, по которому проникающий поток воды протекает от одной стороны к другой стороне, для повышения фактора эффективности использования половолоконных мембран; в этой конструкции проникающий поток воды может быть отобран через противоположные концы половолоконного мембранного модуля (см., например, патентные документы 3-6). В патентном документе 3 на фиг.4, 5 и 9 показано, что через нижнее отверстие для введения воздуха 19 поступает сжатый воздух, вызывающий вибрацию половолоконных мембран.
Такая организация подачи позволяет равномерно распределять текучую среду с относительно низкой вязкостью, такую как сжатый воздух, при относительно малом падении давления. Однако при необходимом количестве воды на выходе вязкая текучая среда, такая как вода, содержащая взвешенные вещества, дает очень большое падение давления. Только для подвода такой текучей среды в половолоконный мембранный модуль нужно, по меньшей мере, 100 кПа. Это давление подачи эквивалентно или выше, чем давление, необходимое для плановой подачи сырой воды, то есть от 50 до 100 кПа. Таким образом, непрактично использовать конструкцию только с отверстиями для введения воздуха бессменно и для воды.
Кроме того, в соответствии со способом производства модульной конструкции, описанным в патентном документе 4, вдоль наружной окружности корпуса модуля создают множество отверстий, и одновременно размещают в корпусе модуля разделяющую пластину с выполненными в ней отверстиями и комплект половолоконных мембран. Кроме того, отверстия в разделяющей пластине размещены напротив соответствующих отверстий в корпусе модуля. Разделяющую пластину и корпус модуля соединяют при помощи клеевого соединения, используя болты с гибкими трубками. Затем болты с гибкими трубками удаляют. Таким образом, этот способ предусматривает очень сложную операцию сборки. То есть трудно применить этот способ, например, в случае процесса фильтрования через мембрану речной воды, где необходимо получать проникающий поток воды экономично.
В патентном документе 5 описана конструкция, сходная с конструкциями патентных документов 3 и 4. Однако в этом случае за исключением представленного на виде в разрезе отверстия для подвода воздуха расположены симметрично относительно центральной оси с одинаковыми интервалами, подвод воздуха или воды неравномерный. Вариант симметричного расположения с одинаковыми интервалами сопряжен со сложной операцией сборки, как в случае, описанном в патентном документе 4.
Кроме того, в патентном документе 6 описана конструкция, в которой большое количество впускных отверстий для сырой воды проходит от места, соответствующего подающему элементу трубопровода, подводящего сырую воду от источника, они просверлены, по существу, от центра наружной торцевой поверхности одного клеевого фиксирующего элемента непосредственно к другому клеевому фиксирующему элементу с тем, чтобы сырая вода поступала перпендикулярно к половолоконным мембранам. В этом случае сырая вода подается перпендикулярно наружу из центра комплекта половолоконных мембран. Таким образом, создается неблагоприятная ситуация, когда взвешенные вещества накапливаются между центральными половолоконными мембранами, препятствуя прохождению сырой воды к наружной окружности комплекта мембран.
Патентный документ 1: JP-A-07-171354
Патентный документ 2: JP-A-09-220446
Патентный документ 3: JP-A-63-111901
Патентный документ 4: JP-A-64-090005
Патентный документ 5: JP-A-03-119424
Патентный документ 6: JP-A-53-035860
Задачей настоящего изобретения является обеспечение половолоконного мембранного модуля, позволяющего повысить фактор эффективности использования длины половолоконных мембран и стабилизировать количество проникающей воды на единицу площади мембраны, каковой половолоконный мембранный модуль характеризуется уменьшенным падением давления и позволяет проводить отбор воды, затрачивая меньше энергии, каковой половолоконный мембранный модуль легок в изготовлении, его легко изготовить при меньшем количестве производственных стадий; а также обеспечение сборочного узла с половолоконным мембранным модулем, в котором используется указанный половолоконный мембранный модуль.
Благодаря настоящему изобретению обнаруживаются более существенные эффекты, связанные с применением высокопроницаемых мембран.
Результатом глубоких исследований, направленных на решение указанной выше задачи, стало ее достижение при использовании описанного ниже половолоконного мембранного модуля. То есть настоящее изобретение заключается в следующем.
(1) Половолоконный мембранный модуль, состоящий из цилиндрического корпуса модуля, комплекта многочисленных половолоконных мембран, смонтированных в корпусе модуля, клеевых фиксирующих элементов, закрепляющих соответствующие противоположные концы комплекта мембран в корпусе модуля так, что исходная текучая среда может проходить сквозь половолоконные мембраны, переходного элемента для проникающего потока текучей среды, соединяющего друг с другом противоположные наружные торцевые поверхности клеевых фиксирующих элементов посредством трубы с эквивалентным диаметром, большим, чем у каждой из половолоконных мембран, и распределительного входного элемента для сырой текучей среды, расположенного возле одного из клеевых фиксирующих элементов и предназначенного для обеспечения подачи сырой текучей среды в корпус модуля, где распределительный входной элемент для сырой текучей среды включает один входной элемент подающего трубопровода, просверленный в центре наружной торцевой поверхности одного из клеевых фиксирующих элементов в направлении длины корпуса модуля, и входной ответвляющий элемент для сырой текучей среды, равномерно распределяющий подаваемую сырую текучую среду в направлении поперечного сечения половолоконного мембранного модуля и имеющий множество впускных отверстий для сырой текучей среды, просверленных в промежутке между половолоконными мембранами так, чтобы обеспечивать возможность подачи сырой текучей среды вдоль половолоконных мембран.
(2) Половолоконный мембранный модуль по п.(1), в котором имеется множество входных ответвляющих элементов для сырой текучей среды, расположенных после входного элемента подающего трубопровода, каждое из которых образует острый передний угол с направлением длины модуля в месте, где входной распределительный элемент выступает из входного элемента подающего трубопровода.
(3) Половолоконный мембранный модуль по п.(2), в котором распределительный входной элемент для сырой текучей среды включает впускные отверстия для сырой текучей среды, просверленные так, что они продолжают входные ответвляющие элементы для сырой текучей среды и проходят до внутренней торцевой поверхности клеевого фиксирующего элемента, а площадь поперечного сечения множества входных ответвляющих элементов для сырой текучей среды увеличивается вдоль направления поступательного движения сырой воды.
(4) Половолоконный мембранный модуль по п.(2) или (3), в котором входные ответвляющие элементы для сырой текучей среды представляют собой свободное пространство в форме пластины, по существу, параллельное длине модуля, а множество входных ответвляющих элементов для сырой текучей среды расположено в распределительном входном элементе для сырой текучей среды радиально вокруг входного элемента подающего трубопровода, выполняющего роль, по существу, центральной оси.
(5) Половолоконный мембранный модуль по любому из пп.(2)-(4), в котором множество входных ответвляющих элементов для сырой текучей среды представляет собой от 3 до 9 входных ответвляющих элементов для сырой текучей среды, ответвляющих поток из входного элемента подающего трубопровода.
(6) Половолоконный мембранный модуль по любому из пп.(2)-(5), в котором в каждом из входных ответвляющих элементов для сырой текучей среды имеется множество впускных отверстий для сырой текучей среды, и сумма эквивалентных диаметров множества впускных отверстий для сырой текучей среды меньше, чем максимальный эквивалентный диаметр множества входных ответвляющих элементов для сырой текучей среды.
(7) Половолоконный мембранный модуль по любому из пп.(2)-(6), в котором, если каждый из входных ответвляющих элементов для сырой текучей среды разделить на центральную зону и наружную зону на половине радиуса от центра входного ответвляющего элемента для сырой текучей среды, сумма эквивалентных диаметров впускных отверстий для сырой текучей среды, имеющихся в наружной зоне, больше, чем эта сумма для впускных отверстий для сырой текучей среды, имеющихся в центральной зоне.
(8) Половолоконный мембранный модуль по любому из пп.(2)-(7), в котором множество впускных отверстий для сырой текучей среды просверлено с одинаковыми интервалами.
(9) Половолоконный мембранный модуль по любому из пп.(2)-(8), в котором эквивалентный диаметр впускных отверстий для сырой текучей среды увеличивается с уменьшением расстояния до наружной окружности корпуса модуля.
(10) Половолоконный мембранный модуль по любому из пп.(1)-(9), в котором переходный элемент для проникающей текучей среды представляет собой, по меньшей мере, одну переходную трубу, входящую в комплект половолоконных мембран.
(11) Половолоконный мембранный модуль по п.(10), в котором количество переходных труб составляет от одной до четырех.
(12) Половолоконный мембранный модуль по п.(1), в котором корпус модуля представляет собой двойную трубу неправильной формы, образованную первым элементом с относительно большой внутренней площадью поперечного сечения и вторым элементом с относительно небольшой внутренней площадью поперечного сечения, комплект половолоконных мембран размещен в первом элементе, а переходный элемент для проникающей текучей среды расположен во втором элементе.
(13) Половолоконный мембранный модуль по любому из пп.(1)-(12), в котором внутренняя торцевая поверхность каждого из клеевых фиксирующих элементов расположена, по существу, заподлицо с внутренней торцевой поверхностью клея, используемого для создания клеевого фиксирующего элемента.
(14) Способ производства половолоконного мембранного модуля по п.(13), включающий формование, по меньшей мере, части распределительного входного элемента для сырой текучей среды из материала, который подвержен быстрому растворению или быстрому поглощению и диспергированию в воде, горячей воде или органическом растворителе, не вызывающем повреждения каких-либо деталей, образующих половолоконный мембранный модуль, размещение внутренней торцевой поверхности формованного распределительного входного элемента для сырой текучей среды внутри клеевого фиксирующего элемента, осуществление клеевого соединения распределительного входного элемента для сырой текучей среды, половолоконной мембраны, переходного элемента для проникающей текучей среды и корпуса модуля друг с другом и затем создание условий для растворения или поглощения и диспергирования, по меньшей мере, части распределительного входного элемента для сырой текучей среды в любой жидкости из группы, в которую входят вода, горячая вода и органический растворитель, с образованием распределительного входного элемента для сырой текучей среды.
(15) Сборочный узел с половолоконным мембранным модулем, включающий первую чашу, (i) имеющую чашеобразную форму и включающую входное отверстие для проникающей текучей среды, и (ii) имеющую внутри чашеобразной формы пространство для проникающей текучей среды, каковая первая чаша крепится снаружи к наружной торцевой поверхности клеевого фиксирующего элемента по окружности торца чашеобразного пространства непроницаемым для жидкости образом, клеевой фиксирующий элемент, включающий распределительный входной элемент для сырой текучей среды половолоконного мембранного модуля по любому из пп.(1)-(13), и вторую чашу, (а) имеющую чашеобразную форму и включающую отверстие для отбора проникающей текучей среды, и (b) имеющую внутри чашеобразной формы пространство для проникающей текучей среды, каковая вторая чаша крепится снаружи к наружной торцевой поверхности другого клеевого фиксирующего элемента по окружности торца чашеобразного пространства непроницаемым для жидкости образом, (iii) первая чаша включает штуцер, простирающийся непрерывно от входного отверстия для сырой текучей среды непроницаемым для жидкости образом и направленный в пространство для проникающей текучей среды, и (iv) штуцер соединен со входным элементом подающего трубопровода непроницаемым для жидкости образом.
(16) Способ очистки суспендированной воды, в котором сырая текучая среда представляет собой воду, а произведение мутности воды на общее содержание органического углерода (ТОС) составляет 10000 единиц × мг/л или менее и в котором для получения фильтрата используется вода с мутностью самое большее 100 единиц или менее и половолоконный мембранный модуль по п.(1).
В описании, приводимом в данной заявке, использованы наименования, указывающие на выполняемые функции, такие как входное отверстие для сырой текучей среды (сырой воды), распределительный входной элемент для сырой текучей среды (сырой воды), входной элемент подающего трубопровода для сырой текучей среды (сырой воды), входной ответвляющий элемент для сырой текучей среды (сырой воды), впускное отверстие для сырой текучей среды (сырой воды) и выходное отверстие для концентрированной воды. Однако эти наименования используются для облегчения понимания содержания настоящего изобретения и не ограничены этими функциями.
В половолоконном мембранном модуле, соответствующем настоящему изобретению, подача и фильтрование сырой воды осуществляются параллельно половолоконным мембранам. Таким образом, половолоконный мембранный модуль, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает стабильный процесс фильтрации и позволяет надлежащим образом выводить взвешенные компоненты в ходе физической промывки. Кроме того, проникающая вода может отбираться с противоположных сторон. Это повышает фактор использования половолоконных мембран и позволяет отбирать постоянное количество проникающей воды на единицу площади мембраны с меньшими затратами энергии. В этом отношении значительное усовершенствование может быть получено при использовании мембран с высокой проницаемостью. Даже при использовании мембран с обычным уровнем технических характеристик в настоящем изобретении ограничивается возможное падение давления в ходе эксплуатации до диапазона малых величин. Это позволяет эксплуатировать половолоконный мембранный модуль при относительно низком рабочем давлении. Кроме того, например, распределительный входной элемент для сырой воды может быть просто и точно размещен в корпусе модуля. Таким образом, данный половолоконный мембранный модуль можно легко изготовить, используя несложные производственные стадии. Кроме того, половолоконный мембранный модуль, соответствующий настоящему изобретению, можно смонтировать без изменения фильтровального оборудования, в котором установлен половолоконный мембранный модуль, в который сырую воду подают через его нижнюю часть и из которого проникающую воду отбирают через его верхнюю часть, а концентрированную воду отводят через верхнюю часть боковой поверхности; при обычной очистке, основанной на фильтрации через половолоконную мембрану при наружном давлении, преимущественно используется этот последний половолоконный мембранный модуль.
Далее со ссылкой на чертежи подробно описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. В приводимом ниже описании сборочный узел с половолоконным мембранным модулем для примера расположен вертикально. Кроме того, сырая вода или сжатый воздух подается через нижнюю часть этого сборочного узла с половолоконным мембранным модулем. Таким образом, направление поступательного движения потока сырой воды при нормальном режиме фильтрации - это направление снизу вверх. Однако сборочный узел с половолоконным мембранным модулем, конечно, может быть размещен горизонтально или наклонно. Кроме того, в настоящем документе под половолоконным мембранным модулем понимается контейнер, наполненный большим количеством половолоконных мембран; противоположные концы каждой из половолоконных мембран закреплены при помощи клея, и через половолоконные мембраны может проходить жидкость. Под сборочным узлом с половолоконным мембранным модулем понимается половолоконный мембранный модуль с крышками, прикрепленными к соответствующим его концам. Каждая из крышек предназначена для удерживания внутри нее и отбора через нее проникающей воды или подачи через нее сырой воды.
Далее конструкция модуля будет описана со ссылкой на пример половолоконного мембранного модуля, относящегося к типу работающих при наружном давлении, в каковом модуле в качестве переходного элемента для проникающей воды использована прямая труба. На фиг.1 в разрезе представлен пример конструкции сборочного узла с такими половолоконными мембранными модулями (для простоты понимания некоторые линии условно не показаны).
В половолоконном мембранном модуле 20 имеется цилиндрический корпус модуля 21 с открытой верхней поверхностью и открытой нижней поверхностью и выходное отверстие 22 для концентрированной воды или воздуха (далее именуемое выходное отверстие 22), расположенное в верхней части боковой поверхности корпуса модуля 21 и направленное горизонтально. Обычно корпус модуля 21 предпочтительно имеет диаметр, подбираемый из диапазона от 30 мм до 80 мм, и длину, подбираемую из диапазона от 300 мм до 3000 мм. К примерам материалов, пригодных для изготовления корпуса модуля 21, относятся фторированные полимеры, такие как политетрафторэтилен, сополимер тетрафторэтилен-гексафторпропилен, сополимер этилен-тетрафторэтилен и поливинилиденфторид, полиолефины, такие как полиэтилен, полипропилен и полибутен, различные полимерные соединения, такие как поливинилхлорид, ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол), AS (акрилонитрил-стирол), сложный полиэфир, полисульфон, полиэфирсульфон и полифениленовый простой эфир и металлы, такие как нержавеющая сталь и алюминиевый сплав. Часть корпуса модуля 21, в которой расположено выходное отверстие 22 для концентрированной воды, может быть отлита отдельно и соединена с другой трубчатой частью. В частности, та часть корпуса, в которой расположено выходное отверстие 22 для концентрированной воды, может быть названа головной частью.
В корпусе модуля смонтировано большое количество половолоконных мембран 24 (для простоты показана только одна половолоконная мембрана). Технические характеристики половолоконных мембран не имеют определенных ограничений при условии, что мембрана может быть использована для обработки текучих сред. К примерам материалов для изготовления половолоконных мембран относятся полиакрилонитрил, полисульфон, полиэфиркетоны, полиэфирсульфон, полифениленсульфид, поливинилиденфторид, целлюлозы, поливиниловый спирт, полиамид, полиимид, сульфонированный полифениленовый эфир, полиэтилен, полипропилен, полибутен, поли-4-метилпентен, полиорганосилоксан, полиэтиленфторид и сополимер этилен-тетрафторэтилен или их смеси, или их соединения. Кроме того, типы мембран включают ультрафильтрующие мембраны с границей пропускания молекул массой от 1000 до 500000 дальтон и микрофильтрующие мембраны с диаметром пор от 0,01 до 1 мкм. Кроме того, пригодная половолоконная мембрана имеет такую форму, что ее внутренний диаметр составляет от 50 до 3000 мкм, а отношение внутреннего диаметра к наружному составляет от 0,3 до 0,8.
Противоположные концы половолоконной мембраны закреплены в корпусе модуля при помощи клеевых фиксирующих элементов 26 и 27 соответственно, так что жидкость может поступать внутрь половолоконной мембраны через противоположные концы. Кроме того, клеевые фиксирующие элементы 26 и 27 непроницаемым для жидкости образом разделяют наружное и внутреннее пространство модуля друг от друга. Для клеевого крепления может быть использован клей. Тип пригодного клея может быть надлежащим образом подобран с учетом материалов, из которых изготовлены корпус модуля, половолоконная мембрана, переходная труба и распределительный входной элемент, описанный ниже. В качестве клея может быть использован термореактивный полимерный материал, например, эпоксидная смола, уретановая смола или силикон. В качестве способа клеевого соединения может быть использован такой хорошо известный способ, как центробежное склеивание. Клей может дополнительно содержать волокнистое вещество, такое как стекловолокно или углеродное волокно, или тонкодисперсный порошок, такой как сажа, оксид алюминия или оксид кремния, так как эти вещества могут улучшать затвердевание, и усадку, и прочность клеевого соединения.
В половолоконном мембранном модуле 20 имеется переходный элемент для проникающей воды, соединяющий друг с другом противоположные наружные торцевые поверхности клеевых фиксирующих элементов 26 и 27 так, что жидкость может проходить через наружные торцевые поверхности. Переходный элемент для проникающей воды представляет собой трубу с большим эквивалентным диаметром и меньшим гидравлическим сопротивлением, чем у описанной выше половолоконной мембраны 24. Даже если половолоконная мембрана имеет большую длину, например, 2 м, такой переходный элемент для проникающей воды позволяет отбирать проникающий поток воды, прошедший через ту часть мембраны, которая расположена относительно близко к входному отверстию для сырой воды, с небольшим падением давления. Это значительно увеличивает фактор эффективности использования мембран. Эквивалентный диаметр может быть рассчитан на основании длины погруженной части внутренней окружности канала, по которому протекает сырая вода или сжатый воздух, исходя из законов гидродинамики. Однако, для верности, ниже описан способ расчета.
В данном описании эквивалентный диаметр обозначен De. Его величину рассчитывают, умножая внутреннюю площадь поперечного сечения S переходного элемента для проникающей воды на 4 и деля полученное произведение на длину внутренней окружности (длину, вдоль которой текучая среда контактирует с внутренним поперечным сечением) L в соответствии с выражением:
De=4×S/L
Переходный элемент для проникающей воды может быть создан путем размещения в модуле прямой трубы, путем изготовления собственно корпуса модуля в виде двойной трубы неправильной формы и т.п. На фиг.1 показан вариант первого способа. В данном примере переходный элемент 25 включен в комплект половолоконных мембран 24 параллельно половолоконным мембранам 24. Переходный элемент имеет больший эквивалентный диаметр, чем каждая из половолоконных мембран 24, и обеспечивает переток проникающей воды из нижней в верхнюю часть модуля. Может быть использована, по меньшей мере, одна такая переходная труба. Должное количество переходных труб может быть определено в тех пределах, которые обеспечивают повышенную эффективность использования мембраны в половолоконном мембранном модуле. В данном случае переходная труба 25 с обоих концов закреплена в корпусе модуля при помощи клеевого соединения в верхнем клеевом фиксирующем элементе 26 и нижнем клеевом фиксирующем элементе 27. Как и половолоконная мембрана 24, переходная труба 25 открыта и позволяет жидкости поступать во внутреннее пространство модуля. Таким образом, проникающий поток воды и т.п. может легко проходить по переходной трубе 25 сверху вниз или снизу вверх вдоль модуля.
Такую переходную трубу предпочтительно изготавливают путем экструдирования полимерного материала. К примерам пригодных полимерных материалов относятся полиолефины, такие как полиэтилен, полипропилен и полибутен, поливинилхлорид, сложный полиэфир, полисульфон, полиэфирсульфон, полифениленовый эфир, сополимеры ABS и AS. Если в качестве переходной трубы используется прямая труба, эта труба может иметь любую форму поперечного сечения, такую как окружность, эллипс, полуокружность или веретенообразная форма, но обязательно должна обладать большим эквивалентным диаметром и меньшим гидравлическим сопротивлением, чем половолоконная мембрана.
Кроме того, в случае, например, изготовления самого корпуса модуля в виде двойной трубы неправильной формы корпус модуля может представлять собой двойную трубу неправильной формы, образованную первым элементом с относительно большой внутренней площадью поперечного сечения и вторым элементом с относительно небольшой внутренней площадью поперечного сечения. В этом случае комплект половолоконных мембран размещают в первом элементе, а переходный элемент для проникающей воды может быть расположен во втором элементе. В данном примере двойная труба неправильной формы, как правило, представляет собой цилиндр, внутреннее пространство которого разделено на две части пластиной, параллельной его длине, так, что противоположные концы дуги, являющейся частью окружности поперечного сечения цилиндра, перпендикулярного его длине, соединены друг с другом прямой линией, так что поперечное сечение разделено на полукруглую область (см. фиг.21) и сечение другой формы. В этом случае полукруглая область сечения выполняет роль переходного элемента. В оставшейся области располагаются половолоконные мембраны. Такой половолоконный мембранный модуль может быть изготовлен способом присоединения двойной трубы неправильной формы, изготовленной путем экструзии через двойную экструзионную головку неправильной формы, к головной части, имеющей конструкцию, соответствующую двойному разделенному внутреннему пространству. В качестве альтернативы, на некотором участке окружности боковой поверхности верхней части экструдированной двойной трубы неправильной формы может быть сделано отверстие. Тогда на этом боковом отверстии в двойной трубе неправильной формы может быть установлено соединение со штуцером. В данном случае может быть применен способ, описанный в патенте Японии № 3713343. Если двойная труба неправильной формы используется в качестве переходного элемента для проникающей воды, для ее изготовления может быть использован тот же материал, что и для изготовления корпуса модуля. Переходный элемент для проникающей воды может иметь форму поперечного сечения, отличающуюся от описанных выше, такую как круг, эллипс, полукруг или веретенообразную форму. Переходный элемент для проникающей воды может быть установлен в одном положении, или в двух, или более положениях. На фиг.21-25 показаны примеры двойной трубы неправильной формы, имеющей описанную выше или другую форму соответственно.
Внутри одного из клеевых фиксирующих элементов половолоконного мембранного модуля имеется распределительный входной элемент для сырой воды, который обеспечивает подачу сырой воды в корпус модуля. Этот распределительный входной элемент для сырой воды способствует тому, что сырая вода, подаваемая через входное отверстие для сырой воды, равномерно распределяется по половолоконным мембранам параллельно к ним, не вызывая избыточного падения давления. Распределительный входной элемент для сырой воды обеспечивает отделение сырой воды от проникающего потока воды (который проходит сквозь половолоконные мембраны в их нижней части и перемещается по пространству для циркуляции проникающего потока воды, имеющемуся снаружи нижней торцевой поверхности модуля, через переходную трубу к отверстию для отбора проникающей воды) непроницаемым для жидкости образом и подачу сырой воды на удаленные от центра половолоконные мембраны половолоконного модуля. Кроме того, распределительный входной элемент для сырой воды используется для смешанного потока сырой воды и сжатого воздуха и подачи только сжатого воздуха. Кроме того, распределительный входной элемент для сырой воды используется для стока дренажной воды, образующейся при физической промывке, такой как обратная промывка или промывка аэрированной струей. В этом случае такая конструкция, как описано выше, позволяет подавать сырую воду с уменьшенным падением давления и производить половолоконный мембранный модуль, используя относительно несложные производственные стадии.
Далее конкретная конструкция распределительного входного элемента для сырой воды описывается со ссылкой на фиг.1 (фиг.3). Распределительный входной элемент для сырой воды образован входным элементом подающего трубопровода 34, через который подводится сырая вода и т.п., входным ответвляющим элементом для сырой воды 33, равномерно распределяющим подводимую сырую воду и т.п. в направлении поперечного сечения половолоконного мембранного модуля, и впускным отверстием для сырой воды 32, через которое распределенная сырая вода и т.п. поступает к наружной стороне половолоконных мембран в модуле.
Во-первых, входной элемент подающего трубопровода 34 представляет собой цилиндрическое отверстие, просверленное, по существу, параллельно длине корпуса модуля со стороны, по существу, центра наружной торцевой поверхности 29 клеевого фиксирующего элемента 27 и расположенное на той же стороне, где и входной распределительный элемент для сырой воды. Термины «по существу, в центре» и «по существу, параллельно», используемые в настоящем документе, не обязательно означают строгий геометрический центр или строгую параллельность, а могут подразумевать центр или параллельность в тех пределах, которые обеспечивают осуществление заданных функций. Это также применимо к другим терминам, в которых есть слова «по существу». Описываемый ниже штуцер первой крышки соединен с входным элементом подающего трубопровода непроницаемым для жидкости образом с использованием такого уплотнения, как кольцевая уплотнительная прокладка.
В одном из способов снаружи по окружности модуля расположено множество входных элементов подающего трубопровода с тем, чтобы сырая вода подавалась по направлению к центру поперечного сечения модуля. В этом случае, как ясно из экспериментального примера 7, описанного ниже, если необходимо подавать текучие среды различной вязкости, такие как жидкость, то есть сырая вода, сжатый воздух, используемый для промывки аэрированной струей, и многофазный поток, состоящий из сырой воды и сжатого воздуха, трудно обеспечить равномерную подачу всех этих текучих сред с приемлемым падением давления, значение которого ограничивается узким диапазоном. Однако наличие единственного входного элемента подающего трубопровода 34 обеспечивает подачу сырой воды и т.п. в модуль с относительно небольшим падением давления. Положение входного элемента подающего трубопровода 34 на внешней торцевой поверхности 29 не обязательно должно быть в центре, он может быть расположен ближе к наружной окружности. Однако чтобы сырая вода пропорционально и равномерно распределялась в модуле, входной элемент подающего трубопровода 34, предпочтительно, располагают так близко к центру, как это возможно. Если входной элемент подающего трубопровода 34 находится в центре, облегчается соединение первой крышки, описываемой ниже, с наружной торцевой поверхностью 29 модуля.
Далее описывается входной ответвляющий элемент для сырой воды 33, расположенный вслед за входным элементом подводящего трубопровода 34. Входной ответвляющий элемент для сырой воды 33 представляет собой свободное пространство в форме пластины, которое, по существу, параллельно длине модуля и в котором имеется поверхность 30, образующая острый передний угол с направлением длины модуля в месте, где входной ответвляющий элемент для сырой воды 33 выступает из входного элемента подающего трубопровода 34. Такое пространство обеспечивает равномерное распределение сырой воды в направлении поперечного сечения модуля. Используемый в настоящем документе термин «передний угол» означает один из углов, который, когда какое-либо движение вперед ответвляется в точке ветвления, образуется вокруг этой точки ветвления между направлением вперед и направлением ответвления, каковой угол образуется между направлением ответвления и нулевой линией, продленной из точки ветвления в направлении вперед, как показано на фиг.2(1). На фиг.1 входной ответвляющий элемент для сырой воды 33 показан как часть распределительного входного элемента для сырой воды с воронкообразным поперечным сечением.
Во входном ответвляющем элементе для сырой воды предпочтительно имеется описанная выше поверхность, расположенная под острым углом. Причина в том, что при наличии такой поверхности можно уменьшить длину пространства в направлении длины модуля при увеличении расстояния от входного подающего трубопровода (центра) до наружной окружности модуля, в результате чего сырая вода и т.п. может быть подана равномерно от центральной оси к наружной окружности модуля. В итоге увеличивается сумма площадей поперечного сечения множества входных ответвляющих элементов для сырой воды в направлении длины модуля вдоль направления поступательного движения сырой воды. В качестве альтернативы, толщина пространства в виде пластины может изменяться от центра к наружной окружности модуля. Острый угол во входном ответвляющем элементе для сырой воды, хотя он также зависит от проницаемости половолоконной мембраны или половолоконного мембранного модуля, может быть должным образом подобран с учетом, например, диаметра и формы описываемого ниже впускного отверстия для сырой воды.
Далее со ссылкой на фиг.26 описано, как увеличивается поперечное сечение входного ответвляющего элемента для сырой воды. На фиг.26(3) показана площадь S1 поперечного сечения по линии J-J' на фиг.26(2). На фиг.26(4) показана площадь S2 поперечного сечения по линии K-K' на фиг.26(2). Как видно из фиг.26, площадь поперечного сечения увеличивается от S2 к S1 при перемещении вдоль входного ответвляющего элемента для сырой воды в направлении поступательного движения потока от поперечного сечения K-K', расположенного ближе к стороне подачи сырой воды, к поперечному сечению J-J'.
Предпочтительно, вокруг входного элемента подающего трубопровода 34, представляющего собой, по существу, центральную ось, радиально располагают множество входных ответвляющих элементов для сырой воды 33. А именно, предпочтительно обеспечивают от 3 до 9 входных ответвляющих элементов для сырой воды 33, исходя из сбалансированности, например равномерности распределения сырой воды и воздуха, простоты изготовления модуля и количества половолоконных мембран, которые могут быть размещены в таком модуле. Более предпочтительно, обеспечивают от 4 до 6 входных ответвляющих элементов для сырой воды. Множество входных ответвляющих элементов для сырой воды могут ответвляться под одним и тем же углом. Однако входные ответвляющие элементы для сырой воды могут ответвляться под немного отличающимися углами. Например, часть входных ответвляющих элементов для сырой воды, к которым присоединен переходный элемент для проникающей воды, может ответвляться под большим углом. Половолоконные мембраны расположены между входными ответвляющими элементами для сырой воды (см. фиг.2(2)). Кроме того, если в корпусе модуля в качестве переходного элемента использована прямая труба, эти трубы также расположены между входными ответвляющими элементами для сырой воды. Далее будет описан способ производства входного ответвляющего элемента для сырой воды 33.
Впускное отверстие для сырой воды 32 сделано так, что проходит непрерывно от входного ответвляющего элемента для сырой воды 33 до внутренней торцевой поверхности 31 клеевого фиксирующего элемента 27. Сырая вода поступает во внутреннее пространство модуля 23 через впускное отверстие для сырой воды 32. Впускные отверстия для сырой воды 32 могут быть сделаны на всем протяжении внутренней торцевой поверхности 31 входного ответвляющего элемента для сырой воды 33. Однако желательно располагать впускные отверстия для сырой воды 32 в виде серии из множества отверстий с тем, чтобы упростить производство входного ответвляющего элемента для сырой воды и обеспечить равномерное распределение сырой воды. Если впускное отверстие для сырой воды 32 имеет вид серии из множества отверстий, сумма эквивалентных диаметров этого множества впускных отверстий для сырой воды меньше, чем сумма эквивалентных диаметров множества входных ответвляющих элементов для сырой воды в направлении длины модуля. Теперь со ссылкой на фиг.26(3) опишем способ расчета эквивалентного диаметра входного ответвляющего элемента для сырой воды. Эквивалентный диаметр De(a) входного ответвляющего элемента для сырой воды 33 определяется путем умножения площади поперечного сечения S1 на 4 и деления полученного произведения на длину внутренней окружности L1 (область внутри толстой линии) в соответствии с выражением:
De(a)=4×S1/L1.
Кроме того, допустим, что (m) впускных отверстий для сырой воды d1, d2, d3, … dm с различным поперечным сечением и разными длинами погруженной части просверлено в каждом из (n) входных ответвляющих элементов для сырой воды, отвечающих соответствующим направлением ответвления. Если площадь сечения отверстий и длины погруженной части впускных отверстий для сырой воды обозначить как s1, s2, s3, … sm и a1, a2, a3, … am, сумма De(b) эквивалентных диаметров отверстий определяется как:
De=n×4×{(s1/a1)+(s2/a2)+(s3/a3)+ … +(sm/am)}.
Далее описание частично приводится со ссылкой на фиг.26(1). Если в соответствующих местах каждого из четырех входных ответвляющих элементов для сырой воды, отвечающих соответствующему направлению ответвления, просверлено три типа отверстий d1, d2 и d3, то площадь сечения и длины погруженной части впускных отверстий для сырой воды d1, d2 и d3 обозначаются как s1, s2 и s3 и a1, a2 и a3, а сумма De(b) эквивалентных диаметров всех 12 отверстий определяется как:
De(b)=4×4×{(s1/a1)+(s2/a2)+(s3/a3)}.
Каждое из отверстий может иметь форму круга, эллипса, полукруга, прямоугольника и т.п., однако предпочтительной является форма круга из соображений упрощения изготовления отверстий. Диаметр впускных отверстий для воды хотя и зависит от количества подаваемой воды и количества отверстий, предпочтительно составляет от 5 до 12 мм. Кроме того, диаметр отверстий, предпочтительно, таков, что в поперечном сечении модуля, перпендикулярном его длине, эквивалентный диаметр впускных отверстий для сырой воды последовательно увеличивается с удалением от центра модуля в направлении к его наружной окружности. Это, предпочтительно, способствует более равномерной подаче воды и т.п. в модуль. В этом случае при сохранении равномерного распределения сырой воды описанный выше острый угол может быть установлен близким к 90 градусам. Это позволяет уменьшить необходимую длину клеевого фиксирующего элемента 27 в направлении длины модуля. Здесь эквивалентный диаметр впускных отверстий для сырой воды может быть последовательно увеличен с удалением от центра модуля в направлении к его наружной окружности следующим образом. Впускные отверстия могут быть расположены так, что их диаметр последовательно увеличивается с уменьшением расстояния до наружной части модуля. В качестве альтернативы, область между центром и наружной окружностью может быть разделена на два или три участка, в каждом из этих участков просверлено множество отверстий с разной площадью внутреннего сечения, причем сумма эквивалентных диаметров или площадей сечения на каждом участке увеличивается в направлении от центра к наружной поверхности. В качестве альтернативы, ответвляющий элемент для сырой воды может быть разделен на центральную область и наружную область, начинающуюся на половине величины диаметра в направлении от центра наружу так, что сумма эквивалентных диаметров впускных отверстий для сырой воды, находящихся в наружной области, больше, чем сумма эквивалентных диаметров впускных отверстий для сырой воды, находящихся в центральной области.
Кроме того, интервалы между отверстиями могут быть одинаковыми или разными в зависимости от места расположения отверстия. Однако если отверстия в области наружной окружности имеют больший диаметр, интервалы между ними, предпочтительно, одинаковые из соображений облегчения изготовления этих отверстий. И наоборот, диаметр отверстий может быть постоянным при последовательном уменьшении интервалов между отверстиями в направлении к наружной окружности. Кроме того, впускные отверстия для сырой воды могут быть расположены на внутренней торцевой поверхности 31 на одной прямой или в шахматном порядке относительно соответствующих входных ответвляющих элементов для сырой воды. В качестве альтернативы, впускные отверстия для сырой воды могут быть расположены в два или более ряда. Кроме того, впускные отверстия могут быть направлены перпендикулярно или наискосок к внутренней торцевой поверхности входного ответвляющего элемента для сырой воды.
На фиг.2(2) представлено изображение поперечного сечения А-А' половолоконного мембранного модуля, показанного на фиг.1, как вид сверху (в направлении стрелки на фиг.1). Четыре входных ответвляющих элемента для сырой воды установлены в цилиндрическом корпусе модуля 21 в форме креста так, что угол между соседними входными ответвляющими элементами для сырой воды равен 90 градусам. На внутренней торцевой поверхности модуля 31 каждого входного ответвляющего элемента для сырой воды на одной прямой расположено множество впускных отверстий для сырой воды 32. Кроме того, эквивалентный диаметр впускных отверстий для сырой воды последовательно увеличивается в направлении от центра поперечного сечения модуля к его наружной окружности.
Кроме того, между этими четырьмя входными ответвляющими элементами для сырой воды установлено большое количество половолоконных мембран 24 и переходных труб 25. То есть впускные отверстия для сырой воды просверлены в пространстве между половолоконными мембранами. Если переходные трубы также расположены между входными ответвляющими элементами для сырой воды, впускные отверстия для сырой воды просверлены также в пространстве между переходными трубами. Таким образом, в поперечном сечении модуля впускные отверстия для сырой воды 32, через которые поступает сырая вода, располагаются соответственно отдельно от половолоконных мембран 24 и переходных труб 25. Сечение, показанное на фиг.1, представляет собой поперечное сечение по В-В' на фиг.2(2).
Половолоконный мембранный модуль, сконструированный, как описано выше, позволяет равномерно подавать сырую воду или сжатый воздух с малым падением давления. Причина в том, что размер пространства, простирающегося до впускного отверстия для сырой воды, максимален, что обеспечивает возможность подачи сырой воды без увеличения потери напора, а диаметр впускных отверстий для сырой воды уменьшен до заданной величины с целью создания небольшого падения давления, что обеспечивает равномерную подачу сырой воды в модуль. Кроме того, подаваемый поток сырой воды или сжатого воздуха через впускное отверстие для воды в модуль предпочтительно, по существу, параллелен длине половолоконной мембраны. Это позволяет уменьшить нагрузку потока воды и т.п. на половолоконную мембрану. Термин «по существу, параллелен», используемый в настоящем документе, означает распределенную подачу сырой воды или сжатого воздуха на половолоконные мембраны под углом менее 45 градусов.
Половолоконный мембранный модуль преобразуется в сборочный узел с половолоконным мембранным модулем путем присоединения заданной крышки к наружной торцевой поверхности каждого из противоположных концов модуля непроницаемым для жидкости образом. Наружная торцевая поверхность с той стороны половолоконного мембранного модуля, где находится входной ответвляющий элемент для сырой воды, образует вместе с входным отверстием для воды область чашеобразной формы. Первая чаша с пространством для проникающей воды установлена внутри этой чашеобразной зоны. На фиг.1 крышка 50, расположенная у нижнего конца половолоконного мембранного модуля 20, соответствует первой крышке. Крышка 50 состоит, главным образом, из чаши 41 с криволинейной поверхностью, которая покрывает нижнюю торцевую поверхность 29 половолоконного мембранного модуля и которая сужается книзу. Кольцевая уплотнительная прокладка 25 и канавка для нее находятся на периферии торцевой поверхности чаши 41, контактирующей с нижней торцевой поверхностью 29. Таким образом, крышка 50 соединяется с половолоконным мембранным модулем непроницаемым для жидкости образом.
Кроме того, у основания центра чаши 41 имеется входное отверстие для сырой воды 43. Штуцер 42, идущий непрерывно от входного отверстия для воды 43, направлен во внутреннее пространство чаши 41. Штуцер 42 соединен со входным элементом подающего трубопровода 34 половолоконного мембранного модуля непроницаемым для жидкости образом. Внутреннее пространство чаши 41, ограничиваемое чашей 41, штуцером 42 и нижней торцевой поверхностью 29, выполняет роль камеры для проникающей воды 44. Установка такой крышки обеспечивает подачу сырой воды в модуль с меньшим падением давления и дополнительно способствует поддержанию высокой эффективности использования половолоконных мембран.
Конкретный пример первой крышки показан на фиг.5. На фиг.5(1) представлен вид сверху. На фиг.5(2) представлен вид спереди. На фиг.5(3) представлено сечение по G-G'. На фиг.5(4) представлен вид снизу. Крышка, показанная на фиг.5, включает диск 41 в форме мелкой чашки или глубокой тарелки с углублением в центре (далее для простоты именуемый чашеобразный диск), толстый кольцевой элемент 45, расположенный вдоль всей наружной окружности диска 41, и канавку 46, сделанную по окружности торцевой стороны кольцевого элемента так, чтобы в ней размещалась кольцевая уплотнительная прокладка, обеспечивающая непроницаемое для жидкости соединение крышки с наружной торцевой поверхностью модуля. Кроме того, в центре диска 41 установлена относительно короткая труба 48, на конце которой вокруг ее наружной окружности имеется фланец 40. Труба 48 установлена со стороны выступающей поверхности диска так, что образуется входное отверстие для сырой воды 43. На углубленной поверхности, соответствующей внутренней стороне диска 41, имеется штуцер 42, и входное отверстие для сырой воды 43 на всем протяжении до кончика штуцера собрано непроницаемым для жидкости образом. При сборке узла с половолоконным мембранным модулем в пространстве углубления диска 41, между углубленной поверхностью диска и наружной торцевой поверхностью половолоконного мембранного модуля, образуется камера для проникающей воды.
Кроме того, на фиг.6 показан пример первой крышки иной формы. В этой крышке труба 48', образующая входное отверстие для сырой воды, длиннее, чем в примере на фиг.5. Кроме того, вместо фланца на наружной окружности вблизи нижнего конца 40' этой трубы сделана противодействующая скольжению канавка. Первая крышка должна выполнять две функции. Во-первых, первая крышка должна обеспечивать подачу сырой воды во входной элемент подающего трубопровода половолоконного мембранного модуля через входное отверстие для сырой воды и штуцер непроницаемым для жидкости образом. Во-вторых, первая крышка должна обеспечивать наличие между этой крышкой и нижней торцевой поверхностью половолоконного мембранного модуля камеры для проникающей воды, состыкованной непроницаемым для жидкости образом. Если эти две функции выполняются, форма первой крышки не ограничивается примерами формы, приведенными на фиг.5 и 6.
Пример второй крышки соответствует крышке 10, соединенной с верхней торцевой поверхностью половолоконного мембранного модуля 20 с использованием кольцевой уплотнительной прокладки 15, как показано на фиг.1. В крышке имеется отверстие для отбора проникающей воды 13, расположенное в ее центре и снабженное на конце, по наружной окружности, фланцем 11. Отверстие для отбора проникающей воды 13 непрерывно переходит во внутреннее пространство крышки 14.
Для соединения наружной окружности конца первой или второй крышки и наружной торцевой поверхности половолоконного мембранного модуля друг с другом непроницаемым для жидкости образом и для соединения штуцера первой крышки со входным элементом подающего трубопровода половолоконного мембранного модуля непроницаемым для жидкости образом могут быть использованы описанные выше кольцевые уплотнительные прокладки. Однако можно применить схему уплотнения, основанную на набивочном уплотнении или склеивании с нанесением клея. В примере, показанном на фиг.1, для крепления с возможностью съема второй крышки на нижней торцевой поверхности 29 половолоконного мембранного модуля использован металлический уплотнительный фиксатор крышки 52. Кроме того, подобный фиксатор 51 использован для крепления первой крышки к верхней торцевой поверхности модуля.
Крышки могут быть изготовлены из металла, такого как нержавеющая сталь или алюминиевый сплав, или из полимерного материала. Если крышки изготовлены из металла, например нержавеющей стали, эти крышки могут быть изготовлены на металлорежущем станке, однако желательно, чтобы они были отлиты, в частности, способом прецизионного литья, таким как способ литья по выплавляемым восковым моделям или по выплавляемым ртутным моделям, так как в этом случае повышается точность изготовления деталей. Кроме того, если крышки изготовлены из полимерного материала, эти крышки желательно производить способом инжекционного формования, чтобы гарантировать точность изготовления деталей. К примерам пригодных полимерных материалов относятся полиолефины, такие как полиэтилен, полипропилен и полиэфирсульфон, поливинилхлорид, сложный полиэфир, полисульфон, полиэфирсульфон, полифенилен, сополимеры ABS и AS.
Крышки используются не только для подвода сырой воды и отбора проникающей воды или создания камеры для проникающей воды, но также и для подачи сжатого воздуха или смешанной со сжатым воздухом сырой воды, физической промывки, такой как обратная промывка или промывка аэрированной струей, и дренажного водостока, как в случае описанного выше распределительного входного элемента для сырой воды. Входное отверстие для сырой воды в первой крышке и отверстие для отбора проникающей воды во второй крышке предпочтительно снабжены таким соединительным элементом, который может быть соединен с линией, идущей к устройству мембранного разделения, например, фланцем на фиг.5 или канавкой у нижнего конца 40', как показано на фиг.6.
Далее со ссылкой на фиг.7 описывается поток жидкости в ходе нормального режима фильтрации с использованием сборочного узла с половолоконным мембранным модулем, представленного на фиг.1. Сначала сырая вода поступает через входное отверстие для сырой воды 43 в первой крышке 50 и штуцер 42, входной элемент подающего трубопровода 34, входной ответвляющий элемент для сырой воды 33 и впускные отверстия для сырой воды 32 в пространство 23, окружающее половолоконные мембраны 24 в модуле. Подаваемая сырая вода проникает сквозь половолоконную мембрану 24 со стороны ее наружной поверхности к внутренней поверхности. Эта проникающая вода перемещается через верхнее и нижнее отверстия полого пространства половолоконной мембраны 24 к верхнему и нижнему внутреннему пространству крышки 14 и 44 соответственно. Затем проникающую воду, прошедшую через условно верхнюю часть половолоконной мембраны, отбирают непосредственно через отверстие для отбора проникающей воды 13 во второй крышке 10. Однако проникающая вода, попавшая в крышку 50 через нижнее отверстие, удерживается в камере для проникающей воды 44. Эта проникающая вода затем перемещается во внутреннее пространство верхней крышки 10 по переходной трубе 25 через ее нижнее отверстие, откуда ее отбирают. Кроме того, концентрированная вода, образующаяся при удалении проникающей воды из сырой соды, и воздух, смешанный с сырой водой, отводят через выходное отверстие 22 на боковой поверхности верхней части модуля.
Как указано выше, проникающую воду отбирают с противоположных сторон половолоконной мембраны 24. Благодаря этому выравнивается падение давления, возникающее из-за потока проникающей воды со стороны внутренней поверхности половолоконной мембраны. Таким образом, вклад нижней половины половолоконной мембраны половолоконного мембранного модуля в фильтрацию больше. В результате, расход обрабатываемого потока на единицу площади мембраны выравнивается относительно положения мембраны в модуле. Благодаря этому не нужно увеличивать более необходимого давление фильтрации, можно уменьшить давление перекачки жидкости насоса, перекачивающего сырую воду и используемого для поддержания давления. Следовательно, снижается потребление энергии на определенное количество отбираемой проникающей воды.
Аналогично, со ссылкой на фиг.8 описывается поток жидкости в ходе обратной промывки с использованием сборочного узла с половолоконным мембранным модулем, представленного на фиг.1. Часть отобранной проникающей воды подают через отверстие для отбора проникающей воды 13 в крышке 10. Затем часть поданной воды направляют непосредственно через верхнее отверстие полой части половолоконной мембраны в качестве промывочной воды. Однако оставшуюся часть подают через переходную трубу 25 в нижнюю камеру для проникающей воды 44 и затем из камеры для проникающей воды 44 в половолоконную мембрану 24 через ее нижнее отверстие в качестве промывочной воды. Благодаря этому выравнивается распределение давления в полой части половолоконной мембраны, что усиливает эффект обратной промывки в нижней части половолоконной мембраны. Сточная вода обратной промывки может быть выведена через выходное отверстие 22 для концентрированной воды на боковой поверхности верхней части модуля или только через входное отверстие для сырой воды 43 при циркуляционной подаче проникающей воды в нижнюю часть половолоконной мембраны через переходную трубу, организованной, как показано на фиг.9. Сточная вода обратной промывки может быть выведена одновременно и через выходное отверстие 22 для концентрированной воды, и через входное отверстие для сырой воды 43.
При промывке струей сырую воду подают из нижнего входного отверстия для сырой воды 43 во внутреннее пространство модуля 23 через распределительный входной элемент для сырой воды. Большая часть сырой воды выводится через выходное отверстие 22 для концентрированной воды с целью выталкивания из модуля взвешенных веществ потоком воды с большой скоростью течения. Взвешенные вещества оседают на наружной поверхности половолоконной мембраны 24 и в промежутке между половолоконными мембранами. При промывке аэрированной струей сырую воду, смешанную со сжатым газом, таким как сжатый воздух, вводят во внутреннее пространство модуля 23 через нижнее входное отверстие для сырой воды 43. Когда аэрирование осуществляют для встряхивания половолоконной мембраны 24, сырую воду выводят через выходное отверстие 22 для концентрированной воды вместе со взвешенными растворами.
На фиг.10 показан поток жидкости при обратной промывке с аэрированием с использованием сборочного узла с половолоконным мембранным модулем, представленного на фиг.1. Проникающую воду подают через верхнее отверстие для проникающей воды 13 и осуществляют обратную промывку. Одновременно через нижнее входное отверстие для сырой воды 43 подают сжатый воздух. Воду, используемую для обратной промывки, и сжатый воздух выводят через выходное отверстие 22 для концентрированной воды. В это время проникающая вода, используемая для обратной промывки, оказывает давление на внутреннюю поверхность половолоконной мембраны 24. Однако половолоконная мембрана 24 находится под избыточным давлением, создаваемым через переходную трубу 25 и отверстия в верхней и нижней торцевых поверхностях половолоконной мембраны 24. Таким образом, давление, оказываемое на внутреннюю поверхность, воздействует равномерно на верхнюю и нижнюю части мембраны. Этот усиливает эффект обратной промывки с аэрированием.
Далее со ссылкой на фиг.11 описано создание переходного элемента для проникающей воды с использованием корпуса модуля, имеющего неправильную форму двойной трубы. В варианте, показанном на фиг.1, в качестве переходной трубы 25 используется, по меньшей мере, одна прямая труба. Однако в половолоконном мембранном модуле, представленном на фиг.11, вместо прямой трубы, используемой в качестве переходной трубы на фиг.1, использован корпус модуля, имеющий неправильную форму двойной трубы. Часть неправильной формы с уменьшенной площадью сечения отверстия использована в качестве переходного элемента для проникающей воды (далее для простоты именуемого переходной элемент неправильной формы). Остальная часть конструкции половолоконного мембранного модуля, представленного на фиг.11, почти такая же, как на фиг.1.
В контексте настоящего документа «двойная труба неправильной формы» означает трубу с таким поперечным сечением под прямым углом к ее длине, которое не имеет форму круга, как в случае корпуса модуля, представленного на фиг.1, а состоит из двух частей, поскольку в данном случае используется конструкция, в которой внутреннее пространство трубы разделено стенкой или в которой, по меньшей мере, две трубы находятся друг с другом во внешнем контакте. Двойная труба неправильной формы может включать множество переходных элементов неправильной формы. Однако единственный переходной элемент неправильной формы может адекватно выполнять необходимые функции и, таким образом, является предпочтительным с точки зрения технологичности изготовления такой трубы путем экструзии. Половолоконная мембрана и переходной элемент неправильной формы имеют сквозной выход через верхний и нижний клеевые фиксирующие элементы. Таким образом, проникающая вода может проходить по ним вниз и вверх.
Распределительный входной элемент для сырой воды при помощи клеевого соединения закрепляют в нижнем клеевом фиксирующем элементе таким образом, что он почти погружается в него. Затем входной элемент подающего трубопровода для сырой воды распределительного входного элемента для сырой воды соединяют с нижней первой крышкой непроницаемым для жидкости образом. Такое герметичное соединение может быть выполнено с использованием уплотнительных элементов, таких как кольцевая уплотнительная прокладка, или способа склеивания с нанесением клея, как в случае, показанном на фиг.1. На фиг.11 представлен пример использования герметичного уплотнения кольцевой уплотнительной прокладкой. Верхняя и нижняя крышки зафиксированы на половолоконном мембранном модуле при помощи зажимов.
Далее со ссылкой на фиг.11 описывается поток жидкости в ходе нормального режима фильтрации с использованием сборочного узла с половолоконным мембранным модулем с двойной трубой неправильной формы. Сырую воду подают в модуль через нижнюю первую крышку. Поданная вода проникает сквозь половолоконную мембрану со стороны ее наружной поверхности к внутренней поверхности. Эта проникающая вода перемещается через верхнее и нижнее отверстия полого пространства половолоконной мембраны к внутреннему пространству верхней и нижней крышек соответственно. Затем проникающую воду, выходящую из верхней части половолоконной мембраны, отбирают через вторую крышку. Однако проникающая вода, попавшая во внутреннее пространство нижней крышки (камеру для проникающей воды), перемещается от нижнего отверстия к верхнему отверстию переходного элемента неправильной формы. Эту проникающую воду затем отбирают через верхнюю крышку. Поток воды при обратной промывке, промывке аэрированной струей и обратной промывке с аэрированием аналогичен показанному на фиг.1 за исключением функций переходного элемента для проникающей воды и поэтому далее не описывается.
В примере конструкции половолоконного мембранного модуля, приведенном на фиг.11, камера для концентрированной воды, имеющая на боковой поверхности штуцер для концентрированной воды, через который выводится концентрированная вода, герметично соединена посредством кольцевой уплотнительной прокладки с боковой поверхностью наружной трубы двойной трубы неправильной формы. А именно для этого может быть использован способ, описанный в патенте Японии № 3713343. Однако при производстве корпуса модуля эти детали могут быть заранее соединены друг с другом непроницаемым для жидкости образом при помощи пайки или склеивания. В качестве альтернативы, эти трубы могут быть соединены друг с другом так, чтобы переходный элемент включал камеру для концентрированной воды.
Далее описывается способ производства половолоконного мембранного модуля, при этом внимание уделяется способу создания распределительного входного элемента для сырой воды. В остальном этот способ производства аналогичен способу производства обычных половолоконных мембранных модулей. Сначала изготавливают такую полую деталь, как показана на фиг.3. Фиг.3(1) представляет собой вид полой детали сверху. На фиг.3(2) представлено сечение полой детали по С-С' на фиг.3(1). На фиг.3(3) представлен вид полой детали спереди. На фиг.3(4) представлено сечение полой детали по D-D' на фиг.3(3). На фиг.3(5) представлен вид полой детали снизу. Полая деталь включает трубу 35, выполняющую роль входного элемента подающего трубопровода, четыре полых пластины 37 и 38, расположенных радиально вокруг трубы 35, соответствующей центральной оси, под прямым углом друг к другу так, что образуют крест (полые пластины 37 и 38 выполняют роль входного ответвляющего элемента для сырой воды), и множество отверстий 32, расположенных на одной прямой вдоль верхней поверхности каждой из полых пластин (эти отверстия выполняют роль впускных отверстий для сырой воды). Кроме того, на нижнем конце каждой из полых пластин 37 и 38 имеется ребро 39, предназначенное для выравнивания (центрирования) положения в модуле. Кроме того, нижняя поверхность 30 внутреннего пространства полой пластины является конусообразной с острым углом θ к центральной оси. Поперечное сечение по Е-Е', не показанное на фигурах, является прямоугольным. Поперечное сечение ближе к вершине (к наружной периферии) ребра 39 имеет меньшую длину по вертикали. Нижний конец трубы 35 герметично закрыт поверхностью 36 с целью предотвращения попадания клея внутрь трубы 35 в ходе выполнения клеевого соединения. На фиг.4 показан другой пример полой детали. В этой полой детали число отверстий 32' в верхней поверхности (выполняющих роль впускных отверстий для сырой воды) больше, чем в примере на фиг.3. В данном примере ближайшее к центру полой детали отверстие расположено ближе к центру, чем в примере на фиг.3.
В качестве материала для изготовления полых деталей подходит металл, такой как нержавеющая сталь или алюминиевый сплав, однако с точки зрения производительности и стоимости полых деталей предпочтительно использовать полимерный материал. К конкретным примерам пригодных материалов относятся полиолефины, такие как полиэтилен, полипропилен и полибутен, поливинилхлорид, сложный полиэфир, полисульфон, полиэфирсульфон, полифенилен, сополимеры ABS и AS. При изготовлении из полимерного материала полая деталь предпочтительно представляет собой формованное изделие, полученное способом инжекционного формования, что повышает точность соблюдения размеров эквивалентного диаметра впускных отверстий для сырой воды, а также качество герметизации при помощи кольцевой уплотнительной прокладки. В этом случае та поверхность полой детали, которая участвует в клеевом соединении, предпочтительно является текстурированной с целью повышения прочности клеевого соединения.
Используя любую из описанных полых деталей, распределительный входной элемент для сырой воды получают следующим образом. Комплект, состоящий из большого количества половолоконных мембран, помещают в корпус модуля, куда надлежащим образом вставляют и переходную трубу. Кроме того, в корпус модуля со стороны его нижнего конца вставляют полую деталь так, чтобы направления корпуса модуля и полой детали совпадали. В таком состоянии корпус модуля с противоположных концов заполняют клеем и дают ему затвердеть. В это время важно так регулировать количество клея, подаваемое через тот же конец, откуда вставляется полая деталь, чтобы отверстия 32 в полой детали не быть блокированы. Когда клей затвердел, каждый из противоположных концов в нужном месте обрезают, создавая поверхность, перпендикулярную длине модуля. Таким образом, полое пространство каждой из половолоконных мембран, переходной трубы и трубы 35 остается открытым и образует входной элемент подающего трубопровода распределительного входного элемента для сырой воды. Тем самым, получают половолоконный мембранный модуль.
Согласно настоящему способу производства, верхняя плоскость 31 полой детали соответствует внутренней торцевой поверхности 31 клеевого фиксирующего элемента 27 половолоконного мембранного модуля. Высота расположения верхней плоскости 31 отличается от высоты расположения внутренней торцевой поверхности 28, образованной затвердевшим клеем.
С другой стороны, согласно второму способу, описываемому ниже, верхняя плоскость 31 полой детали может размещаться на той же высоте, что и внутренняя торцевая поверхность 28 клея. В соответствии с этим способом, верхняя плоскость 31 располагается заподлицо со внутренней торцевой поверхностью 28 клея. В этом случае преимуществом является исключение мертвого пространства. Далее со ссылкой на фиг.12 описан способ производства, позволяющий разместить верхнюю плоскость 31 и внутреннюю торцевую поверхность 28 на одной и той же высоте.
Внутренняя торцевая поверхность 28 клея и верхняя плоскость 31 могут быть размещены на одной и той же высоте, например, следующим образом. Сначала готовят жидкость, такую как вода, горячая вода или органический растворитель, которая не повреждает деталей, образующих сборочный узел с половолоконным мембранным модулем. Для отливки пробок 60, временно закрывающих впускные отверстия для сырой воды, используют материал, который подвержен быстрому растворению или быстрому поглощению и диспергированию в указанной жидкости. Затем, как показано на фиг.12(2), отлитые пробки 60 вставляют во впускные отверстия для сырой воды в полой детали, показанной на фиг.12(1), аналогичные описанным выше, с целью временного блокирования этих отверстий. При этом пробки вставляют так, чтобы высота пробок, выступающих из верхней поверхности полой детали, была выше, чем высота поверхности, соответствующей клеевому фиксирующему элементу.
В таком состоянии полую деталь помещают в заданное положение в корпусе модуля 21 вместе с половолоконными мембранами, а также переходной трубой, как указано. Для выполнения клеевого соединения клей 27 заливают и отверждают так, что в клей 27 погружается вся полая деталь, но не верхние части каждой из пробок 60, как показано на фиг.12(3). Когда клей на внутренней торцевой поверхности затвердевает, конец корпуса модуля разрезают вдоль линии реза, вскрывая основание полой детали, а также половолоконные мембраны и переходную трубу. Далее приведено описание примера того, как предотвратить погружение верхней части каждой из пробок 60 под нижнюю торцевую поверхность клеевого фиксирующего элемента.
Корпус модуля, снабженный нижней головной частью, в которой имеется выходное отверстие 22, такое же, как в верхней головной части, используют для размещения пробок 60 внутри выходного отверстия 22. Затем выполняют центробежное склеивание, при котором происходит клеевая фиксация полой детали, а ненужная часть жидкой термореактивной смолы удаляется через выходное отверстие 22. Тем самым, половолоконный мембранный модуль может быть произведен так, что пробки 60 не утапливаются.
Затем, как показано на фиг.12(4), к половолоконному мембранному модулю крепят нижнюю крышку 50. Кроме того, аналогичным образом монтируют верхнюю крышку, получая сборочный узел с половолоконным мембранным модулем. Затем, как показано на фиг.12(5), жидкость 43, такую как вода, горячая вода или органический растворитель, подготовленную, как описано выше, подают в модуль через входное отверстие для сырой воды в нижней крышке. Пробки, закрывающие впускные отверстия для сырой воды, растворяются или поглощаются и диспергируются в этой жидкости и, таким образом, исчезают. Данный способ позволяет предотвратить образование ступеньки между внутренней торцевой поверхностью клея и внутренней торцевой поверхностью клеевого фиксирующего элемента. Таким образом, получают надлежащий половолоконный мембранный модуль или соответствующий сборочный узел, в котором нет мертвого пространства.
Далее даны примеры материалов, которые растворяются или поглощаются и диспергируются в жидкости, такой как вода, горячая вода или органический растворитель, не оказывая отрицательного воздействия, такого как растворение, на половолоконные мембраны и другие компоненты сборочного узла с половолоконным мембранным модулем: полисахариды и целлюлозы, такие как крахмал, ацетат целлюлозы и этилцеллюлоза и их смеси, карбонаты, гидрокарбонаты, фосфаты и ацетаты натрия и калия. При изготовлении полой детали с использованием полисахарида или целлюлозы желательно смешать этот материал с карбоксицеллюлозой и т.п., выполняющей роль связующего. Когда используется карбонат и т.п., желательно подвергнуть соль термическому растворению и налить в форму или уложить материал во влажном состоянии, а затем высушить и подвергнуть отверждению.
Кроме того, любой из описанных выше материалов может быть использован не только для изготовления пробок; также возможно следующее. Из металла или полимерного материала изготавливают только трубу полой детали, соответствующую входному элементу подающего трубопровода для сырой воды. Входной ответвляющий элемент для сырой воды изготавливают из растворимого материала. Затем, входной элемент подающего трубопровода для сырой воды и входной ответвляющий элемент для сырой воды соединяют друг с другом с образованием распределительного входного элемента для сырой воды. В качестве альтернативы, вся полая деталь, образующая распределительный входной элемент для сырой воды, может быть изготовлена с использованием любого из описанных выше материалов. В качестве альтернативы, в полую деталь могут быть предварительно вставлены пробки. Любой из этих способов обеспечивает получение надлежащего половолоконного мембранного модуля с уменьшенным падением давления.
Сырая текучая среда, используемая в контексте настоящего изобретения, предпочтительно, является водой. Произведение мутности на общее содержание органического углерода (ТОС) в сырой воде составляет, предпочтительно, 100000 единиц × мг/л или менее. Мутность сырой воды составляет, предпочтительно, 100 единиц или менее, ТОС 100 мг/л или менее.
Примеры
Далее настоящее изобретение описано со ссылкой на экспериментальные примеры, примеры и сравнительные примеры. Сравнение рабочих характеристик с обычными сборочными узлами с половолоконным мембранным модулем выполнено с использованием многосерийного испытательного устройства, в котором имеются независимые насосы для подачи сырой воды, независимые насосы для обратной промывки, общий резервуар для сырой воды и резервуар для проникающей воды (также используемый как резервуар обратной промывки). В этом испытательном устройстве имеется инвертор для управления насосами для подачи сырой воды в различных сериях и возможности регистрации энергопотребления. Кроме того, в качестве сырой воды была использована речная поверхностная вода, кроме примера 4 и сравнительного примера 3 (в примере 4 и сравнительном примере 3 испытание проводили на основе замкнутого контура с использованием модельной жидкости).
Мутность и ТОС сырой воды измеряли следующим способом.
Мутность: UV-160A, ячейка 50-мм, производства Shimadzu Corporation использовали в качестве измерительного прибора для измерения мутности в соответствии с JIS K0101 9.2. (При величине мутности 50 единиц и более сырую воду разбавляли водой.)
ТОС: ТОС-5000А производства Shimadzu Corporation использовали в качестве измерительного прибора для измерения ТОС в соответствии с JIS K0101 20.1.
Экспериментальный пример 1
3
Прежде всего, эксперименты проводили при надлежащих внутренних диаметрах впускных отверстий для сырой воды и положении и количестве этих отверстий. Как показано на фиг.13(1), подготовили трубу 72, изготовленную из поливинилхлорида, на боковой поверхности которой имеется шесть отверстий круглого сечения 73 диаметром 5 мм, расположенных на одной прямой с интервалом 10 мм, и имеющую номинальный диаметр 20 мм (наружный диаметр 26 мм, приблизительный внутренний диаметр 20 мм) в соответствии с JIS К6742. К одному из концов трубы 72 присоединили торцевую крышку 71, а к другому концу присоединили тройник 74. Таким образом, подготовили образец для испытания. К расположенному под прямым углом ответвлению тройника подсоединили манометр, а к другому ответвлению прикрепили стыковое соединение, позволяющее осуществлять подачу воды или сжатого воздуха (далее эта конструкция в совокупности именуется подающий трубопровод). Подающий трубопровод использовали для подачи 27 л/мин воды при атмосферном давлении. Вода равномерно отводилась через отверстия. В это время для обеспечения подачи 27 л/мин воды потребовалось приложить давление подачи в 19 кПа, зафиксированное манометром. Затем тот же подающий трубопровод использовали для подачи 1,2 нм/ч сжатого воздуха с давлением 200 кПа на глубине воды около 30 см. Воздух равномерно отводился через все отверстия.
Экспериментальный пример 2
3
Подготовили трубу из поливинилхлорида номинальным диаметром 20 мм, как показано на фиг.13(2), аналогичную трубе в экспериментальном примере 1 за исключением того, что на боковой поверхности этой трубы имелись отверстия круглого сечения диаметром 5,5 мм, 6,0 мм, 6,5 мм и 7,0 мм соответственно, расположенные с интервалом 15 мм. Эту тубу использовали для подачи 27 л/мин воды при атмосферном давлении. Вода равномерно отводилась через отверстия. В это время для обеспечения подачи 27 л/мин воды потребовалось приложить давление подачи в 17 кПа, зафиксированное манометром. Затем тот же подающий трубопровод использовали для подачи 1,2 нм/ч сжатого воздуха с давлением 200 кПа на глубине воды около 30 см. Воздух равномерно отводился через все отверстия.
Экспериментальный пример 3
Подготовили подающий трубопровод, показанный на фиг.13(3), с таким же диаметром отверстий круглого сечения и интервалом между отверстиями, как в экспериментальном примере 1, но с номинальным диаметром трубы 13 мм (наружный диаметр 18 мм, приблизительный внутренний диаметр 13 мм). Воду и сжатый воздух подавали так же, как в экспериментальном примере 1. При равномерной подаче воды необходимое давление подачи составило 25 кПа. Однако в случае подачи воздуха иногда нарушалось прохождение воздуха через самое дальнее от тройника отверстие.
Экспериментальный пример 4
Подготовили подающий трубопровод, показанный на фиг.13(4), с таким же диаметром отверстий круглого сечения и интервалом между отверстиями, как в экспериментальном примере 2, но с номинальным диаметром трубы 13 мм. Воду и сжатый воздух подавали так же, как в экспериментальном примере 1. При равномерной подаче воды необходимое давление подачи составило 23 кПа. Однако в случае подачи воздуха иногда нарушалось прохождение воздуха через самое дальнее от тройника отверстие.
Экспериментальный пример 5
2
2
Изготовили (из поливинилхлорида) полую деталь, аналогичную показанной на фиг.3 за исключением того, что ее нижняя поверхность 36 была открытой. К трубе 35 был присоединен тройник. Кроме того, к тройнику присоединили манометр и стыковое соединение, позволяющее осуществлять подачу воды или сжатого воздуха. В данной полой детали труба 35 представляла собой прямую трубу внутренним диаметром 26 мм. Кроме того, четыре полые пластины соединили друг с другом в форме креста. В верхней поверхности 31 каждой из полых пластин сделали отверстия 32 круглого сечения диаметром 5,5 мм, 6,0 мм, 6,5 мм и 7,0 мм, расположенные в указанном порядке от центра полой детали с интервалом 15 мм. Кроме того, полая деталь внутри полых пластин имела прямоугольное сечение по Е-Е'. Эквивалентный диаметр и площадь сечения отверстий полой детали составляли около 20 мм и 610 мм в прямоугольном сечении, ближайшем к центральной оси, и около 13 мм и 200 мм на самом дальнем от центральной оси конце.
3
3
3
3
3
Эту полую деталь использовали для подачи 5 м/ч воды при атмосферном давлении. Вода равномерно отводилась через все отверстия. В это время для обеспечения подачи 5 м/ч воды потребовалось приложить давление подачи в 4 кПа, зафиксированное манометром. Затем ту же полую деталь использовали для подачи 7 нм/ч сжатого воздуха с давлением 200 кПа на глубине воды около 50 см. Воздух равномерно отводился через все отверстия. Кроме того, даже когда расход сжатого воздуха снизили до 5 нм/ч или 3 нм/ч, воздух также отводился равномерно.
Экспериментальный пример 6
2
2
Изготовили (из поливинилхлорида) полую деталь, аналогичную показанной на фиг.4 за исключением того, что ее нижняя поверхность была открытой. К трубе был присоединен тройник. Кроме того, к тройнику присоединили манометр и стыковое соединение, позволяющее осуществлять подачу воды или сжатого воздуха. В данной полой детали труба представляла собой прямую трубу внутренним диаметром 26 мм. Кроме того, полые пластины были соединены в форме креста. В верхней поверхности 31' каждой из полых пластин сделали шесть отверстий 32 круглого сечения диаметром 5 мм с интервалом 10 мм. Кроме того, как и в случае детали, показанной на фиг.3, полая деталь внутри полых пластин представляла собой полость с прямоугольным сечением по Е-Е'. Эквивалентный диаметр и площадь сечения отверстий полой детали составляли около 22 мм и 600 мм у центральной оси и около 13 мм и 200 мм на наружном периферическом конце.
3
3
3
3
Этот распределительный входной элемент для сырой воды использовали для подачи 4,8 м/ч воды при атмосферном давлении. Вода равномерно отводилась через все отверстия. В это время для обеспечения подачи 4,8 м/ч воды потребовалось приложить давление подачи в 3 кПа, зафиксированное манометром. Затем тот же распределительный входной элемент для сырой воды использовали для подачи 5 нм/ч сжатого воздуха с давлением 200 кПа на глубине воды около 50 см. Воздух равномерно отводился через все отверстия. Кроме того, даже когда расход сжатого воздуха снизили до 3 нм/ч, воздух также отводился равномерно.
Экспериментальный пример 7
Изготовили элемент 80, показанный на фиг.14, имеющий такую же конструкцию введения воздуха, как показана на фиг.5 документа JР-U-63-111901. В экспериментальном примере 7 конструкция введения воздуха, предложенная в JР-U-63-111901, была использована в качестве впускного элемента для сырой воды и воздуха. Элемент 80 включал четыре пластины для ввода сырой воды 82 и 83, соединенные друг с другом под прямым углом, каналы для ввода сырой воды 84 и 86, представлявшие собой трубообразные пространства, просверленные в пластинах для ввода сырой воды так, чтобы они располагались под прямым углом друг к другу, и наружное кольцо 81, образующее щель, через которую сырая вода проходит из трубы 87 в канал для ввода сырой воды. К трубе 87 присоединили тройник. К тройнику присоединили манометр и стыковое соединение, позволяющее осуществлять подачу воды или сжатого воздуха. В элементе 80 наружное кольцо 81 имело внутренний диаметр 149 мм, ширина щели составляла 3 мм. Кроме того, канал для ввода сырой воды имел диаметр 8 мм.
Приемная камера для проникающей воды, в других случаях обеспечиваемая под клеевым фиксирующим элементом 85, в экспериментальном примере 7 была излишней и поэтому была исключена.
3
3
3
3
3
3
Этот элемент использовали для подачи 3,3 м/ч воды при атмосферном давлении. Вода равномерно выходила через четыре впускных отверстия. В это время для обеспечения подачи 3,3 м/ч воды потребовалось приложить давление подачи в 7,2 кПа. Ожидалось, что для обеспечения прохождения около 5 м/ч воды, как в случае экспериментальных примеров 5 и 6, потребуется избыточное давление подачи, примерно от 150 до 165 кПа. Поэтому дальнейшие эксперименты с подачей воды были остановлены. Затем давление подачи установили равным 4 кПа, как в случае экспериментальных примеров 5 и 6, расход на стороне подачи составил 0,8 м/ч. Вода не выходила из одного из четырех отверстий. Кроме того, тот же элемент использовали для подачи 5 нм/ч сжатого воздуха с давлением 200 кПа на глубине воды около 50 см. Воздух равномерно выходил через все отверстия. Кроме того, даже когда расход сжатого воздуха снизили до 3 нм/ч, воздух также отводился равномерно.
Экспериментальный пример 8
Изготовили элемент 130, показанный на фиг.20, имеющий такую же конструкцию введения воздуха, как показана на фиг.2 и 3 документа JР-U-03-119424. В экспериментальном примере 8 конструкция введения воздуха, предложенная в JР-U-03-119424, была использована в качестве впускного элемента для сырой воды и воздуха. В элементе 130 было просверлено шесть отверстий диаметром 10,5 мм каждое с интервалом 120° вдоль окружности клеевого фиксирующего элемента 133, который расположен в центре окружности диаметром 96 мм. Вторую крышку прикрепили к нижней торцевой поверхности элемента 130 через кольцевую уплотнительную прокладку при помощи фиксатора крышки 132. К фланцевой части 134 второй крышки присоединили тройник. К тройнику присоединили манометр и стыковое соединение, позволяющее осуществлять подачу воды или сжатого воздуха. В данном случае воду или сжатый воздух во вторую крышку через фланцевую часть 134 подавали через входное отверстие для сырой воды, затем вода поступала в модуль по каналу для ввода сырой воды 131.
Приемная камера для проникающей воды, в других случаях обеспечиваемая в клеевом фиксирующем элементе 133, в экспериментальном примере 8 была излишней и поэтому была исключена.
3
3
3
3
Этот элемент использовали для подачи 4,8 м/ч воды при атмосферном давлении. Вода равномерно выходила через шесть впускных отверстий. В это время необходимое давление подачи было мало, 5 кПа, как в случае экспериментальных примеров 5 и 6. Затем элемент 130 использовали для подачи 7 нм/ч сжатого воздуха с давлением 200 кПа на глубине воды около 50 см. Воздух равномерно выходил через все отверстия, но иногда в некоторых отверстиях наблюдались перебои. Кроме того, когда расход сжатого воздуха снизили до 5 нм/ч, было нарушено отведение воздуха через значительно большее число отверстий. Когда расход сжатого воздуха снизили до 3 нм/ч, из некоторых отверстий воздух не выходил.
Пример 1
Подготовили шесть тысяч половолоконных прецизионных мембран, как описано в примере 3 документа WО 02/070115. Отверстия на противоположных концах каждой из мембран герметизировали, получив комплект мембран. Кроме того, подготовили трубы из поливинилхлорида с наружным диаметром 22 мм, с приблизительным внутренним диаметром 16 мм и такой же длины, как у каждой из половолоконных мембран. Эти трубы использовали в качестве переходных труб. Комплект половолоконных мембран и две трубы одновременно вставили в корпус модуля, изготовленный из цилиндрической трубы с наружным диаметром 165 мм и с приблизительным внутренним диаметром 153 мм. Корпус модуля был изготовлен из сополимера ABS. Затем полую деталь, показанную на фиг.3, аналогичную использованной в экспериментальном примере 5, поместили у одного из концов корпуса модуля, оставив другой конец нетронутым. К каждому из противоположных концов присоединили клеевой фиксатор для центробежного литья.
После этого осуществили центробежное литье с целью клеевого соединения друг с другом половолоконных мембран, полой детали и корпуса модуля с одной стороны и половолоконных мембран, трубы и корпуса модуля с другой стороны посредством заполнения двухкомпонентной уретановой смолой. На данном этапе количество смолы для заполнения регулировали так, чтобы смола не блокировала отверстия в верхней поверхности полой детали. После того, как смола достаточно затвердела, расположенные на противоположных концах клеевые фиксаторы удалили, а противоположные концы обрезали в нужных местах. В результате, открылись, с одной стороны, торцевая поверхность с отверстиями полого пространства половолоконных мембран, переходной трубы и входного элемента подающего трубопровода распределительного входного элемента для сырой воды и, с другой стороны, торцевая поверхность с отверстиями полого пространства половолоконных мембран и переходной трубы. Таким образом, получили половолоконный мембранный модуль. Первую крышку, аналогичную представленной на фиг.5, присоединили через кольцевую уплотнительную прокладку к первой торцевой поверхности. Кроме того, на первую торцевую поверхность установили металлический крепежный фиксатор крышки и прикрепили его как гайку. Таким образом, торцевую поверхность модуля и крышку соединили непроницаемым для жидкости образом. Кроме того, вторую крышку, аналогичную представленной на фиг.2, присоединили через кольцевую уплотнительную прокладку ко второй торцевой поверхности. На вторую торцевую поверхность прикрепили как гайку металлический крепежный фиксатор крышки с целью герметизации. Таким образом, получили сборочный узел с половолоконным мембранным модулем.
2
В данном сборочном узле с половолоконным мембранным модулем степень наполнения корпуса модуля половолоконными мембранами (отношение основанной на наружном диаметре площади поперечного сечения половолоконных мембран к площади внутреннего поперечного сечения трубы, за исключением основанной на наружном диаметре площади поперечного сечения переходной трубы) составила 40%, площадь наружной поверхности мембран составила 46 м, а эффективная длина мембран - 2 м. Измерение водопроницаемости половолоконного мембранного модуля осуществляли, используя в качестве сырой воды обработанную методом ионообмена воду, проходящую через модуль с ультрафильтрующими мембранами с номинальной границей пропускания молекул массой 6000 дальтон. Результаты приведены в таблице.
3
2
3
Затем в испытательном устройстве смонтировали сборочный узел с половолоконным мембранным модулем. После этого провели оценку данного сборочного узла с половолоконным мембранным модулем с точки зрения стабильности фильтрации, используя в качестве сырой воды речную поверхностную воду с мутностью от 0,4 до 3,1 единиц, средней мутностью 1,2 единицы, ТОС от 0,32 до 1,65 мг/л и средним ТОС 0,55 мг/л. Сначала осуществили фильтрацию при заданном количестве отбираемой воды 2,2 м/день (это заданное количество отбираемой воды (м/день) определяли путем деления расхода обрабатываемого потока (м/день) на наружную площадь поверхности мембраны (м)) в течение 29 минут. Затем осуществили обратную промывку с аэрированием в течение 60 секунд. Расход при обратной промывке был таким же, как заданное количество отбираемой воды, 2,2 м/день (величина, получаемая на основе наружной площади поверхности мембраны). Количество воздуха, идущего от распределительного входного элемента у основания модуля, составляло 5 нм/ч. Этот цикл непрерывно повторяли. В течение 10 дней или больше имело место небольшое межмембранное дифференциальное давление около 40 кПа, что указывает на стабильность функционирования. Поскольку стабильная фильтрация оказалась возможной в течение 10 дней или дольше, этот цикл продолжили при заданном количестве отбираемой воды и расходе при обратной промывке, увеличенном до 2,7 м/день. Затем, несмотря на повышение межмембранного дифференциального давления с 50 до 60 кПа, стабильное функционирование было возможно в течение 10 дней или дольше. После этого проведение оценки приостановили, а затем возобновили при заданном количестве отбираемой воды и расходе при обратной промывке 2,7 м/день. Стабильное функционирование было возможно в течение 10 дней или дольше при сохранении межмембранного дифференциального давления на уровне 50-60 кПа. Результаты показаны на фиг.15.
Пример 2
Подготовили шесть тысяч половолоконных прецизионных мембран, как описано в примере 3 документа WО 02/070115, и объединили в комплект. Отверстия на противоположных концах каждой из мембран герметизировали. Затем подготовили двойную трубу неправильной формы, изготовленную из поливинилхлорида. Эта двойная труба неправильной формы представляла собой цилиндр с наружным диаметром 165 мм и приблизительным внутренним диаметром 153 мм. Эта двойная труба неправильной формы заключала в себе переходный элемент для проникающей воды с отверстием веретенообразной формы и перпендикулярным к длине поперечным сечением с большим диаметром 56 мм и меньшим диаметром 11 мм. На наружной окружности каждого из противоположных концов двойной трубы установили стандартное обжимное кольцо 6,5S. На этом этапе в двойную трубу вставили комплект половолоконных мембран. Сто двадцать отверстий диаметром 6 мм были сделаны на боковой поверхности головной части у одного из концов двойной трубы неправильной формы. Эти отверстия соединяли пространство снаружи боковой поверхности с пространством, в которое помещены половолоконные мембраны. Кроме того, с противоположного конца вставили такую же полую деталь, как и использованная в экспериментальном примере 6. К каждому из противоположных концов присоединили клеевой фиксатор для центробежного литья.
После этого осуществили центробежное литье с целью клеевого соединения друг с другом половолоконных мембран и корпуса модуля с одной стороны и половолоконных мембран, корпуса модуля и полой детали с другой стороны посредством заполнения двухкомпонентной уретановой смолой и ее отверждения. После того, как смола достаточно затвердела, расположенные на противоположных концах клеевые фиксаторы удалили, а противоположные концы обрезали в нужных местах. В результате, открылись, с одной стороны, торцевая поверхность с отверстиями полого пространства половолоконных мембран, переходного элемента для проникающей воды и входного элемента подающего трубопровода и, с другой стороны, торцевая поверхность с отверстиями полого пространства половолоконных мембран и переходного элемента для проникающей воды. Таким образом, получили половолоконный мембранный модуль. Первую крышку, показанную на фиг.6, присоединили через кольцевую уплотнительную прокладку к одному из концов половолоконного мембранного модуля и зафиксировали. Таким образом, торцевая поверхность модуля и крышка были соединены непроницаемым для жидкости образом. Кроме того, крышку, показанную на фиг.1, присоединили аналогично через кольцевую уплотнительную прокладку и зафиксировали на другой торцевой поверхности. Помимо этого, к половолоконному мембранному модулю через кольцевую уплотнительную прокладку присоединили камеру 12 для концентрированной воды, показанную на фиг.11 и включающую выходной штуцер для концентрированной воды. Таким образом, получили сборочный узел с половолоконным мембранным модулем.
2
2
В данном сборочном узле с половолоконным мембранным модулем степень наполнения корпуса модуля половолоконными мембранами (отношение основанной на наружном диаметре площади поперечного сечения половолоконных мембран к площади внутреннего поперечного сечения трубы, за исключением основанной на наружном диаметре площади поперечного сечения переходной трубы) составила 40%, площадь наружной поверхности мембран составила 46 м, а эффективная длина мембран - 2 м. Площадь внутреннего поперечного сечения переходного элемента для проникающей воды веретенообразной формы составила около 400 м. Измерение водопроницаемости половолоконного мембранного модуля осуществляли, используя в качестве сырой воды обработанную методом ионообмена воду, проходящую через модуль с ультрафильтрующими мембранами с номинальной границей пропускания молекул массой 6000 дальтон. Результаты приведены в таблице 1.
Пример 3
Подготовили пять тысяч восемьсот половолоконных прецизионных мембран, как описано в примере 1 документа WО 07/043553. Отверстия на противоположных концах каждой из мембран герметизировали, получив комплект мембран. Изготовили половолоконный мембранный модуль такой же конструкции, как в примере 1, за исключением типа половолоконной ультрафильтрующей мембраны, внутреннего/наружного диаметра мембраны и количества использованных для наполнения модуля мембран. Первую и вторую крышки присоединили к соответствующим концам половолоконного мембранного модуля с получением сборочного узла с половолоконным мембранным модулем.
2
В данном сборочном узле с половолоконным мембранным модулем степень наполнения корпуса модуля половолоконными мембранами составила 40%, площадь наружной поверхности мембран составила 46 м, а эффективная длина мембран - 2 м. Измерение водопроницаемости половолоконного мембранного модуля осуществляли, используя в качестве сырой воды обработанную методом ионообмена воду, проходящую через модуль с ультрафильтрующими мембранами с номинальной границей пропускания молекул массой 6000 дальтон. Результаты приведены в таблице.
3
2
3
Затем этот сборочный узел с половолоконным мембранным модулем установили в испытательном устройстве и провели оценку данного сборочного узла с половолоконным мембранным модулем с точки зрения стабильности фильтрации, используя в качестве сырой воды речную поверхностную воду с мутностью от 0,5 до 9,7 единиц, средней мутностью 1,5 единицы, ТОС от 0,35 до 1,83 мг/л и средним ТОС 0,58 мг/л. Сначала осуществили фильтрацию при заданном количестве отбираемой воды 2,7 м/день (это заданное количество отбираемой воды (м/день) определяли путем деления расхода обрабатываемого потока (м/день) на наружную площадь поверхности мембраны (м)) в течение 29 минут. Затем осуществили обратную промывку с аэрированием в течение 60 секунд. Расход при обратной промывке был таким же, как заданное количество отбираемой воды, 2,7 м/день (величина, получаемая на основе наружной площади поверхности мембраны). Количество воздуха, идущего от распределительного входного элемента у основания модуля, составляло 5 нм/ч. Этот цикл непрерывно повторяли. В течение 20 дней имело место небольшое межмембранное дифференциальное давление около 50 кПа, что указывает на стабильность функционирования. Поскольку стабильная фильтрация оказалась возможной в течение 20 дней, этот цикл продолжили при заданном количестве отбираемой воды и расходе при обратной промывке, увеличенном до 3,3 м/день. Затем, несмотря на повышение межмембранного дифференциального давления с 60 до 70 кПа, стабильное функционирование было возможно в течение еще 20 дней или дольше. Результаты показаны на фиг.18.
Пример 4
Подготовили одну тысячу семьсот половолоконных прецизионных мембран, как описано в примере 2 документа WО 07/043553. Отверстия на противоположных концах каждой из мембран герметизировали, получив комплект мембран. Кроме того, подготовили одну трубу из поливинилхлорида с наружным диаметром 18 мм, с приблизительным внутренним диаметром 13 мм и такой же длины, как у каждой из половолоконных мембран. Противоположные концы трубы герметизировали. Эту трубу использовали в качестве переходной трубы. Комплект половолоконных мембран и трубу одновременно вставили в корпус модуля, изготовленный из цилиндрической трубы с наружным диаметром 89 мм и с приблизительным внутренним диаметром 83 мм. Корпус модуля был изготовлен из поливинилхлорида. Затем полую деталь, показанную на фиг.3, аналогичную использованной в экспериментальном примере 5, поместили у одного из концов корпуса модуля (размер корпуса модуля отличался от размера корпуса в примерах 1 и 3), оставив другой конец нетронутым. К каждому из противоположных концов присоединили клеевой фиксатор для центробежного литья.
После этого осуществили центробежное литье с целью клеевого соединения друг с другом половолоконных мембран, трубы, полой детали и корпуса модуля с одной стороны и половолоконных мембран, трубы и корпуса модуля с другой стороны посредством заполнения двухкомпонентной уретановой смолой. На данном этапе в виде цилиндрических деталей отлили смесь равного количества (по объему) выпускаемой серийно бумажной глины и этилцеллюлозы, каковые детали затем вставили во впускные отверстия. Цилиндрические детали приклеили.
После того, как смола достаточно затвердела, расположенные на противоположных концах клеевые фиксаторы удалили, а противоположные концы обрезали в нужных местах. В результате, открылись, с одной стороны, торцевая поверхность с отверстиями полого пространства половолоконных мембран, переходной трубы и входного элемента подающего трубопровода распределительного входного элемента для сырой воды и, с другой стороны, торцевая поверхность с отверстиями полого пространства половолоконных мембран и переходной трубы. Таким образом, получили половолоконный мембранный модуль. Первую крышку, аналогичную представленной на фиг.5, присоединили через кольцевую уплотнительную прокладку к первой торцевой поверхности. Кроме того, на первую торцевую поверхность установили металлический крепежный фиксатор крышки и прикрепили его как гайку. Таким образом, торцевую поверхность модуля и крышку соединили непроницаемым для жидкости образом. Кроме того, вторую крышку, аналогичную крышке 10, представленной на фиг.1, присоединили через кольцевую уплотнительную прокладку ко второй торцевой поверхности. На вторую торцевую поверхность прикрепили как гайку металлический крепежный фиксатор крышки с целью герметизации. В полученный таким образом сборочный узел с половолоконным мембранным модулем через выходной штуцер для концентрированной воды налили 50%-ный по массе водный раствор этанола. Сборочный узел с половолоконным мембранным модулем оставили на ночь для растворения этилцеллюлозного компонента формованных деталей, изготовленных из смеси бумажной глины и этилцеллюлозы и блокирующих впускные отверстия. После выдерживания сборочного узла с половолоконным мембранным модулем в течение ночи, осуществили обратную промывку, подавая обработанную методом ионообмена воду со стороны первой крышки под давлением 100 кПа. Таким образом, оставшийся компонент - бумажная глина - был диспергирован и выведен, открыв путь для движения сырой воды от входного элемента подающего трубопровода к впускным отверстиям через входной ответвляющий элемент.
2
В данном сборочном узле с половолоконным мембранным модулем степень наполнения корпуса модуля половолоконными мембранами (отношение основанной на наружном диаметре площади поперечного сечения половолоконных мембран к площади внутреннего поперечного сечения трубы, за исключением основанной на наружном диаметре площади поперечного сечения переходной трубы) составила 40%, площадь наружной поверхности мембран составила 13 м, а эффективная длина мембран - 2 м. Измерение водопроницаемости половолоконного мембранного модуля осуществляли, используя в качестве сырой воды обработанную методом ионообмена воду, проходящую через модуль с ультрафильтрующими мембранами с номинальной границей пропускания молекул массой 6000 дальтон. Результаты приведены в таблице.
3
Затем данный сборочный узел с половолоконным мембранным модулем установили в лабораторном испытательном устройстве (замкнутое испытательное устройство, в котором осуществляется возврат воды, переполняющей резервуар для отфильтрованной воды и воды, отводимой при физической промывке, такой как обратная промывка, в резервуар для сырой воды). В качестве сырой воды использовали модельную жидкость (смесь раствора гуминовой кислоты и бентонита (для ее приготовления использовали гуминовую кислоту с концентрацией 100 мг/л по ТОС, и бентонит с концентрацией 100 единиц по мутности)). Поскольку компоненты, создающие мутность, и компоненты, учитываемые как ТОС, улавливаются комплектом половолоконных мембран, в результате чего мутность сырой воды и величина ТОС уменьшается, в резервуаре для сырой воды периодически измеряли мутность и ТОС. Когда каждая из этих величин - мутности и ТОС - становилась меньше чем 70% начальной величины, в сырую воду добавляли гуминовую кислоту и/или бентонит для проведения оценки. Фильтрацию сырой воды при заданном количестве отбираемой воды 2,8 м/день осуществили в течение девяти минут. Затем осуществили обратную промывку с аэрированием в течение 60 секунд. Расход при обратной промывке был таким же, как заданное количество отбираемой воды, 2,8 м/день. Количество воздуха, идущего от распределительного входного элемента у основания модуля, составляло 1,5 нм/ч. Этот цикл непрерывно повторяли. Стабильное функционирование было достигнуто при межмембранном дифференциальном давлении от 40 до 60 кПа. Результаты показаны на фиг.19.
Сравнительный пример 1
Способ, описанный в примере 1, повторили аналогичным образом с начала до операции клеевого соединения за исключением следующего. Количество половолоконных прецизионных мембран, помещенных в модуль, составило 6300. С одной стороны половолоконных микрофильтрующих мембран герметизацию полого пространства мембран не осуществляли, поэтому когда после затвердевания клея противоположные концы мембран обрезали в нужных местах, в образовавшейся в результате обрезания поверхности отсутствовали отверстия полого пространства мембран. Вместо полой детали в комплекте половолоконных мембран разместили и закрепили при помощи клея 24 полых объекта, изготовленных из полиэтилена и имеющих наружный диаметр 11 мм, как показано на фиг.16. Переходный элемент отсутствовал. С другой стороны полые пространства половолоконных мембран герметизировали и прикрепили к соответствующему концу клеевого фиксатора.
Затем осуществили центробежное литье для клеевого соединения друг с другом половолоконных мембран, корпуса модуля и полых объектов с одной стороны модуля и половолоконных мембран и корпуса модуля с другой стороны посредством заполнения двухкомпонентной уретановой смолой. На данном этапе количество смолы для заполнения регулировали так, чтобы в смолу не погружалось пространство вокруг вершины каждого из полых объектов. После того, как смола достаточно затвердела, расположенные на противоположных концах клеевые фиксаторы удалили, а противоположные концы обрезали в нужных местах, открывая поверхность с отверстиями. Кроме того, в одном из концов удалили 24 полых объекта. Таким образом, на одном конце получили торцевую поверхность с отверстиями полого пространства половолоконных мембран и 24 впускными отверстиями для сырой воды или воздуха для подачи сырой воды. С другой стороны получили торцевую поверхность с отверстиями полого пространства половолоконных мембран. Таким образом, был изготовлен модуль для сравнения. Крышку, аналогичную второй крышке 10, представленной на фиг.1, присоединили через кольцевую уплотнительную прокладку к каждому из противоположных концов этого модуля для сравнения и закрепили как гайку. Таким образом, получили сборочный узел с модулем для сравнения.
В данном сборочном узле с модулем для сравнения проникающую воду отбирали только с одной стороны половолоконных мембран. Степень наполнения корпуса модуля половолоконными мембранами составила 40%. Измерение водопроницаемости модуля для сравнения осуществляли, используя в качестве сырой воды обработанную методом ионообмена воду, проходящую через модуль с ультрафильтрующими мембранами с номинальной границей пропускания молекул массой 6000 дальтон. Результаты приведены в таблице.
3
2
3
Затем данный модуль для сравнения установили в том же испытательном устройстве, что и в примере 1, и осуществили испытание на стабильность фильтрации параллельно. Сначала фильтрацию осуществляли при заданном количестве отбираемой воды 2,2 м/день (это заданное количество отбираемой воды (м/день) определяли путем деления расхода обрабатываемого потока (м/день) на наружную площадь поверхности мембраны (м)) в течение 29 минут. Затем осуществили обратную промывку с аэрированием в течение 60 секунд. Расход при обратной промывке был таким же, как заданное количество отбираемой воды, 2,2 м/день (величина, получаемая на основе наружной площади поверхности мембраны). Количество воздуха, идущего от входного отверстия для сырой воды, и воздуха у основания модуля, составляло 5 нм/ч. Этот цикл непрерывно повторяли. Стабильное функционирование было возможно в течение 10 дней или больше, однако необходимое межмембранное дифференциальное давление составило около 80 кПа, что в два раза больше, чем межмембранное дифференциальное давление в примере 1. Несмотря на относительно высокое межмембранное дифференциальное давление, около 80 кПа, было достигнуто стабильное функционирование. Таким образом, этот цикл продолжили снова при заданном количестве отбираемой воды и расходе при обратной промывке, увеличенном до 2,7 м/день. В этом случае стабильное функционирование было возможно в течение 10 дней или больше, однако необходимое межмембранное дифференциальное давление составило от 80 до 100 кПа, что в 1,6 раза больше, чем межмембранное дифференциальное давление в примере 1.
Выполнение оценки приостановили, а затем возобновили при прежнем заданном количестве отбираемой воды и расходе при обратной промывке 2,7 м/день. Стабильное функционирование также было возможно в течение 10 дней или дольше. Однако, как и перед остановкой, межмембранное дифференциальное давление составило от 70 до 90 кПа, что примерно в 1,6 раза больше, чем межмембранное дифференциальное давление в примере 1. Результаты показаны на фиг.15.
Кроме того, когда заданное количество отбираемой воды было равно 2,2 м/день, а энергопотребление в сравнительном примере 1 было принято за 100, энергопотребление в примере 1 было равно 59. Кроме того, когда заданное количество отбираемой воды было равно 2,7 м/день, а энергопотребление в сравнительном примере 1 было принято за 100, энергопотребление в примере 1 было равно 71. Это означает, что в примере 1 при каждом из значений заданного количества отбираемой воды возможно отведение проникающей воды с энергопотреблением, составляющим 59 или 71% от потребления в известном уровне техники.
Сравнительный пример 2
Подготовили одну трубу из поливинилхлорида наружным диаметром 32 мм, приблизительным диаметром 25 мм и длиной 2 м. В трубе было просверлено большое количество круглых отверстий диаметром 2 мм, один конец трубы был закупорен. Эту трубу использовали в качестве подающего трубопровода для сырой воды. Кроме того, как и в примере 1, подготовили две трубы из поливинилхлорида наружным диаметром 22 мм, приблизительным внутренним диаметром 16 мм и такой же длины, как каждая из половолоконных мембран, оба конца труб были закупорены. Эти трубы использовали в качестве переходных труб. Кроме этих трех труб, подготовили пять тысяч шестьсот половолоконных микрофильтрующих мембран, как описано в примере 2 документа WО 07/043553, которые использовали в примере 3, противоположные концы каждой из мембран герметизировали, получив комплект мембран. Половолоконные микрофильтрующие мембраны и описанные выше три трубы соединили друг с другом с получением половолоконного мембранного модуля, как в примерах 1 и 3. На этом этапе трубу с наружным диаметром 32 мм и используемую в качестве подающего трубопровода для сырой воды установили в центре корпуса модуля. Первую крышку через кольцевую уплотнительную прокладку присоединили к тому концу, где труба подающего трубопровода для сырой воды была открыта. Вторую крышку через кольцевую уплотнительную прокладку присоединили к тому концу, где труба подающего трубопровода для сырой воды была закупорена. Первую и вторую крышку уплотнили при помощи металлического крепежного фиксатора. Таким образом, получили сборочный узел с половолоконным мембранным модулем настоящего сравнительного примера.
В данном сборочном узле с модулем для сравнения проникающую воду отбирали через оба противоположных конца половолоконных мембран. Однако сырую воду подавали из подающего трубопровода для сырой воды через многочисленные отверстия, расположенные вдоль всей длины каждой из половолоконных мембран от центра к наружной окружности комплекта мембран в направлении, перпендикулярном половолоконным мембранам и комплекту половолоконных мембран.
Степень наполнения корпуса модуля половолоконными мембранами составила 41%. Как и в примере 3, измерение водопроницаемости модуля для сравнения осуществляли, используя в качестве сырой воды обработанную методом ионообмена воду, проходящую через модуль с ультрафильтрующими мембранами с номинальной границей пропускания молекул массой 6000 дальтон. Результаты приведены в таблице.
3
2
3
Затем данный модуль для сравнения установили в том же испытательном устройстве, что и в примере 3, и параллельно подвергли испытанию на стабильность фильтрации. Сначала фильтрацию осуществляли при заданном количестве отбираемой воды 2,7 м/день (это заданное количество отбираемой воды (м/день) определяли путем деления расхода обрабатываемого потока (м/день) на наружную площадь поверхности мембраны (м)) в течение 29 минут. Затем осуществили обратную промывку с аэрированием в течение 60 секунд. Расход при обратной промывке был таким же, как заданное количество отбираемой воды, 2,2 м/день (величина, получаемая на основе наружной площади поверхности мембраны). Количество воздуха, идущего от входного отверстия для сырой воды и воздуха у основания модуля, составляло 5 нм/ч. Этот цикл непрерывно повторяли. Межмембранное дифференциальное давление было неизменно равно 55 кПа в течение первых пяти дней испытания, но затем стало увеличиваться. На 20-й день испытания межмембранное дифференциальное давление возросло до 110 кПа. Поэтому оценку при заданном количестве отбираемой воды, равном 3,3 м/день, как в примере 3, приостановили. Половолоконный мембранный модуль для сравнения разобрали и проверили на предмет накопления компонентов, создающих мутность воды, в комплекте половолоконных мембран. На наружной периферийной части комплекта половолоконных мембран таких компонентов оказалось мало. Напротив, много создающих мутность компонентов осело непосредственно у центра комплекта, соответствующего стороне подачи сырой воды.
Сравнительный пример 3
Способ, описанный в примере 4, повторили аналогичным образом с начала до операции клеевого соединения за исключением следующего. Количество половолоконных прецизионных мембран, помещенных в модуль, составило 1800. С одной стороны половолоконных микрофильтрующих мембран герметизацию полого пространства мембран не осуществляли, поэтому когда после затвердевания клея противоположные концы мембран обрезали в нужных местах, в образовавшейся в результате обрезания поверхности отсутствовали отверстия полого пространства мембран. Вместо полой детали в комплекте половолоконных мембран разместили и закрепили при помощи клея 5 полых объектов, изготовленных из полиэтилена и имеющих наружный диаметр 11 мм, как показано на фиг.16. Переходный элемент отсутствовал. С другой стороны полые пространства половолоконных мембран герметизировали, к соответствующему концу прикрепили клеевой фиксатор.
Затем осуществили центробежное литье для клеевого соединения друг с другом половолоконных мембран, корпуса модуля и полых объектов с одной стороны модуля и половолоконных мембран и корпуса модуля с другой стороны посредством заполнения двухкомпонентной уретановой смолой и ее отверждения. На данном этапе количество смолы для заполнения регулировали так, чтобы в смолу не погружалось пространство вокруг вершины каждого из полых объектов. После того, как смола достаточно затвердела, расположенные на противоположных концах клеевые фиксаторы удалили, а противоположные концы обрезали в нужных местах, открывая поверхность с отверстиями. Кроме того, в одном из концов удалили 5 полых объектов. Таким образом, на одном конце получили торцевую поверхность с отверстиями полого пространства половолоконных мембран и 5 впускных отверстий для сырой воды или воздуха для подачи сырой воды. С другой стороны получили торцевую поверхность с отверстиями полого пространства половолоконных мембран. Таким образом, получили модуль для сравнения. Крышку, аналогичную второй крышке 10, представленной на фиг.1, присоединили через кольцевую уплотнительную прокладку к каждому из противоположных концов этого модуля для сравнения и закрепили как гайку, как в примере 4. Таким образом, получили сборочный узел с модулем для сравнения.
В данном сборочном узле с модулем для сравнения проникающую воду отбирали только с одной стороны половолоконных мембран. Степень наполнения корпуса модуля половолоконными мембранами составила 41%. Измерение водопроницаемости модуля для сравнения осуществляли, используя в качестве сырой воды обработанную методом ионообмена воду, проходящую через модуль с ультрафильтрующими мембранами с номинальной границей пропускания молекул массой 6000 дальтон. Результаты приведены в таблице.
Затем данный модуль для сравнения установили в лабораторном испытательном устройстве параллельно со сборочным узлом с половолоконным мембранным модулем примера 4. После этого осуществили испытание на стабильность фильтрации. Стабильное функционирование было возможно при межмембранном дифференциальном давлении от 60 до 100 кПа. Это означает, что межмембранное дифференциальное давление в процессе фильтрации было в 1,5 раза больше, чем межмембранное дифференциальное давление в примере 4.
(Параметр)
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Сравни-тельный пример 1
Сравни-тельный пример 2
Сравни-тельный пример 3
Межмембранное дифференциальное давление, кПа
24,0
25,0
22,0
24,0
27,0
24,0
25,0
Интенсивность потока чистой воды, м<sup>3</sup>/ч при 25°С
8,8
8,9
12,8
3,3
6,4
13,0
2,0
Эквивалентная интенсивность потока чистой воды, м<sup>3</sup>/ч при 100 кПа и 25°С
36,7
35,2
58,2
14,0
24,1
54,2
7,9
Половолоконный мембранный модуль и сборочный узел с ним, соответствующие настоящему изобретению, могут быть использованы в различных областях, однако особенно предпочтительно использовать их для обработки воды, такой как речная вода, озерная вода, вода в русле реки и т.п.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где
фиг.1 представляет собой схему сечения одного из примеров сборочного узла с половолоконным мембранным модулем, отражающего его конструкцию;
фиг.2(1) представляет собой чертеж, отражающий передний угол, фиг.2(2) представляет собой сечение половолоконного мембранного модуля по А-А' на фиг.2(1);
фиг.3(1) представляет собой схематический вид сверху одного из примеров полой детали, фиг.3(2) представляет собой сечение по С-С' на фиг.3(1), схематически отображающее пример полой детали, на фиг.3(3) представлен вид спереди данного примера полой детали, фиг.3(4) представляет собой сечение по D-D' на фиг.3(3), схематически отображающее данный пример полой детали, фиг.3(5) представляет собой вид снизу, схематически отображающий данный пример полой детали;
фиг.4(1) представляет собой схематический вид сверху другого примера полой детали, на фиг.4(2) представлен вид спереди данного примера полой детали, фиг.4(3) представляет собой сечение по F-F' на фиг.4(1), схематически отображающее данный пример полой детали, фиг.4(4) представляет собой вид снизу, схематически отображающий данный пример полой детали;
фиг.5(1) представляет собой вид сверху, схематически отображающий один из примеров первой крышки, на фиг.5(2) представлен вид спереди, схематически отображающий данный пример первой крышки, фиг.5(3) представляет собой сечение по G-G' на фиг.5(1), схематически отображающее данный пример первой крышки, фиг.5(4) представляет собой вид снизу, схематически отображающий данный пример первой крышки;
фиг.6(1) представляет собой вид сверху, схематически отображающий другой пример первой крышки, на фиг.6(2) представлен вид спереди, схематически отображающий данный пример первой крышки, фиг.6(3) представляет собой сечение по Н-Н' на фиг.6(1), схематически отображающее данный пример первой крышки, фиг.6(4) представляет собой вид снизу, схематически отображающий данный пример первой крышки;
На фиг.7 представлена принципиальная схема, отображающая поток жидкости в ходе нормального режима фильтрации с использованием сборочного узла с половолоконным мембранным модулем;
На фиг.8 представлена принципиальная схема, отображающая поток жидкости в ходе обратной промывки с использованием сборочного узла с половолоконным мембранным модулем;
На фиг.9 представлена принципиальная схема, отображающая поток жидкости в случае, когда в ходе обратной промывки сырую воду отводят через входное отверстие для сырой воды 43;
На фиг.10 представлена принципиальная схема, отображающая поток жидкости в ходе обратной промывки аэрированием с использованием сборочного узла с половолоконным мембранным модулем;
На фиг.11 представлена принципиальная схема, отображающая поток жидкости в ходе нормального режима фильтрации для случая, когда в качестве корпуса модуля использована двойная труба неправильной формы;
На фиг.12 представлена серия схем, поясняющих способ производства, позволяющий разместить на одинаковой высоте торцевую поверхность клея и внутреннюю торцевую поверхность;
На фиг.13 представлена принципиальная схема образцов для испытания, использованных в экспериментальных примерах 1-4;
На фиг.14 представлена принципиальная схема элемента 80, использованного в экспериментальном примере 7;
фиг.15 представляет собой график, отображающий результаты испытаний на стабильность фильтрации в примере 1 и сравнительном примере 1;
На фиг.16 представлена принципиальная схема полого объекта, использованного в сравнительном примере 1;
фиг.17 представляет собой схему сечения обычного сборочного узла с модулем для сравнения, отражающего его конструкцию;
фиг.18 представляет собой график, отображающий результаты испытаний на стабильность фильтрации в примере 3 и сравнительном примере 2;
фиг.19 представляет собой график, отображающий результаты испытаний на стабильность фильтрации в экспериментальном примере 4 и сравнительном примере 3;
На фиг.20 представлена принципиальная схема элемента 130, использованного в экспериментальном примере 8;
На фиг.21 представлено сечение, отображающее один из примеров двойной трубы неправильной формы;
На фиг.22 представлено сечение, отображающее один из примеров двойной трубы неправильной формы;
На фиг.23 представлено сечение, отображающее один из примеров двойной трубы неправильной формы;
На фиг.24 представлено сечение, отображающее один из примеров двойной трубы неправильной формы;
На фиг.25 представлено сечение, отображающее один из примеров двойной трубы неправильной формы;
На фиг.26 представлена принципиальная схема, поясняющая, как увеличивается внутреннее поперечное сечение входного ответвляющего элемента для сырой воды, а также впускных отверстий для сырой воды, где фиг.26(1) представляет собой вид сверху, фиг.26(2) представляет собой вид спереди, фиг.26(3) представляет собой сечение по J-J', фиг.26(4) представляет собой сечение по K-K'.
Описание номеров позиций на чертежах
1 Сборочный узел с половолоконным мембранным модулем
10 Вторая крышка
11 Фланец
12 Чаша
13 Отверстие для отбора проникающей воды
14 Внутреннее пространство крышки
15 Кольцевая уплотнительная прокладка
20 Половолоконный мембранный модуль
22 Выходное отверстие для концентрированной воды или воздуха
23 Внутреннее пространство модуля
24 Половолоконная мембрана
25 Переходная труба
26 (Верхний) клеевой фиксирующий элемент
27 (Нижний) клеевой фиксирующий элемент
28 Торцевая поверхность клея
29 Наружная торцевая поверхность
30 Коническая поверхность
31, 31' Внутренняя торцевая поверхность или верхняя плоскость полой пластины
32, 32' Впускное отверстие для сырой воды
33 Входной ответвляющий элемент для сырой воды
34 Пространство, выполняющее роль входного элемента подающего трубопровода
35 Труба
36 Нижняя поверхность
37, 38 Полые пластины
39 Центрирующее ребро
40 Фланец
40' Нижний конец
41 Чаша
42 Выступающая часть, соединенная с входным элементом подающего трубопровода
43 Входное отверстие для сырой воды
44 Камера для проникающей воды
45 Кольцевой элемент
46 Кольцевая канавка
48, 48' Труба
50 Первая крышка
51, 52 Крепежный фиксатор крышки
60 Пробка
70 Испытательный образец
71 Торцевая крышка
72 Труба
73 Отверстие круглого сечения
74 Тройник
80 Элемент
81 Наружное кольцо
82, 83 Пластины для ввода сырой воды
84, 86 Каналы для ввода сырой воды
85 Клеевой фиксирующий элемент
87 Труба
88 Отверстие для ввода сырой воды
90 Полый объект
100 Сборочный узел модуля для сравнения
101, 103 Вторая крышка
102 Модуль для сравнения
104 Корпус модуля
105 Половолоконная мембрана
106, 107 Клеевой фиксирующий элемент
108 Впускное отверстие для сырой воды
110 Входное отверстие для сырой воды
111 Выходной штуцер для концентрированной воды или воздуха
112 Отборное отверстие для проникающего потока воды
120, 121 Крепежный фиксатор крышки
130 Элемент
131 Канал для ввода сырой воды
132 Крепежный фиксатор крышки
133 Клеевой фиксирующий элемент
134 Фланцевая часть
135 Входное отверстие для сырой воды
141 Первая область, в которой располагаются половолоконные мембраны
142 Вторая область, выполняющая роль переходного элемента для проникающей воды