Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа
Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа (МЭ) предназначен, прежде всего, для очиски питьевой воды в бытовых условиях с использованием (в зависимости от качества исходной воды) ультрафильтрационной, нанофильтрационной или обратноосмотической мембраны, при этом обеспечивающий конверсию воды до 70-80%. МЭ состоит из центральной трубки с продольной перегородкой, разделяющей внутренний канал в трубке на каналы для ввода очищаемой воды и для вывода фильтрата, с двумя рядами радиальных отверстий по ее длине, расположенных напротив перегородки, и одного мембранного пакета трапециидальной формы, включающего сложенную вдвое полупроницаемую мембрану с селективным наружным слоем, турбулизаторную сетку и дренажное полотно. Мембрана в зоне перегиба имеет ряд отверстий, совмещенных с радиальными отверстиями трубки для ввода очищаемой воды, и герметично приварена или приклеена снаружи, к трубке с двух сторон указанных отверстий. При этом более широкая сторона трапеции мембранного пакета прилегает к трубке. После спиральной намотки оба торца МЭ полностью герметизируются термореактивной композицией или термопластом, при этом вход в канал трубки для ввода очищаемой воды и в канал для вывода фильтрата, а также канал для вывода концентрата на наружной поверхности МЭ остаются открытыми. Течение очищаемой воды по спиральному каналу МЭ осуществляется от центра к переферии. Сбор и вывод фильтрата из МЭ производится от переферии по спиральному каналу к центру. Предлагаемая конструкция МЭ позволяет с целью упрощения и удешевления технологии его изготовления производить раскрой конструкционных материалов и спиральную намотку одновременно на два МЭ с последующей поперечной разрезкой на равные заготовки и выполнением дальнейших необходимых операций для завершения изготовления МЭ.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемое изобретние относится к области конструкции (устройству) мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (далее МЭ) для очистки жидких сред и способу его изготовления.
Как известно, МЭ состоит из центральной трубки с радиальными отверстиями по ее длине, вокруг которой спирально намотаны один или несколько мембранных пакетов; каждый включает сложенную вдвое полупроницаемую полимерную мембрану, турбулизаторную сетку для каналов очищаемой жидкости и дренажное полотно для каналов отвода фильтрата; при этом указанные каналы соответствующим образом герметизированы друг от друга.
МЭ широко используется практически во всех отраслях промышленности в процессах обратного осмоса, нано-ультра-микрофильтрации для очистки и обессоливания природных и сточных вод промышленных предприятий; водоподготовки технологических вод различных производств; для получения высококачественной воды питьевого и пищевого назначения, в том числе в бытовых условиях.
Как известно, эта последняя проблема становится все более актуальной, так как качество водопроводной воды и воды из скважены, естественных водоемов во многих регионах России не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям, о чем, в том числе, говорилось неоднократно в средствах массовой информации.
Поэтому, предлагаемое изобретение прежде всего направлено на совершенствование конструкции МЭ с целью более экономичного решения проблемы очистки воды в бытовых условиях.
Это не исключает его использования в МЭ промышленного назначения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время в мире существует большое количество патентов, отражающих различные конструкции МЭ, которые отличаются между собой отдельными конструкционными особенностями, применяемыми конструкционными материалами и технологией изготовления. (Например, патенты Японии 
54-151571; 54-149384; 54-149383; 503-124179. Патенты США 3966616; 3417870; 4235723; 5538642; 6224767.
Европатент 1044718; Авторские свидетельства 1205359; 12113100; 1595553. Патент RU 2.304018 и др.).
Несмотря на обилие опубликованных патентов, следует отметить, что основные принципиальные конструктивные особенности МЭ и его преимущества отражены в патенте США 3417870. Ограничетельное время использования этого патента закончилось более двадцати лет тому назад, что позволило другим фирмам, в том числе в других странах (Япония, Южная Корея, Китай, Италия, Россия и др.) свободно, без ограничений производить МЭ на основе указанного патента. При этом типо-размерный ряд, технические эксплуатационные характеристики рулонных элементов ведущих фирм практически не отличаются, т.е. являются взаимозаменяемыми. Условия выбора для потребителя: их надежность, качество, цена.
Согласно патенту США 3417870 МЭ содержит центральную перфорированную трубку для отвода фильтрата, на которую спирально намотаны несколько листов, сложенных вдвое активным слоем во внутрь мембраны; внутри каждого листа находится лист сетки турбулизатора, создающего канал для очищаемого раствора; листы сложенной мембраны разделены пористым материалом-дренажом, создающим канал для отвода очищенной жидкости-фильтрата. Герметизация этих каналов осуществляется перед спиральной намоткой путем нанесения клеевой композиции на пористый материал-дренаж по трем его сторонам.
После спиральной намотки образуется МЭ, представляющий собой цилиндр с центральной фильтрат отводящей трубкой, внутри которого сформованы, изолированные друг от друга, каналы для очищаемой жидкости и фильтрата.
Каналы для очищаемой жидкости открыты с обоих торцев. Очищаемая жидкость подается в один торец МЭ и выходит через другой торец. Фильтрат по спиральным каналам дренажа к центру, поступает в центральную трубку и выводится из МЭ. Непременным условием нормальной долговременной эксплуатации МЭ, при гарантированном качестве очистки, является обеспечение гидродинамического режима, исключающего возникновение концентрационной поляризации, т.е. повышенной концентрации растворенных веществ непосредственно на поверхности мембраны. Это условие обеспечивается достаточно высокой скоростью течения очищаемой жидкости в канале; время ее контакта с мембраной в элементе составляет несколько секунд.. Как показала многолетняя практика эксплуатации МЭ, отбор фильтрата с одного элемента (коэффициент конверсии, например, для опреснения слабосоленых вод), не должен превышать 15-18%, остальная часть жидкости или сбрасывается в канализацию, или частично возвращается на повторную очистку. Указанное обстоятельство является определенным недостатком МЭ (по патенту США 3417870). Для промышленных установок этот недостаток относительно легко устраняется: элементы соединяются последовательно (см. приложение 1) или в «елочку» и коэффициент конверсии достигает 70-80%.
На основе этого же патента многие фирмы производят МЭ для доочистки водопроводной воды в бытовых условиях (см. приложение 2). Как правило, один элемент обеспечивает потребность в высококачественной воде семью из 3-5 человек, но при этом приходится сбрасывать в канализацию до 80-85% ее первоначального количества (максимальная конверсия одного элемента при его нормальной долговременной эксплуатации составляет ~18-20%), поэтому, при его массовой эксплуатации возникают экономические проблемы.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью предполагаемого изобретения является усовершенстовавние конструкции МЭ для его индивидуального и более оптимального использования в бытовых условиях при получении питьевой воды, повышения при этом коэффициента конверсии до 70-80%, т.е. резкого сокращения сброса концентрата в канализацию, а также упрощение и удешевление технологии его изготовления.
Для этого предлагается:
1. Выполнить центральную трубку (фиг.1; п.1) с продольной перегородкой, разделяющей внутренний канал трубки на два независимых канала (для ввода очищаемой воды фиг.1, 2; п.2 и для вывода фильтрата, фиг.1, 2; п.3) и с радиальными отверстиями в трубке, расположенными по ее длине в два ряда напротив перегородки (фиг.1, 2, п.4; 5).
2. Мембранный пакет, состоящий из сложенной вдвое полупроницаемой мембраны с наружным селективным слоем (фиг.1, 2, п.6) и с отверстиями или прорезями в зоне ее перегиба (фиг.1, п.9), турбулизаторной сетки (фиг.1, 2, п.7) и дренажного полотна (фиг.1, 2, п.8), выполнить в форме трапеции. При этом, более широкая сторона трапеции располагается в месте перегиба мембраны, у трубки. Оптимальное соотношение сторон трапеции СВ1 (фиг.2) и СВ2 (фиг.2) B1:В2~2:1÷2,5:1.
3. Разместить центральную трубку внутри мембраны так, чтобы радиальные отверстия в трубке для очищаемой воды (фиг.1, п.4) совмещались с отверстиями (или прорезями) в мембране (фиг.1, п.9).
4. Мембрана должна быть герметично приварена или приклеена к трубке по всей длине, с двух сторон радиальных отверстий для очищаемой воды (фиг.1, п.4).
5. Перед спиральной намоткой мембранного пакета на центральную трубку производится нанесение клеевой композиции на дренажное полотно в конце мембранного пакета (фиг.1, п.11).
Торцы полностью герметизируются термопластом или термореактивной композицией; при этом вход в канал в трубке для ввода очищаемой воды (фиг.1, п.2) и вывод фильтрата (фиг.1, п.3) должны быть открыты.
6. Предлагается изменить направление движения очищаемой воды (по сравнению с аналогом МЭ) - выполнить ее ввод через канал в трубке (фиг.1, п.2) и далее по спиральному каналу, и вывод концентрата через открытый канал, расположенный на наружной цилиндрической поверхности МЭ (см. фиг.2).
В этом случае площадь поперечного сечения спирального канала для очищаемой жидкости в МЭ, по сравнению с площадью поперечного сечения аналогичного канала в МЭ тех же параметров по патенту США 3417870, выпускаемых зарубежными фирмами в настоящее время (см. приложение 1) в ~4,0 раза меньше (вход очищаемой воды с одного торца МЭ и выход концентрата в другого торца).
Это обеспечивает при равных скоростях течения очищаемой воды в сравниваемых МЭ возможность уменьшения в несколько раз ее подачи, а следовательно, значительный рост конверсии и пропорциональное снижение сброса концентрата в канализацию.
При движении очищаемой воды в канале МЭ происходит непрерывнй отбор фильтрата, поэтому скорость ее течения в канале постоянно уменьшается.
Для ее поддержания в требуемом диапазоне (исключающем концентрационную поляризацию) необходимо пропорционально уменьшать площадь поперечного сечения канала для очищаемой воды. Для этого и предлагается выполнить мембранный пакет в форме трапеции, основные особенности конструкции которого изложены выше.
Выполнение предложений по п.п.1, 2 обеспечивает повышение коэффициента конверсии МЭ до 70÷80%, существенное уменьшение сброса концентрата в канализацию, а следовательно, более экономичной его эксплуатацию (направление течения фильтрата по спиральному каналу к центральной трубке).
7. С целью упрощения технологии изготовления МЭ и снижения его стоимости предлагается раскрой конструкционных материалов и их спиральную намотку производить одновременно на два МЭ (фиг.3) с последующей поперечной разрезкой на равные заготовки и выполнением дальнейших необходимых операций для завершения изготовления МЭ (фиг.4). На фиг.5 приведен схематически общий вид размещения МЭ в корпусе и направления течения очищаемой воды, концентрата и фильтрата.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Авторами предполагаемого изобретения были изготовлены и испытаны два образца мембранных элементов (МЭ) на основе нанофильтрационной мембраны типа ОПМН-П для очистки воды в бытовых условиях.
При этом, один из МЭ был традиционной конструкции (по патенту США 3417870), который в настоящее время производится многими ведущими фирмами США, Японии, Южной Кореи, Китая и другими, в том числе и для очистки воды в бытовых условиях, а второй - по конструкции, описанной в предлагаемой заявке. Исходные конструкционные материалы, отличительные особенности, условия и результаты испытаний указанных образцов МЭ приведены в таблице. При испытании оценивалось влияние степени конверсии (т.е. соотношение объема очищенной воды в единицу времени к объему очищаемой воды в процентах: К=Q ф/Qисх 100%) на его селективность. Конверсия изменялась от 15 до 75%. Образец элемента по предлагаемой заявке был дополнительно подвергнут ресурсным испытаниям.
Как видно из таблицы, результаты испытания следующие: образец МЭ, изготовленный в соответствии с патентом США 3417870 с повышением степени конверсии с 15 до 50%, и, как следствие, с уменьшением скорости течения очищаемой воды в канале элемента, заметно снизил свою селективность и производительность. Это объясняется возникновением концентрационной поляризации на поверхности мембраны, т.е. возрастанием концентрации NaCI у поверхности мембран по сравнению с концентрацией в «ядре потока» (в связи с этим, фирмы, производящие указанные элементы, рекомендуют ограничить степень конверсии до 15÷20%. Приложение 1, подчеркнуто). Результаты испытания МЭ предлагаемой конструкции заметно отличаются от приведенных выше: указанный МЭ показал практически начальные эксплуатационные характеристики при изменении конверсии в пределах 15÷75%. Эти результаты были подтверждены его ресурсными испытаниями в течение 80 часов.
Таким образом, можно с достаточной степенью уверенности утверждать, что предлагаемая конструкция МЭ для, прежде всего, индивидуального использования при очистке воды в бытовых условиях имеет право на самостоятельное существование.
| Таблица | ||||||||
| пп | Наименование основных параметров и эксплуатационные характеристики | Данные по опытным образцам | ||||||
| 1. | 2. | 3. | 4. | 5. | 6. | 7. | ||
| 1. | Используемое мембранное полотно |  | | |||||
| 1.1 | Нанофильтрационная композитная мембрана, тип ОПМН-Пх) | + | + | + | + | + | + | + |
| 2. | Тип МЭ | | | |||||
| 2.1 | Согласно патенту 3417870, США | + | + | + | - | - | - | - |
| 2.2 | Согласно настоящей заявки | - | - | - | + | + | + | + |
| 3. | Параметры образцов МЭ | | | |||||
| 3.1 | Диаметр, 43,0 мм (обр.4-7 диаметр 50 мм) | + | + | + | + | + | + | + |
| 3.2 | Длина, 250 мм | + | + | + | + | + | + | + |
| 4. | Площадь мембраны в МЭ | | | |||||
| 4.1 | Общая площадь, м2 | 0,45 | 0,45 | 0,45 | 0,45 | 0,44 | 0,44 | 0,44 |
| 4.2 | Эффективная рабочая площадь, м2, хх) | 0,34 | 0,34 | 0,34 | 0,38 | 0,38 | 0,38 | 0,38 |
| 5. | Материалы в напорном канале | | | |||||
| 5.1 | Турбулизаторная сетка, толщина 0,6 мм | + | + | + | + | + | + | + |
| 5.2 | Длина напорного канала, мм | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,9 | 0,9 | 0,9 | 0,9 |
| 5.3 | Поперечное сечение напорного канала, мм2 | 530 | 530 | 530 | 105 | 105 | 105 | 105 |
| 6. | Материалы в дренажном канале | | | |||||
| 6.1 | Дренажное полотно,  =0,3 мм | + | + | + | + | + | + | + |
| 7. | Эксплуатационные характеристики МЭ | | | |||||
| 7.1 | Конверсия, % | 15 | 35 | 50 | 15 | 50 | 75 | 75 |
| 7.2 | Производительность МЭ, л/ч, ххх) | 5,1 | 5,0 | 4,7 | 5,45 | 5,4 | 5,4 | |
| 7.3 | Селективность МЭ, % по NaCI, ххх) | 78,0 | 76,8 | 63,1 | 77,3 | 77,3 | 77,4 | |
| 8. | Условия испытаний | | | |||||
| 8.1 | Рабочая среда: | | | | | | | |
| - водный раствор 0,055 г/л NaCI | + | + | + | + | + | + | + |
| - давление, МПа | 0,35 | 0,32 | 0,35 | 0,35 | 0,35 | 0,35 | 0,35 |
| - температура, °С | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 |
| - режим проточной фильтрации | + | + | + | + | + | + | + |
| - рН=6,5-7,0 | + | + | | + | + | + | + |
| 9. | Ресурсные испытания, Т=80 часов | - | - | - | - | - | - | + |
| 9.1 | Производительность, хххх) | - | - | - | - | - | - | 5,35 |
| 9.2 | Селективность, хххх) | - | - | - | - | - | | 77,3 |
| х) Производство ЗАО НТЦ "Владипор"хх) Определялась после разработки элементаххх) Замер производился после 1 часа работыхххх) Замер производился после 8 часов работы. |
1. Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа для очистки питьевой воды в бытовых условиях (МЭ), состоящий из центральной трубки с радиальными отверстиями по ее длине, вокруг которой намотан мембранный пакет, включающий сложенную вдвое полупроницаемую полимерную мембрану, турбулизаторную сетку для каналов очищаемой воды и дренажное полотно для каналов отвода фильтрата, при этом указанные каналы герметизированы друг от друга, отличающийся тем, что центральная трубка имеет по длине сплошную герметичную продольную перегородку, разделяющую внутренний канал трубки на два независимых канала - для ввода очищаемой воды и вывода фильтрата.
2. Мембранный элемент по п.1, отличающийся тем, что центральная трубка имеет два ряда радиальных отверстий, расположенных по ее длине напротив перегородки.
3. Мембранный элемент по п.1, отличающийся тем, что мембранный пакет выполнен в форме трапеции, при этом более широкая ее сторона располагается в зоне перегиба мембраны у трубки.
4. Мембранный элемент по п.1, отличающийся тем, что сложенная вдвое вокруг центральной трубки мембрана с наружным селективным слоем имеет в зоне ее перегиба ряд отверстий или прорезей, совмещенных с радиальными отверстиями в трубке для очищаемой воды.
5. Мембранный элемент по п.4, отличающийся тем, что мембрана герметично приклеена или приварена к трубке по всей ее длине с двух сторон радиальных отверстий для очищаемой воды.
6. Мембранный элемент по п.п.1, отличающийся тем, что оба его торца полностью герметизированы, при этом вход в канал трубки для очищаемой воды и выход в канал для фильтрата остаются открытыми.
7. Мембранный элемент по п.1, отличающийся тем, что течение очищаемой воды осуществляется от центра к периферии и вывод - через наружную поверхность элемента, для чего канал для очищаемой воды (концентрата) остается открытым.
8. Мембранный элемент по п.1, отличающийся тем, что раскрой всех конструкционных материалов и их спиральная намотка производится одновременно на два элемента с последующей поперечной разрезкой на равные заготовки и выполнением операций для завершения изготовления.
