供热企业水处理系统中空纤维超滤裸膜的设计问题

针对中空纤维超滤膜各组成部分的成本和不同报废原因所占比重，采用模块化理念进行旨在尽可能提高滤芯互换性和在滤芯报废时弃芯留壳的全新设计，创新地设计了带集水头的填充式“工”字形裸膜，使膜件中的中空纤维膜芯与膜壳可分离，膜芯的污堵情况可定期拆解观察，以此确保不同品牌膜芯在原超滤装置中的互换性，最大限度地降低使用成本。
随着膜分离技术的不断发展和完善，超滤膜在工业水处理、生物、食品、医药、环保等许多方面得到越来越广泛应用。尤其是随着我国经济的飞速发展，超滤装置被大量应用于热电企业的工业水处理过程，在截留悬浮物、胶体、大分子有机物、细菌、铁锈等有害物质的水质净化过程中起到了关键作用。在各类超滤膜中，中空纤维膜以其单位体积有效膜面积大、过滤分离效率高、容易清洗、结构简单、操作方便等优点而在工业水处理领域得到的应用最为广泛，成为废水净化、纯水制备的首选装备。蒸汽流量计,蒸汽流量表,蒸汽计量表,蒸汽表,涡街流量计,气体流量计,液体流量计,热水流量计,污水流量计 。

在热电企业水质净化过程中，蒸汽流量计大型中空纤维膜超滤膜的应用较为普遍。直径200mm以上的膜件其高度已超过了1500mm。由于超滤膜件的膜分离功能由数千根中空纤维膜丝承当，并用环氧树脂将纤维丝束两端固定封装在膜壳内组成一个膜件整体。膜件尺寸越大其内填充的中空纤维丝相应地越长，虽增加了膜过水面积，但也使断丝的几率增大。在实际应用过程中，中空纤维膜的污染情况和断丝情况无法直接观察。一旦出现断丝严重、不可逆转的污堵和膜壳爆裂等情况，都将导致膜件的损坏而需整体更换。在超滤膜件报废原因中由中空纤维膜导致的情况占95%以上。由膜丝的问题致使整个膜件的报废，这对于大型超滤膜件而言无疑会增加使用成本。
 
此外，不同厂家超滤膜件互换性差也是超滤应用过程中让用户方头疼的问题。为解决中空纤维超滤膜件存在的上述缺陷，我们对其进行了模块化全新设计，或称为填充式“工”字形裸膜设计。使大型中空纤维超滤膜也如反渗透膜一样成为填充式结构，可方便用户在使用过程中的监测和维护，尽可能地减少换膜成本。

1.中空纤维超滤膜现状
1.1 膜件结构
中空纤维超滤膜按进水方式的不同，或根据膜的致密层是在中空纤维的内表面或外表面，分为内压式和外压式。其主要优点为：单位容积内装填的有效膜面积大，且占地面积小，对原水水质适用范围宽，对污水适应性强，不会堵塞中空管道等。在膜件结构上大多采用环氧树脂将纤维束两端固定封装在膜壳内的整体形式。
1.1.1 内压式
原液先进入中空丝内部，经压力差驱动，沿径向由内向外渗透过中空纤维管成为透过液，浓缩液则留在中空丝的内部，由另一端流出。如图1所示蒸汽流量计。
1.1.2 外压式
原液经压力差沿径向由外向内渗透过中空纤维管成为透过液（即产水），透过液由中空纤维管内流出。而截留的物质则汇集在中空丝的外部，由膜件浓水口排出。如图2所示：

1.2 主要材料有
膜丝材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）、聚丙烯腈（PAN）、聚氯乙烯（PVC）等。目前水处理使用较多的为聚偏氟乙烯（PVDF）和聚醚砜（PES）。不论膜丝采用何种材料，

其承担的作用相同，只是在膜的理化性能上存在差异。膜壳采用UPVC、ABS工程塑料、有机玻璃、玻璃钢或不锈钢等材料。根据膜纤维和膜壳材料的不同，中空纤维丝在整个超滤膜件成本中占60～70%。
1.3 存在的问题
由于膜件采用整体结构，下列问题影响了超滤在使用过程中的性能：
1.3.1 无法直接观察滤丝的污染情况和完整性。
1.3.2 中空纤维超滤膜典型特点为无膜的支撑物，靠纤维管的本身强度来承受工作压力。纤细的纤维管越长，受水流冲击力越大，其断丝的可能性也就越大。
1.3.3 中空纤维丝束的污染情况在在整个膜件的纵向分布上并非均衡，一旦污染严重无法清洗恢复都将导致膜件的整体报废。膜件的更换成本高。
1.3.4 不同品牌膜件的互换性差。

2.新型中空纤维超滤膜设计原则
为最大限度地降低使用成本，针对中空纤维超滤膜的成本和不同报废原因所占比重，进行旨在尽可能提高滤芯互换性和在滤丝报废时弃膜留壳的全新设计，并以外压式为首选运行流程。设计的原则是：
2.1 确保不同品牌膜件在原超滤装置中的互换性，推行模块化设计。
2.2 膜件中的中空纤维膜芯与膜壳可分离，使之成为可替换零件。可定期拆解观察膜芯的使用情况和对膜芯离线清洗。故谓之“裸膜”。
2.3 为缩短中空纤维膜丝长度，采用两段式或多段组合设计。蒸汽流量计,蒸汽流量表,蒸汽计量表,蒸汽表,涡街流量计,气体流量计,液体流量计,热水流量计 。
2.4 为用户最大限度地降低换膜成本。

3.新型外压式中空纤维超滤膜设计
外压式新型中空纤维超滤膜由膜壳部分、膜芯部分、集水头组合及若干密封圈构成。其创新点在于膜芯采用带中心管的“工”字形裸膜设计；采用集水头收集中空纤维膜的产水，采用集水头固定螺环将“工”字形裸膜的上套环固定密封于集水头内形成密闭产水通道。集水头外围的留有浓水孔道，达到原水与产水的隔离目的。其整体结构如图3。
3.1 膜壳部分是膜件的承压容器，是容纳膜芯的外壳，也是提供水流通道的涵道。由膜筒、膜盖、进水连接头（喇叭筒）、膜头固定螺环组成膜件的外壳。上、下膜盖的结构相同以便于制造和更换。

膜盖内的连接头内侧与集水头连接，外侧靠螺纹将进水连接头定位固定。进水连接头是连接膜盖与裸膜中心管内侧的适配器，也是中心管进水侧的封堵塞，还是进水分配器。如图4。
3.2 膜芯部分由上套环、下套环、中心管和中空纤维滤丝束组成，并由环氧树脂将包裹在中心管外围的中空纤维滤丝束均匀地粘接固定在中心管和上、下套环间，形成“工”字形裸膜。中心管是连接上、下套环的固定轴和产水传导通道。上、下套环外侧均留密封圈槽。上套环固定于集水头内靠其外侧密封圈密封，达到与浓水隔离之目的。下套环密封圈主要起定位作用。下套环环氧树脂密封面上开有若干进水孔。为增加上、下套环的抗纵向剪切力可设若干加强筋。如图5。
3.3 集水头组合由集水头和膜芯固定螺环组成。集水头是中空纤维丝束产水收集器，也是膜件内的连接器，与滤芯中芯管相连组成独立的产水通道。其外围设计有浓水孔道。膜芯固定螺环将“工”字形裸膜上套环固定在集水头内形成密封的整体，组成内置滤芯。集水头凸出部靠密封圈与膜盖产水内口及裸膜中心管进水口内侧连接。
3.4 为减小集水头浓水对裸膜下套环进水面的应力在裸膜结合部的前段集水头加装导流碗。导流碗外缘以密封圈与膜壳内侧密封。蒸汽流量计,蒸汽流量表,蒸汽计量表,蒸汽表,涡街流量计,气体流量计,液体流量计,热水流量计 。
3.5 膜件内流程为：原液经膜盖进水管和进水连接头，进入裸膜下套筒环氧树脂密封面的进水孔，进入过滤腔，经中空纤维滤膜过滤后产水进入集水头，并经与之连接的中心管或膜盖产水口流入下段滤芯或膜件产水出口。浓水经集水头外侧浓水孔道进入下段滤腔或膜件浓水出口。

4.内压式中空纤维超滤膜设计
内压式“工”字形裸膜结构设计上与外压式基本相同，采用相同膜壳和集水头蒸汽流量计。裸膜的中心棒为上、下套环的固定定位轴，可用高强度厚壁不锈钢管或ABS塑料管加工。上、下套环结构及尺寸相同，并分别装配集水头。如图7。
内压“工”字形裸膜的上、下套环均为中空纤维的透水面，进水经集水头入口分配到各中空纤维膜丝内汇集到下端集水头。两段式的集水头进出水头用集水头连接套管密封连接。如图8。

5.水通量设计
单支膜件的水通量取决于中空纤维膜丝。在膜丝单位面积产水量不变的情况下，滤芯装填的膜面积越大，则滤芯的总产水量越多。其计算公式为：
Q=Sρd2vλ/4
S内=πdL×n
S外=πDL×n
其中：Q为产水量；ρ为膜单位面积微孔数；d为膜面微孔平均直径；v为水流速度；λ为有效系数；S内为膜丝总内表面积；d为超滤膜丝的内径；S外为膜丝总外表面积；D为超滤膜丝的外径；L为超滤膜丝的长度；n为超滤膜丝的根数。
由于集水头和中心管占据了部分中空纤维滤膜丝的空间，

会使膜面积比同尺寸传统膜件略有减少，可通过略为加大膜壳直径，或增加超滤装置膜件个数来达到要求的水通量。

6.材料选择
膜件各部件材质除膜芯的中空纤维丝外均要求强度好，耐压不变形，耐腐蚀。
6.1 膜壳部分为耐压容器，传统的膜壳材料UPVC、ABS工程塑料、有机玻璃、玻璃钢或不锈钢等均可采用。根据耐压等级不同而有不同的结构尺寸，并预留足够的耐压安全系数。进水连接头（喇叭筒）是膜芯的定位和承压部件，强度和刚性要好，可用ABS工程塑料或不锈钢等材料
6.2 膜芯部分的上套环、下套环材质要求与膜壳相同。中心管是产水通道，也是裸膜产水端与进水端的连接固定轴，其材质要求与进水连接头相同。考虑到轴向长度加大会增加中心管的受力和变形量，因此根据现有超滤膜的尺寸和两段式设计，中心管长度以60cm左右为宜。蒸汽流量计,蒸汽流量表,蒸汽计量表,蒸汽表,涡街流量计,气体流量计,液体流量计,热水流量计 。
6.3 集水头为耐压容器，要求耐压和高强度，又必须尽量减少径向尺寸以少占用膜丝空间。膜芯固定螺环则要求较高的刚性和强度，也可选用ABS工程塑料或不锈钢等材料。

7.结论
中空纤维超滤膜组件的模块化设计，将原有的一体化超滤膜分成几个功能不同的模块组合。主要优点有：
7.1 填充式“工”字形裸膜设计，使膜芯可以方便取出直接观察。易损的膜芯成为可更换部件，便于用户方选择替换。单个“工”字形裸膜成本仅占整体超滤膜件的30～40%左右。可大大降低用户方的使用成本。
7.2 两段设计使料液浓度依次升高，从后段引出浓缩液。因此在前段中料液可以在较低的浓度下运行。这种连续两段操作适用于大规模工业水质净化。两段的“工”字形裸膜设计的纤维管比传统结构缩短约55%左右，可减轻中空纤维丝所受应力，降低断丝的几率。
7.3 浓水在膜壳内呈非直线曲折流动，对膜丝的冲洗效果好，可减轻膜丝的污堵。
7.4 浓水口设于膜盖，使膜筒制造更加简单，生产加工更加简化，便于标准化推广，并可降低膜壳制造成本。
7.5 集水头径向壁厚及中心管外径要占据中空纤维丝空间，从而减少膜面积。设计的水通量使中心管内径为定值。故在保证强度的前提下，尽量减小集水头径向壁厚和中心管壁厚度，或加大膜壳内径以达到需求的装填膜面积。

涡街流量计