Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа

Авторы патента:

Шахова Елена Николаевна (RU)

Солодихин Николай Иванович (RU)

Сидоренко Валерий Михайлович (RU)

B01D63/10 - спирально намотанные мембранные элементы

Владельцы патента RU 2302895:

Общество с ограниченной ответственностью "Экофил" (RU)

Изобретение может быть использовано для разделения жидких сред в процессах обратного осмоса, нано-, ультра- и микрофильтрации. Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа состоит их центральной трубки с радиальными отверстиями, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов. Мембранный пакет состоит из сложенной активной стороной внутрь полупроницаемой мембраны с вложенной в нее турбулизаторной сеткой и промежуточных дренажных листов. Герметизация мембранного пакета в элементе осуществляется путем полной заливки обоих торцов расплавом термопластичного материала или термореактивной клеевой композицией. Ввод очищаемого раствора в элемент осуществляется через его наружную цилиндрическую поверхность, а вывод концентрата и фильтрата - через центральную трубку. Продольный канал центральной трубки разделен поперечной перегородкой на два изолированных неравных по длине участка. При этом длинный участок соединен с турбулизаторными сетками, а короткий - с дренажными листами. Отношение длины мембранного пакета к его ширине составляет от 2 до 5. Выполнение мембранного фильтрующего элемента в соответствии с предлагаемыми конструкционными решениями позволяет повысить его производительность и степень отбора фильтрата. 5 ил., 1 табл.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области конструкции (устройства) мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (далее МЭ).

МЭ состоит из мембранных пакетов, чередующихся с листами дренажного материала для отвода пермеата, намотанных на фильтратотводящую перфорированную трубку и загерметизированных определенным образом.

МЭ нашли широкое применение практически во всех областях промышленности в процессах обратного осмоса, нано-, ультра-, микрофильтрации. Наиболее широко МЭ используются для обессоливания природных и сточных вод промышленных предприятий, водоподготовки технологической воды для различных производств, для получения питьевой воды, в том числе для бытовых нужд.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные конструкции МЭ. МЭ отличаются друг от друга общей конструкцией, технологией изготовления, применяемыми конструкционными материалами, герметизацией (Патенты Японии №№54-151571, 54-149384, 54-149383, 53-124179; Патенты США №№3966616, 3417870, 4235723, 5538642; Авторские свидетельства №№1205359,1213100, 1595553).

Наиболее близкая к заявляемой конструкция МЭ приведена в патенте США №3417870. Согласно этому патенту МЭ содержит центральную трубку с отверстиями для отвода фильтрата, на которую намотаны листы сложенной активным слоем вовнутрь мембраны, внутри каждого листа которой находится лист сетки-турбулизатора, создающего канал для очищаемого раствора, листы сложенной мембраны разделены пористым материалом - каналом для отвода очищенной жидкости - фильтрата. Герметизация этих каналов осуществляется путем нанесения клеевой композиции на пористый материал - дренаж по трем его сторонам перед намоткой.

После спиральной намотки образуется МЭ, представляющий собой цилиндр с осевой фильтратотводящей трубкой, внутри которого сформированы каналы исходной воды и фильтрата. Каналы для подачи воды открыты с двух сторон (торцов) МЭ. Исходная жидкость подается в один торец МЭ и выводится через другой торец. Фильтрат выводится через фильтратотводящую трубку.

Эта конструкция мембранного рулонного элемента разработана достаточно давно и до настоящего времени широко используется многими фирмами-производителями мембранных элементов: Filmtec (США), Hydranautics (США), Roga (США), Toray (Япония), Saehan (Корея), ЗАО НТЦ «Владипор» (Россия), ООО «Экофил» (Россия) и другие. Однако на основе многолетнего опыта производства мембранных элементов и их эксплуатации следует отметить определенные недостатки вышеуказанной конструкции элемента:

- при герметизации мембранного рулонного элемента путем нанесения клеевой композиции по трем сторонам периметра дренажного листа образуются достаточно широкие клеевые швы (30-50 мм), которые существенно уменьшают активную рабочую площадь мембраны в элементе, особенно в малогабаритных элементах, предназначенных для доочистки питьевой воды в бытовых условиях, для офисов, для мембранных установок малой производительности. Для них уменьшение активной площади мембраны составляет 20-30%;

- приготовление и нанесение клеевой композиции, как правило, осуществляется оператором вручную. Этот процесс достаточно трудоемок. Кроме того, при этом неизбежно выдавливание избытка клеевой композиции на торцы мембранного элемента. Поэтому необходима операция подрезки обоих торцов элемента для «открытия» напорных каналов, предназначенных для входа и выхода очищаемой жидкости;

- для обеспечения турбулентного течения очищаемой жидкости в каналах мембранного рулонного элемента, исключающего возникновения эффекта концентрационной поляризации на поверхности мембраны, необходимо обеспечить определенную линейную скорость ее течения, которая будет определять коэффициент конверсии (К) или степень отбора фильтрата - отношение расхода фильтрата (Q_ф) к расходу исходной очищаемой жидкости (Q_исх), К=Q_ф/Q_исх. Поскольку суммарная торцевая площадь каналов в вышеуказанной конструкции мембранного элемента достаточно велика по сравнению с их длиной, для обеспечения турбулентного потока расход исходной очищаемой жидкости должен быть большим, в результате степень отбора фильтрата на практике составляет всего 10-15%. Для малогабаритных элементов, эксплуатируемых, как правило, по одному элементу в установке, более 90% очищаемой воды сбрасывается в канализацию, что является крайне неэкономичным.

Таким образом, недостатками МЭ по патенту США №3417870 являются большая зона герметизации мембранных пакетов, что уменьшает рабочую поверхность МЭ и его производительность, низкая степень отбора фильтрата.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является создание конструкции МЭ с увеличенной производительностью и степенью отбора фильтрата.

Согласно изобретению МЭ состоит из центральной трубки с радиальными отверстиями по длине, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов, каждый состоит из сложенной активной стороной внутрь полупроницаемой мембраны с вложенной в нее турбулизаторной сеткой, и промежуточных дренажных листов. Торцы МЭ полностью загерметизированы методом заливки термореактивной клеевой композиции или расплавом термопластичного материала. Продольный канал центральной трубки разделен поперечной перегородкой на два изолированных неравных по длине участка (L1, L2), в соотношении L1:L2=(1-3):(1-6). При этом длинный участок соединен с турбулизаторными сетками, а короткий - с дренажными листами. Отношение длины L мембранного пакета к его ширине В составляет от 2 до 5.

Вход очищаемой жидкости в напорный канал МЭ организован по образующей со стороны его наружной поверхности, затем по спиральному каналу к центру и выход концентрата через осевой канал центральной трубки с одного из торцов МЭ. Сбор и вывод фильтрата осуществляется по спиральному дренажному каналу к центральной трубке и выход через ее канал со стороны другого торца МЭ. В центральной трубке МЭ каналы фильтрата и концентрата разделены поперечной перегородкой.

Авторами найдено, что выполнение конструкции МЭ в соответствии с указанными выше особенностями позволило увеличить его производительность и степень отбора фильтрата. МЭ согласно изобретению отличается высокой воспроизводимостью эксплуатационных показателей, более технологичен в изготовлении, его производство приводит к значительному снижению твердых отходов.

Для реализации изобретения могут быть использованы все типы мембран: обратноосмотические, нано-, ультра-, микрофильтрационные.

В качестве турбулизаторной сетки предпочтительно использовать безузелковые сетки толщиной от 0,3 до 2 мм. В качестве дренажного полотна можно использовать трикотажное полотно, пропитанное раствором эпоксидной смолы с последующим ее отверждением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 приведен эскиз заявляемого МЭ.

На фиг.2 приведен поперечный разрез А-А заявляемого МЭ.

На фиг.3 приведен поперечный разрез Б-Б заявляемого МЭ.

На фиг.4 приведен эскиз напорного канала заявляемого МЭ.

На фиг.5 приведен эскиз дренажного канала заявляемого МЭ.

На чертежах позициями обозначены:

1 - вход исходного потока;

2 - турбулизаторная сетка (напорный канал элемента);

3 - мембрана;

4 - фильтрат;

5 - дренажный лист (канал для фильтрата);

6 - трубка;

7 - концентрат;

8 - перегородка,

9 - зона герметизации торцов МЭ,

L - длина мембранного пакета,

L1 - длина части центральной трубки МЭ, соединенной с дренажными листами,

L2 - длина части центральной трубки МЭ, соединенной с турбулизаторными сетками,

В - ширина мембранного пакета.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявителем совместно с авторами изобретения были изготовлены и испытаны опытные образцы МЭ с внешним диаметром 45 мм и длиной 300 мм.

Центральная трубка 6 МЭ имеет поперечную перегородку 8 (фиг.1). Вокруг трубки спирально намотана сложенная мембрана 3 с турбулизаторной сеткой 2 (фиг.2, фиг.3). Фильтратный канал образован дренажным листом 5 (фиг.2, фиг.3). Торцы МЭ загерметизированы расплавом термопластичного материала или термореактивной клеевой композицией 9 (фиг.1).

МЭ работает следующим образом (фиг.1-5). Исходная очищаемая вода 1 поступает в напорный канал МЭ, образуемый турбулизаторной сеткой 2 и мембранами 3. Фильтрат 4, проникая через мембраны 3, движется по каналам дренажного листа к центральной трубке и выводится из МЭ через один конец трубки. Концентрат выводится через другую часть центральной трубки 7. Канал для вывода фильтрата 4 и канал для вывода концентрата 7 разделены продольной перегородкой 8 центральной трубки 6.

Основные конструктивные особенности, исходные материалы и результаты испытаний опытных образцов МЭ приведены в таблице.

Контрольные испытания проводились:

- нанофильтрационных элементов на 0,2% растворе MgSO₄,

- микрофильтрационных элементов на водопроводной воде (Нерлинский водозабор г.Владимира).

Анализ результатов испытаний экспериментальных образцов элементов позволяет сделать следующие выводы:

1. Оба способа герметизации мембранных пакетов в элементах (см. п.4 таблицы) достаточно надежны.

2. При герметизации методом заливки торцов по сравнению с герметизацией нанесением клеевой композиции по 3 сторонам периметра каждого мембранного пакета перед спиральной намоткой обеспечивается увеличение эффективной (рабочей) площади мембраны в элементе (см. п.5.2, например, образцы 1, 2) и, как следствие, увеличение его производительности при прочих одинаковых условиях (см. п.6.1, например, образцы элементов 1 и 2).

3. Использование перегородки в центральной трубке (см. п.2.1, 2.2, образцы 2, 5) в сочетании с заливкой торцов (см. п.4.2) привело к увеличению как производительности (см. п.6.1), так и степени отбора фильтрата МЭ (см. п.6.4). При этом соотношение длины мембранного пакета к его ширине для образцов 2, 5 с поперечной перегородкой центральной трубки равнялось 3:1.

Таблица Основные параметры и результаты испытаний опытных образцов МЭ
№ п/п	Наименование основных параметров и эксплуатационные	Данные по опытным образцам	Примечание
1	2	3	4	5
1	Используемое мембранное полотно
1.1	Нанофильтрационная композитная мембрана	+	+	-	-	-
1.2	Микрофильтрационная мембрана (размер пор 1,0 мкм)	-	-	+	+	+
2	Центральная фильтрат- и концентратотводящая трубка, пакеты
2.1	С поперечной перегородкой L1:L2=1:3, отношение длины мембранного канала к его ширине 3:1	-	+	-	-	+
2.2	Без перегородки	+	-	+	+	-
3	Наружный диаметр образца МЭ, мм
3.1	45,0	+	+	+	+	+
4	Способ герметизации мембраны в элементе
4.1	Строчное нанесение клеевой композиции по 3-м сторонам мембраны до спиральной намотки	+	-	+	+	-
	согласно патенту №3417870
4.2	Заливка торцов элемента после спиральной намотки термореактивной композицией согласно настоящей заявке	-	+	-	-	+
5	Площадь мембраны в элементе
5.1	Общая площадь, м²	0,36	0,36	0,36	0,36	0,36
5.2	Эффективная (рабочая) площадь, м²	0,23	0,34	0,22	0,23	0,34	Определялась после испытаний и разборки элементов
6	Эксплуатационные характеристики МЭ
6.1	Производительность (по фильтрату) л/час	37,8	56,3	64,7	65,1	97,5
6.2	Селективность, %, по MgSO₄	94,3	94,4	-	-	-
6.3	Селективность по мутности (ГОСТ 3351-74)			75,1	74,3	75,8
6.4	Степень отбора фильтрата	11,7	26,9	14,4	15,0	41,0
7	Условия испытаний:
	Давление, МПа	1,6	1,6	0,15	0,15	0,15
	Температура, °С	20,0	20,0	20,0	20,0	20,0
Режим - проточная фильтрация	+	+	+	+	+
8	Условия испытаний
8.1	Рабочая среда
8.1	- водный раствор MgSO₄, 0,2%	+	+	-	-	-
- водопроводная вода, забор из р.Нерль г.Владимир	-	-	+	+	+

Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа, включающий в себя центральную трубку с радиальными отверстиями, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов, каждый состоит из сложенной активной стороной внутрь полупроницаемой мембраны с вложенной в нее турбулизаторной сеткой, и промежуточных дренажных листов, отличающийся тем, что а) герметизация мембранного пакета в элементе осуществляется путем полной заливки обоих торцев расплавом термопластичного материала или термореактивной клеевой композицией, при этом ввод очищаемого раствора в элемент осуществляется через его наружную цилиндрическую поверхность, вывод концентрата и фильтрата - через центральную трубку; б) продольный канал центральной трубки разделен поперечной перегородкой на два изолированных неравных по длине участка (LI, L2), в соотношении L1:L2=(1-3):(1-6), при этом длинный участок соединен с турбулизаторными сетками, а короткий - с дренажными листами; в) отношение длины L мембранного пакета к его ширине В составляет от 2 до 5.

Изобретение относится к конструкции мембранных фильтрующих элементов (МЭ) рулонного типа для разделения жидких сред в процессах обратного осмоса, нано-, ультра- и микрофильтрации.

Мембранный ультрамикрофильтрационный рулонный элемент и способ восстановления его работоспособности // 2262978

Изобретение относится к рулонным элементам, работающим по методу тупиковой фильтрации. .

Фильтрационный модуль // 2253505

Изобретение относится к области очистки воды и используется в установках обратного осмоса. .

Мембранный фильтрующий рулонный элемент // 2245187

Изобретение относится к конструкции мембранного фильтрующего рулонного элемента (далее - МФРЭ), который состоит из фильтратотводящей перфорированной трубки и спирально намотанных на нее прилегающих друг к другу через листы турбулизаторной сетки мембранных (полупроницаемых) пакетов.

Мембранный аппарат с погружным фильтрующим элементом, вращающимся под действием разделяемого потока // 2224582

Мембранный рулонный газоразделительный элемент // 2136354

Изобретение относится к аппаратурному оформлению процесса диффузионного разделения газовых смесей, а именно к конструкции мембранного аппарата для разделения газов.

Аппарат для получения обессоленной воды // 2121868

Изобретение относится к аппаратам для получения обессоленной воды и может быть использовано в медицинской, пищевой и электронной промышленности. .

Мембранный рулонный элемент для разделения газов и паров // 2121393

Изобретение относится к мембранному газоразделению и может быть использовано в химической, нефтехимической, газовой промышленности, в машиностроении, медицине, газоаналитической технике.

Способ получения чистой воды и устройство для его осуществления // 2119377

Изобретение относится к способам и устройствам для очистки воды с помощью полупроницаемых мембран. .

Мембранный рулонный элемент // 2108142

Изобретение относится к области опреснения и обессоливания природных и сточных вод обратным способом. .

Мембранный ультрамикрофильтрационный рулонный элемент и способ его изготовления // 2320402

Изобретение относится к мембранным ультра-микрофильтрационным рулонным элементам (МФРЭ), работающим по методу тупиковой фильтрации, для очистки жидкостей, в частности, для получения питьевой воды

Мембранный фильтрующий рулонный элемент // 2392039

Изобретение относится к конструкции мембранных фильтрующих рулонных элементов, предназначенных для разделения жидких сред

Мембранный ультра-микрофильтрационный рулонный элемент // 2398619

Изобретение относится к конструкции мембранных ультра-микрофильтрационных элементов (МФРЭ), предназначенных для очистки технических и природных жидкостей от взвешенных в них частиц, коллоидов и бактерий

Фильтрация с контролем внутреннего засорения // 2460576

Изобретение относится к фильтрации с контролем внутреннего засорения

Рулонный фильтр // 2472575

Изобретение относится к фильтру для мембранной фильтрации жидкостей, в частности к рулонному фильтру с улучшенными фильтрующими характеристиками

Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа для очистки воды в бытовых условиях // 2526995

Изобретение относится к области конструкции мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (МЭ) для очистки жидких сред и способу его изготовления. Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа для очистки воды в бытовых условиях характеризуется тем, что включает в себя центральную трубку с радиальными отверстиями по ее длине и спирально намотанный на нее мембранный пакет, состоящий из сложенной вдвое с наружным селективным слоем полупроницаемой полимерной мембраны и дренажного полотна для канала сбора и отвода фильтрата, турбулизаторной сетки для канала очищаемой воды, при этом сетка выполнена в виде не менее трех последовательно размещенных отрезков разной толщины. Отрезок сетки с наибольшей толщиной размещается у наружной поверхности МЭ, на входе очищаемой воды, а отрезок с наименьшей толщиной - у центральной трубки на выходе концентрата, причем соотношение их толщин в пределах 2,0/1,0-2,5/1,0. Кромка отрезка турбулизаторной сетки, прилегающая к центральной трубке, обернута с двух сторон полосой дренажного полотна с канавками параллельно трубке на величину L=πd, где d - наружный диаметр трубки, и образует кольцевой канал вокруг трубки для вывода концентрата, при этом указанные каналы и торцы МЭ герметизированы друг от друга. Кроме того, МЭ обернут в полимерную пленку, имеющую в зоне ввода очищаемой воды в мембранный элемент ряд отверстий по всей его длине, при этом ввод очищаемой воды выполнен через наружную поверхность МЭ, а вывод концентрата и фильтрата - через центральную трубку. Технический результат заключается в упрощении технологии изготовления мембранного элемента, эксплуатации и замены при высоком коэффициенте конверсии. 3 ил., 1 табл.

Сетка для концентратного канала мембранных рулонных элементов // 2549846

Изобретение относится к области водоподготовки и водоочистки, а именно к оборудованию, используемому в мембранных рулонных элементах для обратного осмоса и нанофильтрации. Предлагается сетка, ячейки которой имеют форму связанных между собой правильных многоугольников, в вершинах которых размещены сферы, связанные между собой цилиндрическими перемычками (ребрами многоугольников), диаметр которых составляет 0,1-0,8 диаметра сфер. Индивидуальная ячейка сетки, как правило, выполняется в форме треугольника, квадрата, шестиугольника или ромба, но может быть выполнена в форме и иных многоугольников. При этом ячейка в форме равностороннего треугольника обеспечивает максимальную жесткость конструкции сетки, ячейки в форме ромба или квадрата проще и дешевле остальных в изготовлении, а сетка с ячейкой в форме правильного шестигранника обладает минимальным гидравлическим сопротивлением, но наиболее трудоемка при изготовлении. Сетка позволяет минимизировать гидравлическое сопротивление и объем «мертвых зон», образующихся в рулонных элементах.5 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Электробаромембранный аппарат рулонного типа // 2553859

Изобретение относится к мембранным аппаратам рулонного типа и может быть использовано для фильтрации и обратного осмоса. Аппарат содержит коллекторы отвода прикатодного и прианодного пермеата, образованные пространством между полуцилиндрами корпуса аппарата, корпусом аппарата и полимерной перфорированной перегородкой с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине. Со стороны торцевых поверхностей полуцилиндров корпуса аппарата на торцевых крышках имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода пермеата и ретентата. Пространство между корпусом аппарата, прикатодными, прианодными мембранами и перфорированной трубкой образует коллектор для протекания исходного раствора, в котором расположены сетки-турбулизаторы, в которые вплетены металлические трубки. Межмембранный канал образован последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора двумя парами прикатодной, прианодной мембран, подложек мембран, дренажных сеток - катода и анода, которые все вместе проклеены с торцевых поверхностей и с сетками-турбулизаторами, в которые вплетены металлические трубки, обернуты вокруг перфорированной трубки, при этом дренажные сетки - катод и анод расположены между подложками мембран и уложенными на них прикатодными и прианодными мембранами, приклеенными в месте перфорации к перфорированной трубке. Технический результат - повышение качества разделения растворов при улучшенном охлаждении пермеата и монополярных электродов. 5 ил., 1 табл.

Мембрана для обратного осмоса // 2555037

Модуль обратного осмоса для получения сверхчистой воды содержит трубу с дном и крышкой и расположенную в трубе мембрану обратного осмоса с пермеатной собирающей трубой. Мембрана обратного осмоса конечным участком вставлена в мембранный фланец и уплотнена относительно него кольцевым уплотнением, а фланец закреплен на дне модуля и имеет предотвращающую телескопирование звездочку, которая является составной частью фланца. Дно модуля имеет входное отверстие для питательной воды, которое заканчивается в кольцевой щели под мембранным фланцем, выходное отверстие для концентрата, которое заканчивается радиально внутри мембранного фланца под мембраной, и отверстие, соединенное с концом собирающей пермеат трубы. Изобретение обеспечивает сведение к минимуму мертвых пространств в конструкции, наличие которых приводит к бактериальному загрязнению и образованию биологических отложений. Также изобретение предусматривает возможность использования в установках обратного осмоса разной производительности. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

Устройство для очистки сточных вод // 2591941

Изобретение относится к мембранной технике и может быть использовано в процессах очистки сточной воды методом обратного осмоса. Устройство для очистки сточных вод содержит устройство обратного осмоса, емкость - усреднитель очищенной воды, насос, магнитные клапаны, запорную арматуру, расширительный бак, сетчатый фильтр, устройство обратного осмоса первой ступени, отстойник обратного осмоса, накопительную емкость концентрата с погружным насосом, устройство обратного осмоса второй ступени, при этом используют обратноосмотические мембраны рулонного типа с открытым каналом, в которых отсутствует турбулизирующая сетка, а устройство обратного осмоса второй ступени выполнено с возможностью циркуляции в нем концентрата. Технический результат - очистка сточных вод без доочистки с возможностью выхода фильтрата (чистой воды) до 99% от исходной, отсутствие реагентной обработки воды, автоматизированная работа без постоянного обслуживающего персонала. 1 ил.