控制濃差極化層形成的方法、納濾膜及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種控制濃差極化層形成的方法，包括：將待過濾的原料液加入具有納濾膜的過濾池中，所述納濾膜的表面形成有凹凸的圖案；控制原料液在納濾膜的表面流動并于預(yù)定跨膜壓力下過濾，在過濾過程中原料液在納濾膜的表面形成湍流，以防止原料液中的被截留物質(zhì)沉積在納濾膜的表面形成濃差極化層。本發(fā)明還公開一種基于前述方法的納濾膜及其制造方法。通過該方案，本發(fā)明能夠穩(wěn)定、高效、低成本的控制濃差極化的形成，確保良好的污水處理效果。
【專利說明】
控制濃差極化層形成的方法、納濾膜及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明針對納濾法深度處理污水中由于膜表面濃差極化造成的通量衰減與膜污染，提出一種控制濃差極化層形成的方法及納濾膜。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人口的增長，如何利用有限的資源延續(xù)人類的發(fā)展已經(jīng)成為社會必須面對的課題。水資源的污染、短缺和浪費等毀滅性問題正嚴重威脅著人類的健康。作為開源節(jié)流的重要舉措，污水以其水量穩(wěn)定、供給可靠等優(yōu)點作為第二水源正逐漸進入人們的視線。目前，污水處理主要依賴混凝、過濾、吸附、高級氧化和膜處理技術(shù)，其中膜處理技術(shù)中的膜分離技術(shù)具有占地面積小、無相變化、無二次污染、操作方便等優(yōu)點，并借助其排泥量少、出水水質(zhì)優(yōu)且穩(wěn)定等優(yōu)點得以推廣應(yīng)用。但是膜分離過程中產(chǎn)生的濃差極化及其造成的膜通量衰減和膜污染會影響出水水質(zhì)，并增加運行費用，從而阻礙了其進一步推廣。
[0003]所謂濃差極化是指隨著過濾的持續(xù)，溶質(zhì)或被截留物質(zhì)在跨膜壓差作用下持續(xù)向膜表面迀移和累積，在膜表面逐漸形成一濃度層(濃差極化層)，靠近濃度層的水流速度會放緩，水中的膠體粒子和微生物會逐漸迀移、沉積在濃度層里，最后附著在膜表面形成膜污染。濃差極化與膜污染密切關(guān)聯(lián)、相互促進，因此控制濃差極化的發(fā)生至關(guān)重要。
[0004]傳統(tǒng)的濃差極化控制措施有開發(fā)新型的抗污染膜材、對原料液進行預(yù)處理并外加場強化過濾、選擇適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件(包括但不限于溶液的溫度、PH值、流速以及操作壓)等，這些宏觀的控制措施雖然能夠在延長濃差極化形成的時間、提高膜的使用壽命等方面具有一定效果，但是并未從根本上防止?jié)獠顦O化的發(fā)生，并且操作成本大，效果不持久，嚴重的還會增加新的污染物質(zhì)，影響出水水質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明實施例提供一種穩(wěn)定、高效、低成本的濃差極化控制方法一一膜表面形貌改造法，即通過優(yōu)化膜本身的形貌，改變膜表面的水力流場，從而實現(xiàn)對濃差極化的控制。
[0006]本發(fā)明實施例提供的一種控制濃差極化層形成的方法，包括:將待過濾的原料液加入具有納濾膜的過濾池中，其中納濾膜的表面形成有凹凸的圖案;控制原料液在納濾膜的表面流動進行過濾，在過濾過程中原料液在納濾膜的表面形成湍流，以防止原料液中的被截留物質(zhì)沉積在納濾膜的表面形成濃差極化層。
[0007]可選地，凹凸的預(yù)定圖案呈波浪形或者沿預(yù)設(shè)方向排布的鋸齒形。
[0008]可選地，納濾膜的材質(zhì)包括聚偏氟乙烯。
[0009]可選地，所述方法還包括:檢測過濾過程中的跨膜壓力；當(dāng)跨膜壓力達到設(shè)定值時，汲取納濾膜表面的原料液。
[0010]本發(fā)明實施例提供的一種納濾膜的制造方法，包括:提供一模板，其上表面具有凹凸的預(yù)定圖案;在模板的上表面形成一惰性材料溶劑層;在惰性材料溶劑層的表面貼合一襯底基材;將形成有惰性材料溶劑層和襯底基材的模板浸沒于沉淀液中，惰性材料溶劑層在預(yù)定時間后完全凝固變?yōu)榧{濾膜，納濾膜的表面形成有與預(yù)定圖案相嚙合的圖案。
[0011]可選地，凹凸的預(yù)定圖案呈波浪形或者沿預(yù)設(shè)方向排布的鋸齒形。
[0012]可選地，惰性材料溶劑層的材質(zhì)包括聚偏氟乙烯。
[0013]本發(fā)明實施例提供的一種納濾膜，其表面形成有凹凸的圖案。
[0014]可選地，凹凸的預(yù)定圖案呈波浪形或者沿預(yù)設(shè)方向排布的鋸齒形。
[0015]可選地，納濾膜的材質(zhì)包括聚偏氟乙烯。
[0016]本發(fā)明實施例的有益效果:納濾膜的表面具有凹凸的圖案，使得污水等原料液會在納濾膜的表面形成湍流，從而能夠防止原料液中的被截留物質(zhì)沉積在納濾膜的表面形成濃差極化層，即通過優(yōu)化納濾膜本身的形貌，改變納濾膜表面的水力流場，增加膜表面的水力剪切力，從而穩(wěn)定、高效、低成本的控制濃差極化的形成，確保良好的過濾效果。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的控制濃差極化層形成的方法一實施例的流程圖；
[0018]圖2是本發(fā)明的控制濃差極化層形成的裝置一實施例的原理圖；
[0019]圖3是本發(fā)明的納濾膜一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明的納濾膜的制造方法一實施例的流程圖；
[0021]圖5是本發(fā)明的納濾膜的制造方法一實施例的場景示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明所提供的各個示例性的實施例的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。
[0023]圖1是本發(fā)明的控制濃差極化層形成的方法一實施例的流程圖。如圖1所示，本實施例的控制濃差極化層形成的方法包括:
[0024]Sll:將待過濾的原料液加入具有納濾膜的過濾池中，其中納濾膜的表面形成有凹凸的圖案；
[0025]S12:控制原料液在納濾膜的表面流動并于預(yù)定跨膜壓力下過濾，在過濾過程中原料液在納濾膜的表面形成湍流，以防止原料液中的被截留物質(zhì)沉積在納濾膜的表面形成濃差極化層。
[0026]所述方法又稱為納濾法(Nanofiltrat1n，簡稱NF，又稱納米過濾法)，可依賴于圖2所示的裝置進行污水處理。結(jié)合圖2所示，過濾裝置包括抽吸栗21、進水調(diào)節(jié)池22以及設(shè)置有納濾膜23的平板膜裝置24，具體地納濾膜23可以夾持于平板膜裝置24之中，其中，抽吸栗21用于將污水栗入平板膜裝置24中，納濾膜23用于對污水進行過濾，被過濾的水穿過納濾膜23的濾孔，抽吸栗21可進一步抽入未被過濾的濃水，并將該濃水栗入進水調(diào)節(jié)池22中，而后經(jīng)納濾膜23再次過濾，從而在納濾膜23的一側(cè)流出經(jīng)過過濾后的清水、在另一側(cè)流出被過濾掉的濃水(含有高濃度的污染物的水)，該過程可以連續(xù)進行。可選地，上述過濾裝置還可以包括壓力表241以及流量計25，壓力表241用于控制被過濾的水穿過納濾膜23的跨膜壓差，流量計25用于檢測抽吸栗21所抽入的被過濾的水的流量。
[0027]不同于現(xiàn)有技術(shù)，本實施例的納濾膜23的表面形成有凹凸的圖案，例如呈波浪形或者沿預(yù)設(shè)方向(例如污水流動方向)排布的鋸齒形。結(jié)合圖3所示的表面呈波浪形的納濾膜23，本實施例具有如下優(yōu)點:
[0028](I)污水在沿圖3中箭頭所示方向流動的過程中，微米尺度上的波浪形結(jié)構(gòu)(例如高度約5?20μπι)能夠改變污水在納濾膜23表面的水力流場，增加局部湍流和渦流分布以及速度場梯度，從而阻止污水中的顆粒物沉積在納濾膜23的表面，因此可以控制濃差極化的發(fā)生，從而防止膜污染層的形成；
[0029](2)產(chǎn)生湍流的可以增加納濾膜23表面的水力剪切力，能夠破壞已形成的濃差極化層，例如破壞短時間(約10?60min)內(nèi)形成的約10?10ym的濃差極化層，降低了膜污染的發(fā)展速率；
[0030](3)納濾膜23表面的水力剪切力增大，可以降低微生物細胞在膜表面上的沉積概率，微生物較難沉積，減緩了膜表面的生物型污染發(fā)生速率，延長了膜的使用壽命，保證了膜過濾的長期穩(wěn)定低耗能運行；
[0031](4)膜表面的凹凸結(jié)構(gòu)的尺寸遠大于其濾孔的尺寸，例如兩個凸起的間距遠大于濾孔的尺寸，因此基本不會影響納濾膜23的滲透通量。
[0032]所述納濾膜23還可用于對其他原料液進行過濾，即本發(fā)明實施例還可適用于其他場景，例如基因工程和生物培養(yǎng)領(lǐng)域中分離與濃縮生物大分子。進一步地，本發(fā)明實施例還可以檢測過濾過程中的跨膜壓力，該跨膜壓力表示納濾膜23對原料液過濾的膜阻，跨膜壓力越大，則膜阻越大;跨膜壓力小越大，則膜阻越小;并且當(dāng)所述跨膜壓力達到設(shè)定值時，汲取納濾膜23表面的原料液，即汲取位于納濾膜23表面的高濃度的沉積層，從而進一步控制濃差極化與膜污染的形成。
[0033]下面結(jié)合圖4、5介紹納濾膜23的制造方法。如圖所示，包括:
[0034]S41:提供一模板51，該模板51的上表面具有凹凸的預(yù)定圖案；
[0035]該凹凸的預(yù)定圖案包括但不限于呈波浪形或者沿預(yù)設(shè)方向(例如污水等原料液的流動方向)排布的鋸齒形。模板5 I的制作方法包括但不限于:使用包括PDMS(polydime thy Isi 1xane，聚二甲基娃氧燒)的溶劑，將配好的溶劑均勾涂在設(shè)計好形貌的模具上做成模板51。由于PDMS具有較低的表面能，并且是一種惰性材料，不易溶于大多數(shù)的有機溶劑，因此可以保證所形成的預(yù)定圖案在成型過程中更加穩(wěn)定。
[0036]S42:在模板51的上表面形成一惰性材料溶劑層52;
[0037]將制備的惰性材料溶劑52澆注在已具備預(yù)定圖案的模板51上，在室溫下用鑄刀涂平，從而形成納濾膜23的雛形。
[0038]S43:在惰性材料溶劑層53的表面貼合一襯底基材53;
[0039]在涂平惰性材料溶劑層52后立即將襯底基材53壓放在雛形膜上，該襯底基材53包括但不限于無紡布基板。
[0040]S44:將形成有惰性材料溶劑層52和襯底基材53的模板51浸沒于沉淀液54中，惰性材料溶劑層52在預(yù)定時間后完全凝固變?yōu)榧{濾膜23，納濾膜23的表面形成有與預(yù)定圖案相嚙合的圖案。
[0041 ]將雛形膜、模板51和襯底基材53—起浸沒在裝有聚合液的沉淀液54中凝固6-10小時，待完全凝固后，將成型的納濾膜23與襯底基材53從模板51中取出，然后放在在裝滿去離子水的沉淀池中。
[0042]本發(fā)明實施例將襯底基材53貼合于雛形膜的上部，可以避免在沉淀凝固過程中于雛形膜的(與凹凸的圖案相背的)背面形成一致密層，而是形成一具有許多微孔的多孔層，確保納濾膜23的透水性。
[0043]綜上所述，本發(fā)明實施例通過在納濾膜的表面設(shè)計凹凸的圖案，使得污水等原料液在納濾膜的表面形成湍流，從而能夠防止原料液中的被截留物質(zhì)沉積在納濾膜的表面形成濃差極化層，即通過優(yōu)化納濾膜本身的形貌，改變納濾膜表面的水力流場，增加膜表面的水力剪切力，從而穩(wěn)定、高效、低成本的控制濃差極化的形成，確保良好的過濾效果。
[0044]基于此，以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，例如各實施例之間技術(shù)特征的相互結(jié)合，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種控制濃差極化層形成的方法，其特征在于，所述方法包括: 將待過濾的原料液加入具有納濾膜的過濾池中，其中所述納濾膜的表面形成有凹凸的圖案； 控制所述原料液在所述納濾膜的表面流動進行過濾，在過濾過程中所述原料液在所述納濾膜的表面形成湍流，以防止所述原料液中的被截留物質(zhì)沉積在所述納濾膜的表面形成濃差極化層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹凸的預(yù)定圖案呈波浪形或者沿預(yù)設(shè)方向排布的鋸齒形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述納濾膜的材質(zhì)包括聚偏氟乙烯。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 檢測過濾過程中的跨膜壓力； 當(dāng)所述跨膜壓力達到設(shè)定值時，汲取所述納濾膜表面的原料液。5.一種納濾膜的制造方法，其特征在于，所述方法包括: 提供一模板，所述模板的上表面具有凹凸的預(yù)定圖案； 在所述模板的上表面形成一惰性材料溶劑層； 在所述惰性材料溶劑層的表面貼合一襯底基材； 將形成有所述惰性材料溶劑層和所述襯底基材的所述模板浸沒于沉淀液中，所述惰性材料溶劑層在預(yù)定時間后完全凝固變?yōu)榧{濾膜，所述納濾膜的表面形成有與所述預(yù)定圖案相嚙合的圖案。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述凹凸的預(yù)定圖案呈波浪形或者沿預(yù)設(shè)方向排布的鋸齒形。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述惰性材料溶劑層的材質(zhì)包括聚偏氟乙稀。8.—種納濾膜，其特征在于，所述納濾膜的表面形成有凹凸的圖案。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的納濾膜，其特征在于，所述凹凸的預(yù)定圖案呈波浪形或者沿預(yù)設(shè)方向排布的鋸齒形。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的納濾膜，其特征在于，所述納濾膜的材質(zhì)包括聚偏氟乙烯。
【文檔編號】B01D67/00GK105935560SQ201610389220
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】孫飛云, 尚文濤, 董文藝, 李繼, 岳三峰
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院