公开/公告号CN104258736A
专利类型发明专利
公开/公告日2015-01-07
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申请/专利权人 山东九章膜技术有限公司;
申请/专利号CN201410591284.6
申请日2014-10-29
分类号B01D65/10(20060101);
代理机构37107 东营双桥专利代理有限责任公司;
代理人侯玉山
地址 257500 山东省东营市垦利经济开发区胜兴路56号
入库时间 2023-12-17 02:34:24
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2023-07-14
专利权质押合同登记的注销 IPC(主分类):B01D65/10 授权公告日:20151209 申请日:20141029 专利号:ZL2014105912846 登记号:Y2020990001001 出质人:山东九章膜技术有限公司 质权人:北京九章环境工程股份有限公司 解除日:20230627
专利权质押合同登记的生效、变更及注销
2023-07-04
专利权的转移 IPC(主分类):B01D65/10 专利号:ZL2014105912846 登记生效日:20230625 变更事项:专利权人 变更前权利人:山东九章膜技术有限公司 变更后权利人:北京九章环境工程股份有限公司 变更事项:地址 变更前权利人:257500 山东省东营市垦利经济开发区胜兴路56号 变更后权利人:100080 北京市海淀区北四环西路9号909室
专利申请权、专利权的转移
2016-01-13
著录事项变更 IPC(主分类):B01D65/10 变更前: 变更后: 申请日:20141029
著录事项变更
2015-12-09
授权
授权
2015-02-04
实质审查的生效 IPC(主分类):B01D65/10 申请日:20141029
实质审查的生效
2015-01-07
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技术领域
本发明属于反渗透设计基础及应用技术领域，具体涉及一种反渗透膜片单位面积产水量与膜元件产水量换算关系的计算方法。
背景技术
作为水处理的核心元件，反渗透膜是实现水处理领域深度过滤的关键，它是一种模拟生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜，一般都是采用的高分子材料制成的。例如醋酸纤维素膜以及芳香族聚酰肼膜和芳香族聚酰胺膜等。其表面的微孔的直径一般是在0.5～10nm之间，透过性的大小是与膜的本身的化学的结构有一定的关系的。随着我国的膜分离技术的不断的应用，反渗透技术以成为我国的应用的最成功的发展最快的技术之一，我国的反渗透膜的工业的应用的最大的领域依然是为大型的锅炉补给水以及各种的工业纯水，饮用水的市场的规模次之。环保以及电子和医疗，食品饮料以及化工行业的应用也在逐渐的形成一定的规模。
目前，反渗透膜元件一般是由以下不同功能的材料组成：进水流道布、产水流道布、反渗透膜片、集水管、Y型圈等；通过对反渗透膜片进行测试，选择合适的膜片性能来卷制反渗透膜元件，产水流道布与集水管连接，并用胶水沿垂直于集水管的两边及平行于集水管的底边与反渗透膜片背面密封，起到透过液的收集导流作用，进水流道布与反渗透膜片正面接触，起到进水导流作用，最后将涂胶密封后的膜元件卷制成型，烘干后装配密封圈使用。
不同型号反渗透膜元件，其性能表征的标准测试条件，通常是根据不同进水盐浓度选择膜元件的合适运行压力，达到膜元件标称性能，衡量反渗透膜元件的主要两个指标为脱盐率及产水量，本发明主要讨论膜片及膜元件产水量的影响因素、对应关系等。影响膜元件性能中产水量的因素有很多：温度、产水流道布材质及结构、集水管内集水孔的数量及排布、有效膜面积、膜片单位面积产水量等等，前几方面的影响因素更依赖于卷制过程中工艺设计、原料的选择等，而膜片单位面积产水量则成为影响膜元件产水量的决定性因素，就目前而言，在膜元件和膜片在不同测试条件下所得到的膜片单位面积产水量，与膜元件产水量之间对应关系尚未被确定。
发明内容
为了更好的控制膜元件的性能，必须确切的知道单位面积膜片产水量与卷制成膜元件后产水量对应关系，本发明提供一种反渗透单位面积膜片产水量与膜元件产水量换算关系的计算方法，通过该计算方法可直接通过单位面积膜片产水量Y直接得到其相应的膜元件产水量X：
1） 膜片测试与组件测试为同样压力、进水盐浓度下：膜元件产水量与单位膜片产水量的对应关系为：理论膜元件产水量X=理论膜片产水量Y*理论有效膜面积S。
2） 但在很多实际情况中，膜片测试与组件测试是在不同压力、不同进水盐浓度的的情况下进行，此种情况我们可通过本发明提供的算法将膜片产水量的测试条件换算成与组件等同的测试条件下的膜片产水量，即：实际膜元件产水量X/=与组件等同测试条件下的膜片产水量Y/*实际有效膜面积S/。
上述可以看出，在膜片测试与组件测试条件不同的情况下，将膜片测试的压力跟浓度转换成与组件测试等同的压力跟浓度下所得到的单位面积膜片产水量Y/，就可得出实际膜元件产水量 X/，为了便于理解，首先给出本发明技术方案的理论说明：
1、确定影响膜片单位面积产水量的因素:
影响膜片单位面积产水量的因素有：温度、压力、原水浓度、原水PH值以及膜片进水方式等。
a、温度。
温度对膜片、膜元件产水量影响较大，膜元件通常以25℃为标准测试温度，在该温度下测的产水量作为膜元件或膜片的基准产水量，在其他温度下，均可以通过温度校正系数矫正到标准温度下单位面积膜片的产水量或者膜元件的产水量，故温度不会对该种计算方法产生较大影响。
b、进水盐浓度。
渗透压是水中所含盐分或者有机物浓度和种类的函数，盐浓度增加，渗透压也会增加，进水驱动压力的大小主要取决于进水中的含盐量。如果压力保持恒定，含盐量越高，通量就会越低。通过做膜片通量-浓度实验进行数据分析，可以看出膜片通量随着原水浓度的增加而缓缓降低，如图1所示。
进水压力主要用于克服自然渗透压，经过多次做膜片通量-进水压力实验得到：膜片的产水量（gpd）与进水压力（mpa）成正比关系，如图2所示。
d、进水方式:
因膜片及膜元件的最终形态不一致，膜片为平面结构，膜元件为螺旋卷式结构，则导致二者的膜片透过水方式不同，膜片测试的水透过方式为垂直透过，膜元件测试的水透过方式为螺旋错流透过。本发明考虑到膜片测试水透过方式是基于垂直透过，对于螺旋卷式膜元件而言，则会与膜片产水量真实值存在一定误差，本发明会将二者的差距考虑进去。
e、PH：
Ph值指的是系统进水的酸碱度，膜元件的脱盐率受PH影响较大，水通量也会有一定轻微程度影响。如图3所示，通常情况下，为保证膜元件的脱盐率，膜片及膜元件测试条件一般维持在PH=7.5左右，本发明忽略PH值对该计算公式的影响。
f、其他原料因素均排除，选择同一条件下对比。
通过上述对影响膜片通量因素的分析，我们接下来，给出本发明的具体技术方案，即如何通过反渗透膜片单位面积产水量直接计算得到其相应的膜元件产水量，其确定方法包括以下步骤：
（1）首先需要明确膜元件产水量的运行条件：运行压力为P1，进水盐浓度为μ1，回收率控制在15%；其次明确单位面积膜片产水量的测试条件：检测压力为P2，进水盐浓度为μ2，温度均为25℃（如其他温度下可用温度系数进行校正），当膜元件产水量与单位膜片产水量测试条件不同时，我们需要知道与膜元件等同条件下的单位面积膜片实际产水量Y5 ，那么膜元件产水量X就可以通过（a）来确定：
X=Y5*S2 （a）
其中：
X为膜元件产水量，单位为gpd
Y5为与膜元件等同条件下的单位面积膜片实际产水量，单位为gfd，
S2为膜元件的实际有效膜面积，单位为ft2，
通过上述可以看出，膜元件实际有效膜面积S2为定值，只要确定Y5就可得到相应膜元件产水量X。
（2）我们设P3、μ3分别为与（1）中膜元件在同等检测条件下的压力、进水盐浓度及温度参数值，则P1=P3，μ1=μ3，Y3为该条件下测试所得到的单位面积膜片产水量，忽略其他因素影响，在进水盐浓度一定的情况下，若只考虑压力对单位面积膜片产水量Y的影响，压力P与单位膜片产水量Y成正比关系，则Y2通过压力关系换算成K3、μ3条件下的单位面积膜片产水量Y4可通过（b）来确定：
Y4=P3/P2*Y2 （b）
且Y4＜Y3＜Y5
其中：Y4为Y2仅通过压力关系换算成P3、μ3条件下的单位面积膜片产水量，单位为gfd，
Y3为P3、μ3测试条件下的单位面积膜片产水量，单位为gfd
Y2为P2、μ2标准测试条件下的单位面积膜片产水量，单位为gfd
P2为单位面积膜片产水量的标准测试压力，单位mpa，
P3为与膜元件同等运行条件下的压力，单位mpa，
（3）若忽略其他因素影响，仅考虑进水盐浓度μ对单位面积膜片产水量Y的影响，通过膜片检测装置，进行测试（膜片产水量数值均为同一膜片在不同条件测试下所得）：
P2、μ2标准测试条件下的单位面积膜片产水量为Y2，
P2、μ3测试条件下的单位面积膜片实际产水量为Y6，
P3、μ3测试条件下的单位面积膜片实际产水量为Y7，
P3、μ2测试条件下的单位面积膜片实际产水量为Y8，
当膜片测试压力恒定在P2时，进水盐浓度由μ2降到μ3时，则膜片产水量变化值△T=Y6-Y2，
当膜片测试压力恒定在P3时，进水盐浓度由μ2降到μ3时 ， 则膜片产水量变化值△N=Y8-Y7，
综上所述,仅考虑浓度对单位面积产水量的影响，当膜片测试条件由P2、μ2转化成P3、μ3时，其单位面积膜片产水量变化值△Y可通过（c）来确定：
△Y=（△T+△N）/2
=（Y6-Y2+Y8-Y7）/2
为保证膜片测试数据的准确性，可选取不同RW膜片测试，△T、△N取平均值，即：
△Y=（
（4）因膜片及膜元件的最终形态不一致，膜片为平面结构，膜元件为螺旋卷式结构，则导致二者的膜片透过水方式不同，膜片测试的水透过方式为垂直透过，膜元件测试的水透过方式为螺旋错流透过，那么我们由于两种进水方式不同而产生的单位面积膜片产水量差值△Z可通过（d）来确定，
△Z=X1/S2-Y3 （d）
其中：X1为在P1、μ1标准下测试的膜元件产水量，单位为gpd，
Y3为P3、μ3测试条件下的单位面积膜片产水量，单位为gfd
S2为膜元件的实际有效膜面积，单位为ft2，
为使△Z更加准确，可选取多组膜片在P3，μ3测试条件下测试单位面积膜片产水量Y3，在用与之对应的膜片卷至相应膜元件，在标准条件下测试膜元件产水量X1，通过公式（d）计算△Z，取其平均数，得出：
综上所述，当膜元件产水量与单位面积膜片产水量测试标准不同时，在P2，μ2标准测试条件下的所得到的单位面积产水量Y2和与膜元件等同条件下的单位面积膜片实际产水量Y5之间的定量关系如步骤（2）（3）（4）所叙述，那么与膜元件等同条件下的单位面积膜片实际产水量Y5可通过（e）来确定：
Y5= Y4 +△Y+△Z
=P3/P2*Y2 +（△T+△N）/2+△Z
=P3/P2*Y2 +（Y6-Y2+Y8-Y7）/2 +X1/S2-Y3 （e）
其中：
Y2为P2、μ2标准测试条件下的单位面积膜片产水量，单位为gfd，
Y6为P2、μ3测试条件下的单位面积膜片实际产水量，单位为gfd，
Y7为P3、μ3测试条件下的单位面积膜片实际产水量，单位为gfd，
Y8为P3、μ2测试条件下的单位面积膜片实际产水量，单位为gfd，
X1为P1、μ1测试条件下的膜元件产水量，单位为gpd，
P2为单位面积膜片产水量的内部测试标准压力，单位mpa，
P3为与膜元件等同检测条件下的压力，单位mpa，
将公式b、c、d均代入下面公式f，便可得到膜元件产水量X：
X =Y5*S2 （f）
X =[P3/P2*Y2+(
其中：
与现有技术相比，本发明的优点是：当某个型号的反渗透膜元件其单位面积膜片产水量与膜元件产水量换算关系的计算公式一旦确定，对后续通过膜片单位面积产水量了解将要卷制的膜元件产水量范围值提供有效帮助，提高膜片利用效率，根据单位面积膜片产水量的不同，可快速判断此类型膜片可卷制成何种通量要求的膜元件。
附图说明
图1为原水浓度对通量的影响曲线图；
图2为进水压力对通量的影响曲线图；
图3为PH值对通量的影响曲线图。
具体实施方式
根据上述分析，下面以1812-50膜元件为例，具体阐述如何通过反渗透单位面积膜片产水量计算出该膜元件的产水量，其具体计算方法包括以下步骤：
（1）选定膜片单位面积膜片产水量测试条件为：进水盐浓度2000μS /cm，检测压力1mpa， 使用此膜片卷制1812-50膜元件，膜元件运行条件为：进水盐浓度600μS /cm，检测压力0.5mpa，测量1812-50膜元件有效膜面积平均值
（2）选定3组不同膜片，测试以下几组数据：
①在进水盐浓度2000μS /cm，检测压力1mpa条件下测试单位面积膜片产水量，
②在进水盐浓度600μS /cm，检测压力1mpa条件下测试单位面积膜片产水量，
③在进水盐浓度2000μS /cm，检测压力0.5mpa条件下测试单位面积膜片产量，
④在进水盐浓度600μS /cm，检测压力0.5mpa条件下测试单位面积膜片产水量，
具体测试方法如下：测试条件：A：恒定压力0.5mpa ；原水温度保持在25℃，运行15min，记录产水量。压力保持不变，将原水浓度调至2000μS /cm，运行15min，记录产水量。B：恒定压力1mpa，其他条件不变。（表2-1为3组不同膜片的测试数据）
表2-1 （注：表中单位面积膜片产水量GFD均在25℃测试得到）
首先确定单位面积膜片产水量变化值△Y：
△T1=27-25，△T2=26.5-24，△T3=28.3-26
△N1=15.2-12.7， △N2=14.3-12.4，△N3=16.1-13.3
则单位面积膜片产水量变化值△Y为：
△Y=（
（3）用上述所选取的3组膜片分别卷制1812-50膜元件，每组膜片各卷1支，在原水浓度600μS /cm，检测压力0.5mpa的标准测试条件下测试膜元件产水量，测试数据如表2-2
表2-2 （注：表中单位面积膜元件产水量GPD均在25℃测试得到）
那么根据表中数据就可以确定由于进水方式不同而产生的单位面积膜片产水量变化值△Z，通过上述可知：△Z=X1/S2-Y3，那么：
△Z1=68/4-15.2，△Z2=65/4-14.3，△Z3=69/4-16.1
则
那么1812-50膜元件产水量计算公式可以根据公式（g）确定：
X =[P3/P2*Y2+(
=[(0.5/1)*Y2+(2.27+2.4)/2+1.63]*4
整理得： 1812-50膜元件产水量X=2Y2+16
其中：
X为1812-50膜元件产水量，单位为gpd，
Y2为在进水盐浓度2000μS /cm，检测压力1mpa测试条件下的单位面积膜片产水量，单位为gfd，
一般1812-50膜元件产水量为50-65gpd，代入公式（g）中，得到卷至1812-50膜元件需要标准测试条件下的单位面积膜片产水量Y2在17-25gfd的膜片。
通过上述分析，选取通量在17-25gfd的膜片卷至1812-50膜元件5支，之后在如下测试条件下(进水盐浓度600μS /cm，检测压力0.5mpa,回收率控制为15%，温度25℃)测试膜元件产水量，与直接通过本计算方法得到的膜元件产水量作对比，以下为多次实际测试数据的一组，如表2-3
表2-3
通过表2-3可以看出：通过本计算方法得出的1812-50膜元件的产水量与标准测试条件下的膜元件产水量接近一致，其误差在允许范围内，通过上述小范围测试与对比，可以达到预期效果，。
通过本计算方法来指导卷制膜元件，可以快速将单位膜片产水量范围值确定，避免了用单位膜片产水量过高或者过低的膜片卷制膜元件而造成的浪费，进一步优化成本，提高了生产效率。
根据实际情况，测试单位面积膜片产水量会存在一定误差，及有效膜面积也会存在一定误差，通过该公式所计算出来的膜元件产水量通常会存在±2gpd的误差，属于正常现象。
综上所述：当某个型号的反渗透膜元件其单位面积膜片产水量与膜元件产水量换算关系的计算公式一旦确定，对后续通过膜片单位面积产水量了解将要卷制的膜元件产水量范围值提供有效帮助，提高膜片利用效率，根据单位面积膜片产水量的不同，可快速判断此类型膜片可卷制成何种通量要求的膜元件。本领域技术人员应当理解，以上举例仅仅是本发明的一个典型实施例，在不超出或不偏离本发明保护范围的情况下，本发明的技术方案及其实施方式有多种修饰、改进或等价变化，这些均应落入本发明的保护范围内。
