ФИЛЬТРАЦИОННЫЙ МОДУЛЬ С КАПИЛЛЯРНОЙ МЕМБРАНОЙ
FILTRATION MODULE WITH CAPILLARY MEMBRANE

Область техники
[0001] Изобретение относится к фильтру для водоподготовки с капиллярной мембраной с движением фильтруемого материала снаружи внутрь.
Известный уровень техники
[0002] Фильтры для водоподготовки с капиллярными мембранами для ультра- или микрофильтрации (сверхтонкой фильтрации), у которых мельчайшие поры располагаются по наружной стороне (так называемые капиллярные мембраны с движением фильтруемого материала снаружи внутрь), производят фильтрацию неочищенной воды путем создания более низкого давления на стороне внутреннего диаметра (в просвете). Фильтрат циркулирует в направлении от наружного диаметра к просвету, но примеси скапливаются снаружи и удаляются с помощью средств воздушной очистки и/или обратного импульса. Это требует хорошего контакта между пузырьками воздуха и капиллярной мембраной. Также важно избежать захвата увлекаемых примесей и разработать достаточно экономичную конструкцию. Уже были предложены различные конструкции модулей, призванные отвечать указанным требованиям.
[0003] В патенте № US 5,248,424 описан модуль капиллярных мембран, имеющий слой мембран, герметично заделанных по обоим концам в специальные головки, служащие коллектором для сбора фильтрата. Мембраны установлены с возможностью свободного перемещения и имеют форму дуги над горизонтальной плоскостью, проходящей через обе головки. Однако эта конструкция страдает тем недостатком, что в горизонтальном слое мембран легко скапливаются взвешенные твердые частицы.
[0004] В патенте № US 5,783,083 описан модуль с капиллярной мембраной/трубчато-волокнистой мембраной, где оба конца волокна заделаны в головки, из которых по меньшей мере одна служит коллектором для сбора фильтрата. Трубчатое волокно образует вертикальную цилиндрическую прядь. Длину волокна выбирают на 0,1-5% больше фиксированного расстояния между головками, чтобы дать волокнам возможность некоторого смещения. Предусмотрена промывка путем продувки воздуха между волокнами. Чтобы обеспечить строго определенное расстояние между волокнами в коллекторе, концы волокон закрепляют на гибкой опоре и наматывают спирально перед герметичной заделкой их в трубке. Заделывают волокна в обе головки практически одинаково, с той разницей, что в случае использования для сбора фильтрата лишь одной головки, просвет волокон открыт только на одном конце. При такой конфигурации существует опасность захвата примесей в верхней головке, что препятствовало бы свободной циркуляции воздуха и неочищенной воды в верхней части модуля.
[0005] Для предотвращения захвата примесей была разработана описанная в патенте № WO 02/22244 вертикальная прядь из капиллярных мембран, которая заделана только в одну головку на нижней стороне. Просвет на концах капиллярных мембран на верхней стороне закрыт только герметизирующим материалом. Капиллярные мембраны подвижны, так что в верхней части не существует препятствий, которые могли бы захватывать примеси, содержащиеся в неочищенной воде. Наружные поверхности капиллярных мембран очищают посредством вдувания воздуха в коллектор в нижней части (воздушной очистки).
[0006] При создании устройства согласно документу № ЕР 0931582 была поставлена цель разработать трубчато-волоконный мембранный модуль с высокой степенью интеграции посредством герметичной заделки концов плоского слоя волокон в раскрыв трубки. По меньшей мере, на одной стороне просвет на конце волокон остается открытым, так что трубка выполняет функцию коллектора фильтрата. Заделка производится путем создания затвора по периметру раскрыва коллектора и заполнения этого затвора герметизирующим материалом, например полиуретаном. Каждый слой заделывается в отдельную головку.
[0007] Некоторые конструкции модулей из числа описанных выше имеют плоский слой капиллярных мембран или трубчатых волокон, которые получают, как правило, в ходе непрерывного технологического процесса. В документе № ЕР 0931582 описан метод создания такого слоя в виде трикотажного полотна из трубчатых волокон. В патенте №US 5,716,689 мембраны помещают бок о бок, а на них с некоторым фиксированным интервалом наносят клейкие ленты. Затем мембраны разрезают рядом с указанными лентами, а эти последние собирают в трубчато-волоконный мат, сводя вместе полоски на разных концах мембраны, в результате чего образуется петля из трубчатых волокон.
Цели изобретения
[0008] Цель настоящего изобретения - разработать новую конструкцию фильтрационного модуля на основе плоских вертикальных слоев капиллярных мембран, которые легко поддавались бы воздушной очистке и были бы менее склонны к захвату примесей.
Краткое изложение сущности изобретения
[0009] Предметом изобретения является фильтрационное устройство для удаления частиц из жидкости, содержащее коллекторную головку, предназначенную для сбора и удаления фильтрата, и множество плоских мембранных сборок, имеющих верхнюю и нижнюю стороны. Нижняя сторона функционально связана с указанной коллекторной головкой. Каждая плоская мембранная сборка имеет множество размещенных между нижней и верхней сторонами капиллярных мембран для микро- или ультрафильтрации с движением фильтруемого материала снаружи внутрь. Это множество капиллярных мембран образует некоторую плоскость. Капиллярные мембраны каждой плоской мембранной сборки (функционально) связаны с отдельной верхней головкой. Верхние головки каждой плоской мембранной сборки и размещение сборок на нижней стороне выполнены таким образом, чтобы обеспечить циркуляцию потока воздушных пузырьков, неочищенной воды и частиц в направлении от нижней стороны к верхней стороне. Заявляемое фильтрационное устройство уменьшает отложение частиц на верхней стороне.
[0010] Капиллярные мембраны плоской мембранной сборки размещены бок о бок. В результате этого выражение «множество капиллярных мембран, образующих некоторую плоскость», означает, что капиллярные мембраны отдельной плоской мембранной сборки образуют один ряд. Следовательно, капиллярные мембраны отдельной плоской мембранной сборки расположены в ряд. Таким образом, каждая плоская мембранная сборка образована одним рядом капиллярных мембран.
[0011] Коллекторная головка образована одиночной коллекторной камерой. Капиллярные мембраны множества плоских мембранных сборок связаны между собой на нижней стороне с этой коллекторной головкой (связаны с этой коллекторной камерой).
[0012] Фильтрационное устройство имеет индивидуальные верхние головки для каждой плоской мембранной сборки. Таким образом, все одиночные ряды капиллярных мембран (все плоские мембранные сборки) связаны вместе с коллекторной головкой на нижней стороне, но каждый одиночный ряд капиллярных мембран (каждая плоская мембранная сборка) связан с отдельной верхней головкой. Капиллярные мембраны отдельной плоской мембранной сборки связаны на верхней стороне с отдельной верхней головкой. Связь плоских мембранных сборок с соответствующей верхней головкой может быть либо функциональной, либо чисто механической.
[0013] В одном из вариантов осуществления, капиллярные мембраны закрыты на верхней стороне плоской мембранной сборки. Согласно другому варианту, капиллярные мембраны оставлены на верхней стороне открытыми, при этом верхние головки предназначены для сбора и удаления фильтрата.
[0014] В характерном варианте осуществления, фильтрационное устройство содержит источник воздуха для подачи воздушных пузырьков между плоскими мембранными сборками. Этот источник располагается предпочтительно по всей их длине. Он выполнен заодно с коллекторной головкой или помещен непосредственно над ней. Предпочтительно, чтобы источники воздуха имелись между всеми плоскими мембранными сборками.
[0015] Предпочтительно также, чтобы в заявляемом фильтрационном устройстве верхние головки каждой из плоских мембранных сборок были закреплены на заданном расстоянии одна от другой.
[0016] Капиллярные мембраны могут иметь наружный диаметр в пределах 0,4-5 мм. Предлагаемое фильтрационное устройство может содержать от 2 до 50, предпочтительно от 2 до 20, наиболее предпочтительно от 3 до 8 плоских мембранных сборок.
Краткое описание чертежей
[0017] На фиг.1 представлен вид сбоку заявляемого фильтрационного мембранного модуля. На фиг.2 показан вид спереди того же модуля.
[0018] На фиг.3 схематически показан вид спереди установки для изготовления плоского слоя из капиллярных мембран, а на фиг.4 - вид сбоку этой же установки.
Подробное описание изобретения
[0019] Капиллярные мембраны, пригодные для реализации изобретения, раскрыты в документе № WO 2006/053406. Однако изобретение не ограничивается применением именно этого конкретного типа мембран.
[0020] Капиллярные мембраны подвешены бок о бок и образуют при этом вертикальный плоский слой. В результате, отдельный вертикальный плоский слой содержит капиллярные мембраны, расположенные в один ряд. В соответствии с изобретением, каждый одиночный ряд капиллярных мембран следует рассматривать как плоскую мембранную сборку.
[0021] На одной из сторон, на нижней, несколько таких плоских слоев герметично заделаны в одну головку параллельно друг другу. Здесь концы мембран остаются открытыми, в результате чего имеет место сбор и удаление фильтрата из мембран всех слоев. На другой стороне, верхней, каждый плоский слой (одиночный ряд) капиллярных мембран имеет свою отдельную верхнюю головку. Здесь головка может также служить в качестве коллектора, или же концы могут быть закрыты. Зазор между двумя смежными верхними головками обеспечивает свободную циркуляцию неочищенной воды и воздушных пузырьков.
[0022] Настоящее изобретение относится к погружному фильтрационному модулю из капиллярных мембран с движением фильтруемого материала снаружи внутрь. Фильтрация осуществляется созданием более низкого давления на стороне просвета капиллярных мембран.
[0023] Работу модуля можно пояснить наиболее наглядно с помощью приложенных чертежей. На фиг.1 представлен вид сбоку модуля (1). Мембраны (5) подвешены вертикально и заделаны на нижней стороне в головку (3), действующую в качестве коллектора фильтрата. Мембраны (5) размещены в один ряд (плоскость) с образованием плоского слоя (2). На виде сбоку фиг.1 показаны четыре таких плоских слоя (2). Более подробно подобный слой показан на фиг.2. Мембраны, образующие плоский слой, помещены бок о бок с небольшим зазором между двумя смежными капиллярными мембранами. Количество мембран в плоскости может изменяться от всего нескольких до более тысячи, в зависимости от диаметра мембраны, расстояния между двумя смежными мембранами и длины плоского слоя. Количество плоских слоев может быть от 2 до 50. В нижнем коллекторе концы (13) мембран открыты. Отфильтрованная вода (фильтрат), которая всасывается через стенку мембраны, стекает с нижнего конца (13) в коллекторную камеру (6). В головке (3) с одной или с двух сторон выполнено отверстие (18) для отвода фильтрата. В том месте, где мембраны (5) входят в головку, предусмотрена герметизация специальным заделочным материалом (9), например полиуретаном, эпоксидной смолой, полибутадиеновым полимером или подобным материалом. Опорные прокладки (7) предназначены для удержания капиллярных мембран вместе в процессе производства и для предотвращения попадания заделочного материала в коллекторную камеру (6) фильтрата в ходе герметизации.
[0024] Существенная новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что на верхнем конце капиллярных мембран отдельные плоские слои мембран заделаны в индивидуальные головки (4). Верхние концы (14) капиллярных мембран могут закрываться заделочным материалом (12), как видно на фиг.1 и 2, но могут также оставаться открытыми, для отвода фильтрата и на верхней стороне. Зазоры (15) между головками (4) и между наружными кожухами (16) двух смежных головок (1) делают возможной циркуляцию взвешенных в неочищенной воде частиц с восходящим потоком воды. В большинстве существующих конструкций модулей в верхней части имеют место обширные зоны, где поток неочищенной воды и воздушных пузырьков оказывается недостаточным, вследствие чего наблюдается захват крупных частиц. В патенте № WO 02/22244 тоже предусмотрены отверстия на верхней стороне между капиллярными мембранами, но мембраны не закреплены по всей их длине, из-за чего велика вероятность их спутывания, что в свою очередь осложняет очистку воздушными пузырьками и потоком неочищенной воды. В рассматриваемой же здесь новой конструкции верхние головки смонтированы на фиксированном расстоянии, например, путем их установки в основном каркасе модуля со строго определенным интервалом между ними. В результате, поддерживается строго определенное расстояние между двумя смежными плоскими слоями. Это удерживает отдельные капиллярные мембраны на фиксированном и управляемом расстоянии от других мембран, что обеспечивает исключительно легкий доступ для воздушных пузырьков и неочищенной воды и исключает опасность спутывания.
[0025] В случае типового применения в качестве мембранных биореакторов применяют подачу воздушных пузырьков по потоку для поддержания в движении неочищенной воды за пределами капилляров и для предотвращения оседания частиц на дне резервуара биореактора. Этот воздух продувается под модулями и очищает наружную поверхность капиллярных мембран отшелушиванием. В качестве дополнительной меры можно предусмотреть подачу добавочного воздуха продувкой через отверстия (11) подающей трубки (10), помещенной между плоскими слоями капилляров непосредственно над нижней головкой (3). Количество трубок для подачи воздуха может изменяться от нуля до одной между каждой парой плоских слоев, как показано на фиг.1.
[0026] Представленная новая конструкция коллектора содержит ряд отдельных плоских слоев капиллярных мембран. Ниже описывается один из недорогих способов изготовления таких плоских слоев. На фиг.3 и 4 схематически показана машина, предназначенная для этой цели. На машине (19) для изготовления плоских слоев установлена катушка (20) с капиллярной мембраной (5). Конец мембраны прикрепляют к прутку (24a) или (24b), после чего машину приводят во вращательное движение. Мембрана (5) наматывается цилиндрически вокруг ряда прутков (23) и (24). С каждым оборотом направляющая (21) мембраны смещается на некоторое фиксированное расстояние вдоль направляющего стержня (22), вследствие чего мембрана (5) укладывается точно и под контролем на прутки (23) и (24). Наконец, когда направляющая (21) достигает конечного положения, машина останавливается, при этом мембрану, подведенную с катушки (20), прикрепляют к одному из прутков (24a) или (24b) и отрезают. Далее на прутки (24a) и (24b) надвигают соответственно прокладки (25a) и (25b) с нанесенным на них клеем. Эти прокладки могут представлять собой, например, часть пластины из поливинилхлорида (PVC), акрилонитрилбутадиенстирола (ABS), полипропилена (РР) или иного подобного материала. Клей предпочтительно использовать такой, который схватывает достаточно быстро, чтобы получить незначительные затраты времени на операцию, но не слишком быстро, так чтобы оператор имел достаточное время для выполнения приклеивания. Для этих целей можно применять полиуретан, эпоксидную или полибутадиеновую смолу, термо- или адгезивный клей и другие материалы. Преимущество материалов перечисленных типов (например, термоклея), которые можно наносить слоями до нескольких миллиметров, состоит в том, что они могут закрывать просветы между капиллярными мембранами (5) и прокладками (25a) и (25b) при надвигании этих прокладок с нанесенным на них термоклеем на прутки (24a) и (24b). Во избежание прилипания термоклея к пруткам (24a) или (24b), которые являются составными частями конструкции установки, можно либо покрыть эти прутки слоем неадгезивного материала, либо установить перед началом работы на прутки (24a) и (24b) прокладки, аналогичные прокладкам (25a) и (25b). В этом случае эти прокладки также станут составными частями головки (3) (на фиг.1 и 2 они обозначены позицией (7)). Когда клей набирает достаточную прочность (в случае с термоклеем, например, это соответствует его остыванию), мембраны (5) между прутками (24а) и (24b) разрезают, после чего капиллярные мембраны с плоскими слоями можно снимать и они готовы к использованию для изготовления модулей. По этому же принципу можно использовать в установке цилиндр вместо отдельных прутков (23) и (24).