способ очистки жидкостей и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки жидкостей, заключающийся в фильтровании очищаемой жидкости через мембрану с периодической регенерацией последней при помощи эластичных элементов, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения, отличающийся тем, что обеспечивают тангенциальный ввод очищаемой жидкости, а эластичные элементы в виде колец автоматически приводят в движение при достижении заданной величины перепада давления на мембране.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заданная величина перепада давления соответствует снижению проницаемости мембраны на 20-25%.

3. Устройство для очистки жидкостей, содержащее цилиндрический корпус с патрубком ввода очищаемой жидкости, расположенным тангенциально к образующей корпуса, патрубками вывода очищенной и недоочищенной жидкости, трубчатый мембранный модуль с наружной полупроницаемой мембраной, установленный с зазором относительно внутренних стенок корпуса, отличающийся тем, что трубчатый мембранный модуль, содержащий каркас с дренажными отверстиями, снабжен эластичными кольцевыми элементами, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения при достижении заданной величины перепада давления на мембране, а нижний торец корпуса выполнен конусообразным.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в качестве полупроницаемой мембраны используют мембрану с удерживающей способностью 0,1-5,0 мкм.

5. Устройство по п. 3 или 4, отличающееся тем, что на входе в корпус установлен фильтр грубой очистки.

6. Устройство по любому из пп. 3-5, отличающееся тем, что в корпусе установлено более одного трубчатого мембранного модуля.

7. Устройство по любому из пп. 3-6, отличающееся тем, что оно снабжено системой автоматического контроля параметров перепада давления на мембране.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к мембранной технике и может быть использовано при процессах очистки жидкостей методами микрофильтрации и ультрафильтрации с применением фильтрующих элементов трубчатой формы в системах водоснабжения и пищевой, микробиологической, медицинской промышленности.

Очистка жидкостей с помощью мембранных процессов связана с уменьшением производительности мембран, вызванной несколькими причинами - концентрационной поляризацией, адсорбцией, образованием слоя геля и забиванием пор, поэтому мембраны требуют периодической очистки для повышения производительности фильтрования. Различают три типа процессов очистки (Мулдер М. Ведение в мембранную технологию. - М.: Мир, 1999): гидравлическая, механическая и химическая. Для восстановления эксплуатационных свойств трубчатых ультрафильтров используют комбинацию трех типов процессов очистки (RU 2094103).

Известны способ и устройство для разделения растворов с помощью полупроницаемой мембраны (Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. - М.: Химия, 1978, с. 121), предусматривающие регенерацию мембраны с помощью эластичных шариков, размер которых превышает внутренний диаметр мембраны. При этом аппарат содержит пористый трубчатый каркас с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной и заполненный эластичными шариками большего диаметра, чем диаметр мембраны. Недостатком известных способа устройства для его осуществления является постоянный контакт эластичных шариков с рабочей поверхностью мембраны, что приводит к механическому износу селективного слоя мембраны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ разделения растворов с помощью полупроницаемой мембраны (RU 2048867), включающий подачу исходного раствора на мембрану, концентрирование непроникающего компонента под действием разницы давления, отвод сконцентрированного раствора и периодическую очистку мембраны эластичными элементами с наложением пульсаций на поток исходного раствора так, что время движения пульсирующего потока в обратном направлении составляет 0,3-1,0 от времени его движения в прямом направлении, причем скорость потока исходного раствора в прямом направлении во время очистки мембраны составляет 0,02-0,10 от скорости потока при концентрировании.

Устройство для осуществления этого способа содержит пористый трубчатый каркас с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной и турбулизирующее устройство, установленное с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненное в виде эластичных плоских крыльчаток.

Недостатками известных способа и устройства является невысокое качество регенерации мембраны и сложность эксплуатации устройства при ее замене.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для мембранного разделения растворов (а.с. СССР 1650226), содержащее корпус со штуцерами ввода разделяемого раствора и вывода пермеата и концентрата и трубчатый мембранный элемент, состоящий из жесткого пористого материала с нанесением на наружную поверхность активным слоем, наружная поверхность мембранного элемента выполнена в виде шнека, а штуцер ввода расположен тангенциально к образующей корпуса.

Однако очистка мембраны поступающим тангенциальным потоком недостаточно эффективна и периодически требуется замена дорогостоящего мембранного элемента.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение производительности процессов очистки жидкостей за счет восстановления фильтрующих свойств мембраны и создание простого и удобного в эксплуатации устройства, пригодного для использования в бытовых условиях или для предварительной очистки жидкостей перед мембранными процессами более тонкой очистки.

Поставленная задача решается за счет того, что способ, заключающийся в фильтровании очищаемой жидкости через мембрану с периодической регенерацией последней при помощи эластичных элементов, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения, предусматривает тангенциальный ввод очищаемой жидкости, а регенерацию мембраны осуществляют с помощью эластичных элементов в виде колец при достижении заданной величины перепада давления на мембране, соответствующей снижению ее проницаемости на 20-25%.

Задача решается также за счет того, что устройство для очистки жидкости содержит цилиндрический корпус с патрубком ввода очищаемой жидкости, расположенным тангенциально к образующей корпуса, и патрубками вывода очищенной и недоочищенной жидкости, фильтр грубой очистки, трубчатый мембранный модуль с наружной полупроницаемой мембраной, установленный с зазором относительно внутренних стенок корпуса. Трубчатый мембранный модуль, состоящий из каркаса с дренажными отверстиями и наружной полупроницаемой мембраны с удерживающей способностью 0,1-5,0 мкм, снабжен эластичными кольцевыми элементами, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения при достижении заданной величины перепада давления на мембране. Внутренний диаметр эластичных кольцевых элементов несколько меньше или равен диаметру трубчатого мембранного модуля, нижний торец корпуса выполнен конусообразным. Для увеличения производительности фильтрования в корпусе может быть установлено более одного трубчатого мембранного модуля.

Предлагаемые нами способ и устройство эффективны для восстановления фильтрующих свойств мембраны в жидкостях, содержащих загрязнения, обладающие повышенной адгезионной прочностью и устойчивые к щелочам и кислотам. Предлагаемое устройство для очистки жидкостей позволяет активно использовать всю площадь мембраны, в несколько раз увеличивает время эксплуатации (до 12-18 месяцев), которое ограничивается только износом мембраны.

На фиг.1 схематически изображен трубчатый мембранный модуль в продольном разрезе, на фиг. 2 схематически изображен общий вид устройства, продольный разрез, на фиг.3 - то же, вид сверху.

Трубчатый мембранный модуль (фиг.1) содержит трубчатый каркас 1 с дренажными отверстиями 3 и расположенной на его наружной поверхности полупроницаемой мембраной 2. Нижний торец мембранного модуля имеет глухое днище 4, а в верхнем торце имеется съемная крышка 5 с патрубком 6 для вывода очищенной воды. Снаружи мембранного модуля установлены эластичные кольцевые элементы 7, способные перемещаться в прямом и обратном направлении.

Устройство для очистки жидкостей (фиг.2, 3) содержит цилиндрический корпус 8, внутри которого установлен трубчатый мембранный модуль, состоящий из трубчатого каркаса 1 с дренажными отверстиями 3 для прохода очищаемой воды и расположенной на наружной поверхности полупроницаемой мембраны 2, верхний конец трубчатого мембранного модуля соединен с патрубком 6 вывода очищенной жидкости, а нижний конец заглушен. Корпус 8 снабжен патрубком 9 для ввода очищаемой жидкости, расположенным тангенциально к образующей корпуса 8, за счет чего создается турбулизация потока жидкости, и фильтром грубой очистки (ФГО) 10. Вывод недоочищенной жидкости осуществляют через патрубок 11 на нижнем конусообразном торце корпуса 8. На верхнем горце корпуса 8 установлена съемная крышка 12, на трубчатом мембранном модуле - эластичные кольцевые элементы 7, которые автоматически приводят при помощи привода 13 в движение вдоль фильтровального патрона. В устройствах с высокой производительностью в корпусе 8 устанавливается несколько трубчатых мембранных модулей.

Устройство работает следующим образом.

Подлежащая мембранной очистке жидкость поступает через фильтр грубой очистки 10 и патрубок 9, расположенный тангенциально к образующей корпуса 8. Создается кольцевое движение жидкости, наиболее крупные частицы отбрасываются к периферии под действием центробежной силы и осаждаются, что способствует более длительному сохранению проницаемости мембраны 2. Проходя через полупроницаемую мембрану 2 трубчатого мембранного модуля, жидкость очищается от механических примесей и по дренажным отверстиям 3 поступает внутрь трубчатого мембранного модуля и очищенная выводится через патрубок 6 потребителю. При работе устройства в режиме фильтрации патрубок 11 для вывода недоочищенной жидкости закрыт. В процессе работы устройства происходит засорение поверхности мембраны 2, что приводит к увеличению перепада давления на трубчатом мембранном модуле. При достижении величины перепада давления до заданной, автоматически приводят в движение эластичные кольцевые элементы 7 при помощи привода 13, перемещаемые вдоль трубчатого мембранного модуля в прямом и обратном направлении. Эластичные кольцевые элементы 7, скользя по поверхности мембраны 2, снимают загрязнения, которые смываются тангенциальным потоком жидкости, проводится промывка мембраны 2, при этом недоочищенная жидкость сливается через патрубок 11. Периодичность регенерации препятствует износу мембраны 2. Эластичные кольцевые элементы 7 выполнены из мягких материалов, которые механически очищают поверхность мембраны без ее разрушения. После длительной эксплуатации (до 12-18 месяцев) удаляются старые мембраны 2 и заменяются на новые. Операция замены мембраны проста и занимает 10-20 мин.

Пример реализации способа.

В корпусе концентрично установлен один трубчатый мембранный модуль, содержащий каркас высотой 400 мм из полимерного материала с дренажными отверстиями и наружную мембрану МУСА-6 с удерживающей способностью 0,2 мкм.

В предлагаемом устройстве по предлагаемому способу очищаемая вода с мутностью 10 мг на литр поступает в корпус под давлением 3-6 кг/см² тангенциальным потоком, проходит через мембрану по дренажным каналам в трубчатый каркас и через патрубок вывода очищенной жидкости к потребителю. Производительность мембранного модуля составляет 1,2 м³/час.

Во время работы устройства степень загрязненности мембраны контролирует датчик перепада давления (на чертеже не показан). При достижении перепада давления на мембране, соответствующей снижению проницаемости мембраны на 20-25% (2,5-3,0 кг/см²), датчик включает привод эластичных кольцевых элементов. Во время работы эластичных кольцевых элементов открывается дренажный кран для сброса загрязненной жидкости в канализацию. Работа устройства и регенерация мембраны происходят в автоматическом режиме. При этом производительность мембран восстанавливается практически полностью.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство очистки жидкостей позволяют обеспечивать высокую производительность фильтрования при простоте конструкции, а также простоту эксплуатации при замене мембраны.