Мембранный ультрамикрофильтрационный рулонный элемент и способ восстановления его работоспособности
Изобретение относится к рулонным элементам, работающим по методу тупиковой фильтрации. Мембранный ультрамикрофильтрационный рулонный элемент состоит из фильтрат-отводящей перфорированной трубки, спирально намотанных на нее через турбулизаторную сетку мембранных пакетов и уплотняющей манжеты, расположенной на одном из торцов рулонного элемента. Мембранные пакеты содержат дренажное полотно и полупроницаемую мембрану. Дренажное полотно состоит из двух наложенных друг на друга листов, образующих общие дренажные каналы. Снаружи рулонный элемент имеет свободный выход турбулизаторов, разделяющих мембранные пакеты, и обернут турбулизаторной сеткой. Уплотняющая манжета, имеющая определенный диаметр, расположена на противоположном, относительно подачи фильтруемой жидкости, торце рулонного элемента. Способ восстановления работоспособности мембранного ультрамикрофильтрационного элемента включает промывку фильтратом, подавая его противоточно через линию вывода фильтрата и обработку водо-воздушной смесью, подавая ее по линии движения фильтруемой среды. Способ осуществляют при определенных параметрах расхода промывной жидкости и смеси, а также времени промывки и обработки. Предложенное изобретение позволяет восстанавливать работоспособность фильтрационного элемента в период его эксплуатации, а также обеспечивает повышенные эксплуатационные показатели. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к конструкции мембранного ультрамикрофильтрационного рулонного элемента, работающего по методу "тупиковой фильтрации" ("Тупиковая фильтрация" предусматривает разделение фильтруемой жидкости на две части - на осадок и фильтрат. "Проточная фильтрация" предусматривает разделение на три части - осадок, концентрат и фильтрат.), и к способу восстановления его работоспособности в процессе эксплуатации. Такой рулонный элемент (далее для краткости - МФРЭ), как и мембранные рулонные элементы известных конструкций, работающие по методу "проточной фильтрации", состоит из фильтрат-отводящей перфорированной трубки, спирально намотанных на нее через турбулизаторную сетку мембранных пакетов, содержащих дренажное полотно и полупроницаемую мембрану, и уплотняющей манжеты, расположенной на одном из торцов рулонного элемента. Используемые в МФРЭ полупроницаемые ультрамикрофильтрационные мембраны имеют сквозные отверстия - поры, размер которых (средний диаметр) составляет от 0,005 до 5,0 мкм соответственно, меньший, чем средний размер частиц вещества, которые отделяются (отфильтровываются) на МФРЭ от фильтруемой жидкости и которые находятся в ней в виде дисперсий, эмульсий, коллоидных или истинных растворов.
По нашим данным МФРЭ, который бы реализовал "тупиковый метод фильтрации" (этот метод используется в картриджах или патронных фильтрах), в литературе и промышленности не известен.
Известные конструкции рулонных и патронных мембранных фильтрационных элементов, снабженные ультра- или микрофильтрационными мембранами, широко используются для получения питьевой воды из загрязненных источников, для очистки различных жидкостей от взвешенных в них твердых частиц, коллоидов и бактерий, в частности для очистки солесодержащих вод перед их обессоливанием с помощью обратного осмоса.
В процессе эксплуатации МФРЭ, в силу загрязнения его пленочной мембраны выделяемыми на ней из фильтруемой жидкости веществами, понижает свою первоначальную работоспособность (снижается производительность и растет рабочее давление) до уровня, когда становится необходимым очистка МФРЭ, которую обычно осуществляют методом промывки химическими реагентами. Нахождение эффективного способа восстановления работоспособности мембранного ультрамикрофильтрационного рулонного элемента, работающего по методу "тупиковой фильтрации" (сегодня, вообще, отсутствуют какие-либо способы восстановления работоспособности мембранных фильтрационных элементов, работающих при этом режиме), и соответствующей ему конструкции МФРЭ является актуальной задачей с тем, чтобы обеспечить конкурентоспособность МФРЭ по сравнению с патронным рулонным элементом, т.е. обеспечить более высокую производительность, повышенный срок службы, компактность, дешевизну, простоту и надежность в эксплуатации.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известные конструкции мембранных фильтрационных рулонных элементов, работающих по методу "проточной фильтрации", отличаются как общей схемой компановки, так и отдельными узлами и элементами (деталями), полупроницаемыми мембранами, мембранными пакетами, турбулизаторами и дренажами, прокладками, уплотняющими манжетами, а также технологией восстановления работоспособности в период эксплуатации (патенты Японии №№53-124179, 54-151571, 54-149384, 54-149383; патенты США №№3966616, 3417870, 4235723,5598642; авторские свидетельства СССР №№1205359, 1213100, 1595553; "Техническое описание и инструкция по эксплуатации для элементов фильтрующих нанофильтрационных типа ЭРН-КП", г.Владимир, 1999 г., ЗАО НТЦ "Владипор"; "Техническое описание и инструкция по эксплуатации для элементов фильтрующих ультрафильтрационных типа ЭРУ-П", г.Владимир, 2000 г., ЗАО НТЦ "Владипор"; Технический бюллетень "Загрязнители обратноосмотических мембран и их удаление", 1999 г., ТСВ 10706, Hydranautics).
Мембранные ультрафильтрационные рулонные элементы, работающие по методу "тупиковой фильтрации", нам неизвестны.
Наиболее близкая к заявляемой нами конструкции МФРЭ и способу восстановления работоспособности рулонного элемента описана в "Техническом описании для элементов типа ЭРУ-П". Согласно этому описанию ЭРУ-П состоит из фильтрат-отводящей перфорированной трубки, спирально намотанных на нее через турбулизаторную сетку (турбулизатор) мембранных пакетов, содержащих дренажное полотно и полупроницаемую мембрану, и уплотняющей манжеты, расположенной на одном из торцов рулонного элемента.
Способ восстановления работоспособности ЭРУ-П, который работает по методу "проточной фильтрации", состоит в его промывке струей фильтрата, умягченной или обессоленной воды при давлении 0,5-1,0 кг/см2, дополняя эту промывку обработкой элемента растворами химический соединений (т.н. "химическая промывка") типа фосфатов, лимонной кислоты, ПАВ, гипохлорита натрия.
Недостатками известной конструкции (элемент типа ЭРУ-П) являются:
- использование метода "проточной фильтрации", которая не позволяет очистить фильтруемую жидкость полностью, и следовательно, ограниченная область применения;
- применение относительно дорогого и недостаточно эффективного метода восстановления работоспособности в период эксплуатации, требующего использования специальных химических веществ.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание конструкции МФРЭ, которая реализовала бы "тупиковый метод фильтрации" применительно к рулонному элементу и благодаря этому отличалась бы повышенными эксплуатационными показателями по сравнению с мембранным патронным фильтрационным элементом. Но вместе с тем позволяла бы восстанавливать работоспособность фильтрационного элемента в период его эксплуатации. В этой связи задачей изобретения является также разработка способа промывки МФРЭ в период его эксплуатации.
Согласно изобретению, поставленные задачи решены тем, что в известную конструкцию мембранного фильтрующего элемента, которая состоит из
- фильтрат-отводящей перфорированной трубки;
- спирально намотанных на эту трубку через турбулизаторную сетку мембранных пакетов, содержащих дренажное полотно и полупроницаемую мембрану, и
- уплотняющей манжеты, расположенной на одном из торцов рулонного элемента;
введены принципиальные изменения, которые состоят в том, что
- дренажное полотно выполнено из двух, наложенных друг на друга листов, канавки которых расположены внутри двойного слоя и образуют общие дренажные каналы;
- снаружи рулонный элемент имеет свободный выход турбулизаторов, разделяющих мембранные пакеты, и обернут турбулизаторной сеткой;
- уплотняющая манжета расположена на противоположном относительно подачи фильтруемой жидкости торце рулонного элемента и имеет наружный диаметр, выбранный из соотношения
Дм=Д+(5÷10 мм),
где Д - наружный диаметр рулонного элемента, мм; Д=d+2δ;
d - средний наружный диаметр рулонного элемента после намотки мембранных пакетов, мм;
δ - толщина слоя внешней турбулизаторной сетки, мм.
С целью повышения производительности МФРЭ и эффективности заявляемого восстановления его работоспособности в период эксплуатации мембранные пакеты заявляемого МФРЭ выполняют в форме, близкой к квадратной. Это позволяет уравнять по всей площади мембранных пакетов скорости фильтруемой жидкости и промывочных сред, ликвидировать застойные зоны, повысить надежность конструкции в течение всего периода эксплуатации.
Согласно изобретению, способ восстановления работоспособности заявляемого МФРЭ состоит в том, что промывку рулонного элемента ведут в два этапа:
- на первом этапе рулонный элемент промывают фильтратом, подавая его противоточно через линию вывода рабочего фильтрата с расходом от 0,5 до 10,0 м3/час в течение от 2 до 10 сек;
- на втором этапе рулонный элемент обрабатывают водовоздушной смесью в соотношении от 5 до 30 объемных частей воздуха на 1 объемную часть воды, подавая эту смесь по линии движения фильтруемой среды с расходом от 1,0 до 15 м3/час в течение от 2 до 10 сек.
Авторами изобретения найдено, что выполнение конструкции рулонного мембранного ультрамикрофильтрационного элемента в соответствии с указанными выше особенностями позволило создать рулонный элемент, реализующий "тупиковый метод фильтрации", и в то же время способный к многократному восстановлению своей работоспособности в период эксплуатации. Создан мембранный фильтрующий элемент, обладающий не только всеми положительными свойствами мембранного патронного элемента, но и превосходящий эти свойства. И что особенно примечательно - создан элемент, способный к регенерации, которая отсутствует у патронного микрофильтра.
Для реализации изобретения в промышленных условиях могут использоваться все имеющиеся в наличие материалы, если они отвечают указанным выше особенностям МФРЭ и способу его промывки.
Так, для изготовления мембранных пакетов можно применять ультра- и микрофильтрационные мембраны на тканой и нетканой основе-подложке, изготовленные из различных полимеров, среди которых - полиамиды, полисульфон, сложные эфиры целлюлозы, полиэфирсульфоны, полиарилаты, фторопласт. Ограничением здесь является условие механической прочности мембран: с тем, чтобы из них можно было образовывать мембранный пакет - изгиб на 180° и способность к склеиванию или свариванию.
Для изготовления фильтрат-отводящей трубки пригодны практически все жесткие полимеры - поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, аминопласт, поликарбонат, в том числе наполненные, а также неорганические материалы типа керамики и металлов.
В качестве турбулизатора, разделяющего мембранные пакеты, и внешнего турбулизатора, которым снаружи обворачивается рулонный элемент, можно использовать сетчатые безузелковые материалы толщиной от 0,6 до 2,0 мм и имеющие размер ячеек от 2×2 до 6×6 мм.
Дренажное полотно, которое используют согласно изобретению в виде наложенных друг на друга листов, можно изготавливать, как предпочтительный вариант, из основовязального трикотажного полиэтилен-терефталатного материала, пропитывая его отверждаемой эпоксидной смолой из расчета привеса полотна при его пропитке от 12 до 30% по массе. Но можно использовать и любой другой проницаемый рельефный материал. Принципиальным здесь является, чтобы дренажное полотно имело с одной из сторон канавки размером от 0,05 до 1,5 мм, проходящие вдоль всего полотна, и использовалась единая (по размеру канавок) партия этого материала для образования двухслойного дренажного полотна, канавки которого образовывали бы общие дренажные каналы, как это предусмотрено изобретением.
Уплотняющую манжету обычно изготавливают из термопластичного полиуретана с размером, который предусмотрен согласно изобретению. Толщина манжеты определяется конструктивными данными МФРЭ и должна противостоять рабочему давлению фильтруемой жидкости и промывочной системы. Обычно рабочее давление находится в пределах от 0,3 до 4,0 кг/см2, давление промывки от 0,1 до 3,0 кг/см2.
ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 приведена принципиальная конструкция заявляемого МФРЭ (в продольном разрезе), помещенная в корпус мембранного модуля, в котором эксплуатируется МФРЭ.
На фиг.1-а показан двойной слой мембранного полотна, который используется согласно изобретению, и расположение его канавок для образования общих каналов дренажа.
1 - фильтрат-отводящая перфорированная трубка, которая имеет в своей стенке сквозные отверстия (11) в зоне их контакта с дренажным полотном (5) мембранных пакетов (2).
2 - мембранные пакеты, с помощью которых проводят фильтрацию данной жидкости и которые состоят из дренажного полотна (5), обернутого (упакованного) полупроницаемой мембраной (4) в процессе изготовления (намотки и склеивания) МФРЭ.
3 - турбулизаторная сетка (турбулизатор), которая разделяет мембранные пакеты (2) и служит каналом для подвода фильтруемой среды к внешним поверхностям мембранных пакетов (2).
4 - полупроницаемая ультра- или микрофильтрационная мембрана.
5 - дренажное полотно (согласно изобретению - двойное), которое расположено внутри мембранных пакетов (2) и которое соединено с фильтрат-отводящей трубкой (1).
6 - внешняя турбулизаторная сетка, которой, согласно, изобретению, обернут МФРЭ (вместо ранее применяемой по известной конструкции непроницаемой пленки) и которая, согласно изобретению, пространственно соединена с турбулизаторами (3), разделяющими мембранные пакеты (2) и образующими каналы для подвода фильтруемой жидкости к мембранным пакетам (2).
7 - уплотняющая манжета, которая закрывает свободный выход фильтруемой жидкости и промывочной жидкости, проходящих по внешнему свободному каналу (12) над внешней турбулизаторной сеткой (6) к линии отвода (10) промывочных фильтрата и водовоздушной смеси.
8 - крышка корпуса мембранного модуля (13), в котором эксплуатируется и промывается МФРЭ и которая соединена с линией отвода (10) промывочных жидкостей.
9 - запорный кран на линии отвода (10). Закрыт - в период фильтрации, открыт - в период промывки (восстановления работоспособноси) МФРЭ.
10 - линия для отвода промывочных фильтрата и водовоздушной смеси.
11 - сквозные отверстия в фильтрат-отводящей трубке, служащие для отвода фильтрата и подачи промывочного фильтрата.
12 - свободная зона (кольцевой канал) для прохода фильтруемой жидкости и промывочной водо-воздушной смеси к поверхности внешнего турбулизатора (6) и далее, радиально, по турбулизаторам мембранных пакетов к поверхности полупроницаемой мембраны.
13 - корпус мембранного модуля, в котором эксплуатируется и промывается МФРЭ.
14 - общие дренажные каналы, образуемые двойным слоем дренажного полотна (5).
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЕЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с изобретением авторами изготовлены и испытаны 9 различных образцов МФРЭ, показатели которых приведены в таблице (п.п.1, 1.1-1,5).
Испытания осуществлялись на водопроводной воде (фильтруемая жидкость).
Производительность испытываемых образцов МФРЭ измерялась по количеству фильтрата (в расчете на единицу времени), выводимому по фильтрат-отводящей трубке (1) при полностью закрытом кране (9). Фильтруемую жидкость, как это будет осуществляться в реальных промышленных условиях, подавали со стороны напорного торца МФРЭ, как это показано на фиг.1 (стрелкой), используя для испытания корпус стандартного мембранного модуля, имеющего внутренний диаметр Дм=65 мм, 100 мм и 200 мм соответственно.
Промывку (восстановление работоспособности) загрязненного МФРЭ, уровень загрязнения которого приведен в п.1.6 таблицы, проводили в два этапа, как это предусмотрено изобретением.
На первом этапе промывочную жидкость-фильтрат подавали через фильтрат-отводящую трубку (1), т.е. противоточно, через линию вывода фильтрата. Окончание первого этапа промывки контролировали по реле времени.
На втором этапе МФРЭ обрабатывали водовоздушной смесью, подавая ее по линии движения фильтруемой среды, т.е. со стороны напорного торца МФРЭ, как это показано на фиг.1 (стрелкой). При этом промывку МФРЭ на двух этапах проводили при полностью открытом кране (9).
После проведения 2-этапной промывки измеряли восстановленную производительность МФРЭ (п.3 таблицы).
Как можно видеть из данных таблицы, заявляемая конструкция МФРЭ и способ восстановления его работоспособности отличаются высокой воспроизводимостью, надежностью при эксплуатации, экологически безопасны (не используются для промывки химические вещества), относительно просты и доступны потребителям.
| Таблица Примеры осуществления заявляемого способа восстановления работоспособности опытных образцов мембранного ультра-микрофильтрационного рулонного элемента (МФРЭ) | |||||||||||
| №№ | Наименования показателей МФРЭ и режимов осуществления способа восстановления работоспособности | Данные по примерам №№1-10 | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 (патрон) | ||
| 1 | Показатели испытываемых образцов МФРЭх) | ||||||||||
| 1.1 наружный диаметр, Д мм | 60 | 60 | 60 | 60 | 90 | 90 | 90 | 90 | 190 | ||
| 1.2 длина, мм | 300 | 400 | 400 | 300 | 400 | 400 | 400 | 300 | 600 | ||
| 1.3 площадь поверхности фильтрации, м2 | 0,5 | 0,6 | 0,6 | 0,5 | 1,2 | 1,2 | 1,2 | 1,0 | 16 | 0,5 | |
| 1.4 тип используемой полупрониц. мембраны | |||||||||||
| - ультрафильтр на основе ацетата целлюлозы | + | - | - | - | + | - | - | - | - | ||
| - ультрафильтр на основе фенилона | - | + | - | - | - | + | - | - | - | ||
| - микрофильтр на основе ацетата целлюлозы | - | - | + | - | - | - | + | - | + | ||
| - микрофильтр на основе гидрофилизованного фторопласта | - | - | - | + | - | - | - | + | - | + (патрон) | |
| 1.5 начальная производительность МФРЭ по очищенной воде, л/час | 40 | 45 | 100 | 90 | 90 | 100 | 250 | 230 | 3500 | 90 | |
| 1.6 производительность МФРЭ (по системе п.1.5) перед началом промывки (загрязненного МФРЭ), л/час | 20 | 25 | 50 | 40 | 50 | 60 | 100 | 100 | 2000 | 10 | |
| 2 | Восстановление работоспособности МФРЭ | - | |||||||||
| 2.1 Первый этап промывки. | |||||||||||
| Использовался фильтрат, полученный из системы п.1.5 | |||||||||||
| - расход фильтрата на промывку, м3/час | 0,5 | 0,55 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,5 | 1,5 | 10 | ||
| - время промывки фильтратом, сек | 5 | 2 | 9 | 10 | 10 | 5 | 5 | 5 | |||
| 2.2 Второй этап промывки. | |||||||||||
| Состав водовоздушной смеси: | |||||||||||
| - вода, объемная часть | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||
| - воздух, объемная часть | 10 | 10 | 20 | 20 | 10 | 10 | 20 | 20 | 30 | ||
| Режим подачи водовоздушной смеси: | |||||||||||
| - расход смеси, м3/час | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 15 | ||
| - время промывки водовоздушной смесью, сек | 2 | 2 | 3 | 3 | 2 | 2 | 3 | 3 | 10 | ||
| 3 | Производительность МФРЭ (по системе п.1.5) после восстановления работоспособности, л/час | 35 | 40 | 80 | 75 | 85 | 90 | 180 | 160 | 3000 | |
| 4 | Полученный объем фильтрат, л/за период полной эксплуатации | 10000 | 500 | ||||||||
| х) Испытания проводили в модуле, имеющем внутренний диаметр Дм=65 мм, 100 мм, 200 мм, соответственно примерам №1-10 |
1. Мембранный ультрамикрофильтрационный рулонный элемент, состоящий из фильтрат-отводящей перфорированной трубки, спирально намотанных на нее через турбулизаторную сетку мембранных пакетов, содержащих дренажное полотно и полупроницаемую мембрану, и уплотняющей манжеты, расположенной на одном из торцов рулонного элемента, отличающийся тем, что дренажное полотно состоит из двух наложенных друг на друга листов, канавки которых расположены внутри двойного слоя и образуют общие дренажные каналы, снаружи рулонный элемент имеет свободный выход турбулизаторов, разделяющих мембранные пакеты, и обернут турбулизаторной сеткой, уплотняющая манжета расположена на противоположном относительно подачи фильтруемой жидкости торце рулонного элемента и имеет наружный диаметр, выбранный из соотношения
Дм=Д+(5÷10 мм),
где Д - наружный диаметр рулонного элемента, мм;
Д=d+2δ,
d - средний наружный диаметр рулонного элемента после намотки мембранных пакетов, мм;
δ - толщина слоя внешней турбулизаторной сетки, мм.
2. Мембранный ультрамикрофильтрационный рулонный элемент по п.1, отличающийся тем, что мембранные пакеты имеют форму, близкую к квадратной.
3. Способ восстановления работоспособности мембранного ультрамикрофильтрационного рулонного элемента, имеющего конструкцию в соответствии с пп.1 и 2, путем промывки жидкостью, подавая ее по линии движения фильтруемой среды, отличающийся тем, что промывку ведут в два этапа: на первом этапе рулонный элемент промывают фильтратом, подавая его противоточно через линию вывода фильтрата с расходом 0,5-10,0 м3/ч в течение 2-10 с, на втором этапе рулонный элемент обрабатывают водо-воздушной смесью в соотношении 5-30 об. ч. воздуха на 1 об. ч. воды, подавая эту смесь по линии движения фильтруемой среды с расходом 1,0-15,0 м3/ч в течение 2-10 с.
