CN101043932A - 从液体中滤出物质的装置 - Google Patents
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Abstract
用来过滤液体的装置包括平行设置的扁平薄膜袋和用于薄膜袋相互压力密封地连接以及连接一抽吸装置的元件。薄膜袋包含一与两个薄膜平面连接并在边缘处压力密封地封闭的排水元件。相邻薄膜袋通过一个或几个输出孔和所属管道相互地并与抽吸装置连接。输出孔这样设置，使横过薄膜的压差在薄膜袋整个面积上只有很小的下降。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过微过滤、超微过滤和纳米过滤从液体中过滤出物质的装置，包括多个由设计成扁平薄膜袋和被待过滤液体包围的过滤元件组成的过滤模块，其中过滤元件平行地并相互间隔一定距离设置和通过流出孔及连接元件相互连接，所述装置还包括每个过滤模块的一个渗透液出口和连接在过滤模块的渗透液出口上的渗透液收集器。
背景技术
用于净化废水的普通过滤系统由一带管状或箱式上、下开口的壳体的过滤单元组成，壳体内垂直和相互离开一定距离平行地设置许多扁平过滤元件。在各个过滤元件之间的中间空腔构成可通流的通道。各个过滤元件设计成垫或盒，其中柔性排水层和刚性的过滤板在两侧被过滤薄膜包围。
EP 0 707 884 A1公布一用来通过反向渗透以及微过滤、超微过滤和纳米过滤过滤和分离特别是生物有机流动介质的装置，它具有一压力密封壳体、一流动介质入口和用于滞留物及渗透液的出口以及具有许多安装在壳体内的相互离开一定距离的设计成一种薄膜垫并被流动介质环绕流动的过滤元件，其中在壳体内前后或并排设置大量单独的薄膜垫堆，并且堆依次或并排地被流动介质环绕流动。
EP 0 129 663 A1教导一种通过反向渗透，超微过滤、超过滤、气体渗透等等去除水中盐分的薄膜垫，其中在两个外膜片之间设置一排水层，其中排水层与膜片在边缘区内连续和压力密封地焊接。
WO 03/037489A1介绍一种用来净化废水的带许多具有至少一个用来排除其内腔的水的孔的过滤薄膜袋的过滤模块，过滤薄膜袋垂直、平行和尤其是相互以相同的间距这样安装在一刚性支架内，使得位于相邻过滤薄膜袋之间的中间空腔可被液体剧烈地流通。
已知过滤系统包含刚性壳体和/或刚性薄膜盒，其制造和安装费力且成本高昂，它们加大了过滤模块的空间占用，阻碍待过滤流体的流动，尤其是粗大的污物例如头发和纤维积聚在它上面并造成堵塞。
在过滤系统连续运行时对于通过薄膜孔直径过大的颗粒被拦挡和部分附着在薄膜表面上。由于在较长时间段上这种颗粒的积储造成滤渣，它使薄膜表面越来越被堵塞并降低系统过滤效率。在设备维护框架内例如借助于刷子和水束定期机械清理薄膜表面，并去除滤渣。由于已知过滤系统的壳体使薄膜表面的接近受到很大的限制，因此加大清洗难度。
除了机械清洗外还存在这样的可能性，即通过反向冲洗，亦即压力反向冲干净薄膜孔。在已知含有平面的过滤系统中通常不能采用反向冲洗，因为它们一方面带来过滤元件过度伸长和在拉伸敏感的薄膜内造成裂纹的危险，另一方面相邻过滤元件的薄膜被相互压紧，限制了反向流动和滤渣的脱落。
一些已知过滤系统还额外地有这样的缺点，即由于在薄膜两边压差的空间不均匀分布局部加剧了滤渣形成。滤渣的增长率直接正比于薄膜两边的体积流量，从而也正比于薄膜两边压差。在液体压力方面已知过滤系统具有三个区，它们称为过滤器入口、过滤元件内腔和渗透液出口。在运行时过滤器入口(Pv)和渗透液出口(Pa)之间借助于出口端的抽吸泵和入口端的压力泵施加一小的压力差(Pv-Pa＞0)，使部分待过滤液体从过滤器出口通过薄膜流向渗透液出口。在正常工作条件下在过滤器入口和渗透液出口内流动速度和压降很小，因此在过滤元件和输出孔上作用基本上恒定的压力。而对于过滤元件内腔(Pi)不是这样，在它里面渗透液快速流动，此外向每个输出孔流动速度越来越大。因此在过滤元件内腔内作用一与地点有关的静压力Pi，其中Pi在Pa和Pv之间(Pa≤Pi≤Pv)，并朝每个输出孔越来越小。在单位时间单位面积内流过薄膜的液体量正比于横过薄膜的压力差Pv-Pi。因此在具有高的横过薄膜的压差的区域内，亦即靠近输出孔的区域内比在边缘区域内更迅速地形成滤渣。因此例如在WO03/037489A1中公开的边缘抽吸有利于在过滤元件边缘处滤渣的增长，从而带来过滤效率的过早下降。
发明内容
本发明的目的是，提供一种过滤装置，它可以结构简单和成本低廉地制造，具有小的流动阻力和小的堵塞倾向，在连续运行时容易清洗和修理。
这个目的通过按权利要求1的过滤装置实现，按照本发明其特征是，在每个过滤元件内在两个外薄膜之间包括一单层或多层的排水元件，并在两侧平面贴合地与薄膜连接，过滤元件配备一个或几个被过滤元件同样大小的面积区包围的输出孔，其中每个输出孔设置在包围它的面积区的中心处。
排水元件和外薄膜之间两侧平面贴合的连接防止过滤元件的鼓起，使它在借助于反向冲洗清洗时不被损坏或相邻薄膜相互闭锁。通过按本发明的输出孔的布局使过滤元件上横过薄膜的压差保持比较恒定，并实现与此相关的均匀的滤渣增长和经济的过滤器利用。这种效应还可以通过其流动阻力随着离输出孔的距离减小而变小的排水元件得到支持。例如排水元件的流动阻力可以随其厚度和排水层数而减小。
为了过滤缓慢流动的液体本发明装置优先设计成自支承结构。通过放弃壳体、框架或其他附加支承元件减小了流动阻力和经常捕获待过滤液体中的粗大污物例如毛发和纤维的面积和结构。为了过滤快速流动和涡流的液体，将过滤元件固定在一框架上是有利的，其中框架最好具有小的流动阻力。
此外本发明过滤系统的开式结构有利于薄膜表面的机械清洗，因为它允许清洗器械或水束基本上从各个侧面进入相邻过滤元件之间的缝隙内。例如采用其尺寸小于/等于相邻过滤元件之间的缝隙的圆刷或扁刷作为清洗器具。
所述装置以适宜的方式尽可能模块化地由多个结构相同的部件组成。通常的模块化方案对于加工、储存、装配和安装的优点是早就公知的。此外柔性薄膜袋形式的过滤元件可以比较经济地在一个几乎连续的过滤中由带材制成。
本发明一种优良的结构在于，每个过滤模块的渗透液出口借助于一可拆卸的连接器分别与渗透液收集器的一连接管连接，其中每个连接管配备一阀门。如果关闭连接管的阀门，那么所属过滤模块便可以在连续的运行中脱开并取出，而未过滤的液体不会到达渗透液收集器内。因此在连续运行时可以取出损坏的过滤模块，以便更换或修理，并用起作用的完好过滤模块代替。
本发明过滤装置的薄膜优先由聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚醚酰亚胺、醋酸纤维素、聚烯烃、氟聚合物组成，并可以例如通过以下方法制造，即用聚合物溶液涂覆无纺布或织物，并且气孔在下一个变相工序中产生或通过用合适的方法拉伸聚合物薄膜，使得形成所希望的气孔。在市场上可以得到许多所述薄膜，例如商标名为NADIR的薄膜(威斯巴登市的NADIR过滤股份有限公司)或CelgardFlat Sheet的薄膜(美国北卡罗来纳州，夏洛特市，Celgard有限公司)。
排水元件适宜于由一种或多种由纱、长丝或聚合物线或金属线制成的织物，一种或几种由聚合物组成的无纺布或所述织物和无纺布组合组成。
薄膜可以通过涂抹反应或高温粘接剂与排水元件整面、点状或线状连接。热力焊接或超声波焊接同样是对于建立这种连接合适的方法。在过滤元件边缘处排水元件和薄膜压力密封地封口，以防止未净化介质进入。
附图说明
下面参照示意图借助于实施例具体说明本发明。附图表示：
图1一带过滤模块的装置的剖视图，其中每个模块由相互离开一定距离的过滤元件以及一渗透液收集器组成；
图2一带过滤元件、连接元件和渗透液出口的过滤模块的剖视图；
图3图2的局部放大图；
图4a一由借助于绳环固定在框架上的过滤元件和渗透液出口分件组成的过滤模块的透视图；
图4b图4a的视图，其中过滤元件借助于孔固定在一框架上；
图5一带6个输出孔和边缘区的过滤元件的俯视图；
图6a一带输出孔、两个外薄膜和一排水层的过滤元件的局部透视图；
图6b图6a的带一支承元件的视图；
图7一连接元件的透视图；
图8a由带外薄膜的过滤元件、排水元件、支承元件、密封件和连接元件组成的过滤模块的局部剖视图；
图8b图8a带附加的装配工具的视图；
图9示出连接元件连同间隔件。
具体实施方式
如由图1所见，装置1由多个带过滤元件3的过滤模块2组成，过滤元件设计成扁平薄膜袋并被待过滤液体包围或环绕流动。过滤元件3平行并相互离开一定距离设置，并通过连接元件13压力密封地相互连接，其中连接元件13连接在过滤元件3上的输出孔8上，各个过滤模块2的渗透液出口11借助于一连接器18与渗透液收集器12连接。渗透液收集器12包括一主管道22，从它上面分叉出连接管19。连接管19配备一连接器座20和一阀门21。在连接状态下连接器18和连接器座20构成在渗透液出口11和渗透液收集器12之间的压力密封连接。
在图2和3中通过箭头表示通过薄膜4和5和排水元件6进入连接元件13及渗透液出口11的渗透液流。其次图3表示一流出缝隙9及一盖板24，用它压力密封地封闭过滤模块2第一个过滤元件3的外侧上的各个输出孔8。在本发明一种简单的实施形式中连接元件13和盖板24直接与过滤元件3粘接。
在图4a中所示的例子中，过滤元件3用设计成绳环的固定件23悬挂在一框架31内。悬挂保证柔性的过滤元件3即使在强烈涡旋地流动的液体中保持相互平行和离开一定距离地设置。图4b表示一种可供选择的借助于孔的悬挂。为了保持框架31的流动阻力小，它们由具有小的成型横截面的金属型材制成是有利的。在一种优选实施形式中框架31空间固定地安装在例如一沉淀池的壁上，并既用来悬挂过滤元件3又用来固定渗透收集器12和渗透液出口11。在这种优选实施形式中渗透液收集器12和渗透液出口11借助于横杆(图中未画出)与框架31连接。
图5表示一带圆角10的过滤元件3的俯视图。举例表示6个圆形输出孔8，其中每个输出孔8位于过滤元件3的相同大小的面积区的中点上。在图5的视图中面积区通过虚线表示，其中每个面积相当于过滤元件3面积的1/6。过滤元件3的尺寸以及输出孔8的数量和位置这样选择，使得包围输出孔8的面积区相当于过滤元件3面积的整数部分。对于在薄膜面积上薄膜两侧压差的均匀分布，正方形的面积区证明是特别有利的。在本发明一种优选实施形式中过滤元件3的长度L和宽度B之比这样选择，使得存在一公因子T，亦即L/m＝B/n＝T，其中m，n是整数。因此过滤元件的面积包括m×n个大小为T2的正方形面积区，其中每个面积区配备一位于中心的输出孔8。
在图5中通过虚线表示和围成外形轮廓的边缘区7内，过滤元件3压力密封地封口。压力密封的封口做成热力或用超声波产生的焊缝或粘接缝、线状缝或拼接缝的形式，其中或者外薄膜4和5与排水元件6或者外薄膜4和5直接相互连接。为了薄膜4和5的相互直接封口，排水元件6设计得比薄膜4和5略小是适宜的。
在粘接缝的一种优选结构中，外薄膜4和5与排水元件6通过将过滤元件的边缘或棱边浸入熔液或溶液的方法封口，其中熔液或溶液基本上由过滤薄膜的聚合物原材料组成。
图6a和6b以透视图表示一带和不带支承元件15的输出孔8，这里支承元件设计成环形片。流出缝隙9由输出孔8与排水元件6的切口面积构成，通过该流出缝隙使渗透液从过滤元件内腔到达连接元件13和渗透液出口11内。对于本发明的排水元件6，特别是如果它设计成聚合物织物或无纺布的话，那么通过垂直于薄膜4表面的小的局部的作用力便已经可以使流出缝隙9变窄或完全关闭。按照本发明通过支承元件15避免这样的不利效应，使得局部作用在流出缝隙上并垂直于薄膜4的力分布到一较大的面积上。
图7表示连接元件13一种优选实施形式的透视图，其中连接元件13设计成一管，并配备一圆柱形凸台14。
在图8a中以剖视图表示的过滤模块2的局部视图表示凸台14作为用于连接元件13在相邻过滤元件3内相互面对面的输出孔8之间的空间布置和固定的结构的功能。圆柱形凸台14的外径这样选择，使它可与支承元件15形锁合地结合。在本发明一种优选实施形式中，在支承元件15和连接元件13之间插入一密封件16，它设计成橡胶环形片。凸台14的尺寸这样选择，使其长度大于密封件16的厚度并小于/等于密封件16和支承元件15的总厚度。由此达到连接元件13机械稳定和压力密封的固定。过滤模块2内第一个过滤元件3的输出孔8在其外侧上用一盖板24压力密封地封闭。其次在图7中表示待过滤液体和渗透液从入口经过薄膜4和5、排水元件6和连接元件13进入渗透液出口11的流动。
在图8b中所示实施例的附加的装配工具28包括一杆29和两个螺母30，其中杆29在两端设有螺纹。杆29穿过盖板24和连接元件25的中央孔27，并借助于螺母30固定。连接元件25具有多个通道26，渗透液通过它们流入渗透液出口11。
图9表示连接元件13的一种优选结构。这里连接元件13是一管子，它在端面上配备至少三个间隔件40。所述间隔件40的长度在过滤元件3厚度的90％至100％之间。为了配合精确地安装间隔件40，过滤元件3配备间隔件孔41，其中间隔件孔41环绕输出孔8同心设置。盖板24同样适宜于配备间隔件40。不管是在过滤模块2装配时还是在以后运行时间隔件40都限制弹性过滤元件3的压缩，从而避免机械损坏和渗透液流动的部分或完全闭塞。间隔件40特别适合于本发明一种简单的实施形式，其中连接元件13、盖板24和连接元件25直接和过滤元件3粘接。
本发明的附图没有示出的另一种实施形式涉及装配工具28，它配备一间隔支座，以限制过滤元件3的压缩。间隔支座特别是一用于杆29穿过的套管，其中套管的长度这样选择，使得当套管力锁合地夹紧在盖板24和连接元件25之间时，过滤元件3的压缩小于10％。在本发明另一种同样可供选择的结构中间隔支座由杆29和一第一及一第二锁紧螺母组成。第一和第二锁紧螺母定位在杆29的螺纹上，使它们构成对于盖板24和连接元件25的止挡，其中在第一和第二锁紧螺母之间的距离这样选择，使得过滤元件3的压缩小于10％。
Claims (36)
1.用来通过微过滤、超微过滤和纳米过滤从液体中过滤物质的装置(1)，包括多个由设计成扁平薄膜袋并被待过滤液体(17)包围的过滤元件(3)组成的过滤模块(2)，其中过滤元件(3)平行并相互离开一定距离设置，并且通过输出孔(8)及连接元件(13)相互连接，所述装置还包括每个过滤模块(2)的一渗透液出口(11)和一渗透液收集器(12)，过滤模块(2)的渗透液出口(11)连接到该渗透液收集器上，其特征为：在每个过滤元件(3)内在两个外薄膜(4，5)之间包含一单层或多层的排水元件(6)，并在两侧与薄膜(4，5)表面附着地连接，过滤元件(3)配备一个或几个被过滤元件(3)的同样大小的面积区包围的输出孔(8)，其中每个输出孔(8)设置在包围它的面积区的中心。
2.按权利要求1的装置，其特征为：过滤元件(3)的长度和宽度成一整数比，每个输出孔(8)设置在过滤元件(3)表面的同样大小的正方形面积区的中心。
3.按权利要求1的装置，其特征为：过滤元件(3)是柔性的。
4.按权利要求1的装置，其特征为：排水元件(6)由一种或几种织物或者一种或几种由聚合物制成的无纺布或由这些织物和无纺布的组合制成，所述织物由纱、长丝或聚合物线或金属线制成。
5.按权利要求1的装置，其特征为：排水元件(6)具有一沿过滤元件(3)的表面变化的流动阻力，其中流动阻力随离输出孔(8)距离的减小而连续或阶梯式地减小。
6.按权利要求5的装置，其特征为：排水元件(6)的厚度随离输出孔(8)距离的减小而连续或阶梯式地增加。
7.按权利要求1的装置，其特征为：过滤元件(3)具有一边缘区(7)，在该边缘区里面外薄膜(4，5)和排水元件(6)形成压力密封的结合。
8.按权利要求1的装置，其特征为：过滤元件(3)具有一边缘区(7)，在该边缘区里面外薄膜(4，5)相互压力密封地连接。
9.按权利要求1的装置，其特征为：过滤元件(3)具有圆角(10)。
10.按权利要求1的装置，其特征为：过滤元件(3)配备固定元件(23)。
11.按权利要求10的装置，其特征为：固定元件(23)设计成绳环。
12.按权利要求10的装置，其特征为：固定元件(23)设计成压力密封的孔。
13.按权利要求1的装置，其特征为：过滤模块(2)配备一框架(31)，固定元件(23)安装在框架(31)上。
14.按权利要求13的装置，其特征为：框架(31)在空间上是固定的，渗透液收集器(12)和渗透液出口(11)安装在框架(31)上。
15.按权利要求1的装置，其特征为：每个输出孔(8)在过滤元件(3)的两个外侧上各配备一由聚合物或金属制成的支承元件(15)。
16.按权利要求1或15的装置，其特征为：相邻的过滤元件(3)借助于连接元件(13)相互压力密封地连接，其中每个连接元件(13)连接在相邻过滤元件(13)中的两个相互面对面的输出孔(8)上。
17.按权利要求16的装置，其特征为：连接元件(13)由聚合物或金属制成。
18.按权利要求1或15的装置，其特征为：输出孔(8)在过滤模块(2)的第一过滤元件(3)的外侧上借助于盖板(24)压力密封地封闭。
19.按权利要求1或15的装置，其特征为：输出孔(8)在过滤模块(2)的最后一个过滤元件(3)的外侧上压力密封地连接在渗透液出口(11)上。
20.按权利要求1或15的装置，其特征为：输出孔(8)在过滤模块(2)最后一个过滤元件(3)的外侧上借助于连接元件(25)压力密封地连接在渗透液出口(11)上。
21.按权利要求18和20的装置，其特征为，盖板(24)和连接元件(25)通过装配工具(28)相互机械连接，其中装配工具(28)在盖板(24)和连接元件(25)之间施加一垂直于过滤元件(3)表面的拉应力。
22.按权利要求21的装置，其特征为：装配工具(28)包括金属或塑料制成的杆(29)和两个螺母(30)，杆(29)在两端具有用于螺母(30)的螺纹，盖板(24)和连接元件(25)分别设有供杆(29)形锁合地穿过的中心孔，连接元件(25)具有多个用来将渗透液转引到渗透液出口(11)内的通道(26)。
23.按权利要求16至22之任一项的装置，其特征为：在过滤元件(3)和连接元件(13)之间，在第一个过滤元件(3)和盖板(24)之间及最后一个过滤元件(3)和渗透液出口(11)或连接元件(25)之间分别设置一由弹性体材料制成的密封件(16)。
24.按权利要求1的装置，其特征为：输出孔(8)是圆形的。
25.按权利要求15的装置，其特征为：支承元件(15)是一环形片。
26.按权利要求16的装置，其特征为：连接元件(13)是一管子。
27.按权利要求23的装置，其特征为：密封件(16)是一环形片。
28.按权利要求26的装置，其特征为：管状连接元件(13)在两端侧具有一圆柱形凸台(14)，其中凸台(14)的外径这样选择，使凸台(14)形锁合地嵌入环形的支承元件(15)内，凸台(14)的内径等于连接元件(13)的内径，凸台(14)的长度大于密封件(16)的厚度并小于/等于支承元件(15)和密封件(16)的总厚度。
29.按权利要求1的装置，其特征为：渗透液出口(11)配备一连接器(18)。
30.按权利要求1的装置，其特征为：渗透液收集器(12)由一主管道(22)和用于过滤模块(2)的连接管(19)构成。
31.按权利要求30的装置，其特征为：每个连接管(19)配备一阀门(21)和一用于连接器(18)的连接器座(20)。
32.按权利要求1的装置，其特征为：连接元件(13)是一管子，该管子在端面上具有三个或多个相互按相同间距设置的间隔件(40)，间隔件(40)的长度在过滤元件(3)厚度的90％至100％之间，并环绕每个过滤元件(3)的所有输出孔(8)设置三个或多个间隔件孔(41)，以配合精确地安装间隔件(40)。
33.按权利要求32的装置，其特征为：盖板(24)配备三个或多个间隔件(40)。
34.按权利要求22的装置，其特征为：装配工具(28)配备一间隔支座，以限制过滤元件(3)的压缩。
35.按权利要求34的装置，其特征为：间隔支座是一用于杆(29)穿过的套管，其中套管的长度这样选择，使得当套管力锁合地夹紧在盖板(24)和连接元件(25)之间时，过滤元件(3)的压缩小于10％。
36.按权利要求34的装置，其特征为：间隔支座包括一杆(29)和一第一和一第二锁紧螺母，第一和第二锁紧螺母定位在杆(29)的螺纹上，第一锁紧螺母构成用于盖板(24)的止挡，第二锁紧螺母构成用于连接元件(25)的止挡，其中第一和第二锁紧螺母之间的距离这样选择，使得过滤元件(3)的压缩小于10％。
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