陶瓷膜檢驗裝置設(shè)計

魏 杰 ，張國威 ，黎克楠 ，李彥濤 ，馬秋花 ，王慶偉

(1. 新鄉(xiāng)市慧聯(lián)電子科技股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453200；2. 白鴿磨料磨具有限公司, 河南 鄭州 450100；3. 超硬材料磨具國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；4. 河南工業(yè)大學，河南 鄭州 450001)

陶瓷膜是固態(tài)膜的一種，也稱CT膜，主要是Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2等無機材料經(jīng)特殊工藝制備而成的非對稱多孔膜，包括陶瓷微濾膜、超濾膜[1]。陶瓷膜具有化學穩(wěn)定性好、耐高溫、耐酸堿、耐有機溶劑、孔徑分布窄、分離效率高且強度高等優(yōu)勢，已成為膜領(lǐng)域發(fā)展最為迅速，最具發(fā)展前景的品種之一[2]。由于陶瓷膜性能優(yōu)異，目前已在多個領(lǐng)域的分離工藝上獲得成功應(yīng)用，可用于除菌過濾、氣體分離、滲透汽化、催化反應(yīng)、廢水處理等[3]。

陶瓷膜制造工藝復雜，應(yīng)用環(huán)境惡劣，為保證最終產(chǎn)品具有良好的使用效果和使用壽命，出廠前要經(jīng)過多層嚴格的檢驗，如外觀檢驗、尺寸檢驗、強度檢驗、通量檢驗、孔徑及孔隙率測試檢驗等[1-4]。目前，常用的產(chǎn)品檢驗設(shè)備有：檢驗產(chǎn)品運行承壓強度的設(shè)備，模擬實際工況，檢驗產(chǎn)品運行效果及使用壽命的設(shè)備，檢驗產(chǎn)品通量的設(shè)備等。這些檢驗設(shè)備功能單一，多而分散，不僅占據(jù)了較大的場地空間，且維護費用和采購費用較高，造成浪費[5]。檢驗時，設(shè)備的裝夾方式僅適用于低泡點陶瓷膜檢驗，不適用于高泡點陶瓷膜檢驗。因此，設(shè)備適用范圍窄[6]。另外，設(shè)備采用的密封方式也不合理，安裝過程中易造成陶瓷膜損傷[7]。

目前，針對陶瓷膜檢驗技術(shù)方面的報道相對較少，本文通過對以上問題進行實驗探索，設(shè)計開發(fā)了集多功能于一體的，操作簡便，性能可靠的檢驗裝置。

1 裝置設(shè)計

1.1 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計

該裝置，包括反沖洗水箱1、變頻酸堿泵6、清液箱7、陶瓷膜過濾器19、變頻陶瓷泵29、檢驗液體箱32、及相關(guān)儀表閥門。陶瓷膜過濾器內(nèi)安裝陶瓷膜18，殼體設(shè)計多個管口，管口與反沖洗水箱、變頻酸堿泵、清液箱、變頻陶瓷泵、檢驗液體箱及相關(guān)儀表閥門對應(yīng)連接。所有管接口均采用不銹鋼快裝卡箍28連接。如圖1所示。

圖1 陶瓷膜檢驗修復裝置工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.1 Technical process and structure design of ceramic membrane test and repair device

1.2 陶瓷膜密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

陶瓷膜密封結(jié)構(gòu)，包括陶瓷膜18、O型橡膠圈37、密封擋圈38、固定螺栓39、壓板40、隔板法蘭41、過濾器筒體42。過濾器筒體兩端焊接隔板法蘭，隔板法蘭設(shè)計有管孔，孔內(nèi)設(shè)置凸臺。陶瓷膜兩端套裝于隔板法蘭孔內(nèi)，陶瓷膜兩端與隔板法蘭孔間隙裝設(shè)O型橡膠圈和密封擋圈，密封擋圈上設(shè)計壓板，壓板由固定螺栓緊固于隔板法蘭上。如圖2所示。

圖2 陶瓷膜密封結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.2 Sealing structure design for ceramic membrane

通過壓板對密封擋圈加壓，密封擋圈受壓作用于O型橡膠圈，O型橡膠圈受壓脹緊，達到密封作用。本結(jié)構(gòu)特點是安裝簡捷，密封效果優(yōu)異，且安裝及使用過程中陶瓷膜不產(chǎn)生軸向力，避免了對陶瓷膜造成人為損傷。同時，可用于低泡點檢驗，還可用于高泡點檢驗。

2 裝置應(yīng)用

本裝置具備的功能有：檢驗通量；檢驗強度；模擬實際工況；檢驗陶瓷膜使用效果及壽命；陶瓷膜清洗及膜層剔除等。另外，引入電控技術(shù)實現(xiàn)自動化控制。

2.1 陶瓷膜通量檢驗

檢驗通量時，采用介質(zhì)為純凈水，操作壓力為0.1 MPa，溫度為25 ℃，單位時間、單位膜面積透過的純水體積[4]。操作方式為：檢驗液體箱32盛裝純凈水，檢驗液體進口電動閥26，檢驗液體進口手閥27、清液口電動閥9、清液口手閥10、陶瓷泵前手閥30，檢驗液體出口調(diào)壓閥15，檢驗液體出口電動閥16打開，其余閥門關(guān)閉。啟動變頻陶瓷泵29，調(diào)節(jié)檢驗液體出口調(diào)壓閥，使頂部壓力表17示數(shù)達到0.1 MPa，控制水溫達到25 ℃(冬季時啟用加熱器34)，通過清液流量計8記錄單位時間流出的水量。

2.2 陶瓷膜強度檢驗

檢驗強度的原理是采用高壓純水或一定pH值的高壓酸堿液循環(huán)作用于陶瓷膜內(nèi)部，周期泄壓以形成脈沖，檢驗其一定周期內(nèi)對陶瓷膜的損壞程度。純水測試可作為陶瓷膜無腐蝕條件下耐壓強度；一定pH值的酸堿液可作為陶瓷膜腐蝕條件下耐壓強度。操作方式為：檢驗液體箱32盛裝介質(zhì)、酸堿泵前手閥3、反沖洗手閥4、反沖洗電動閥5、清液口電動閥9、清液口手閥10、倒淋閥25、反沖洗回流電動閥35、反沖洗回流手閥36關(guān)閉，其余閥門打開，啟動變頻陶瓷泵29，通過改變陶瓷泵頻率，并配合檢驗液體出口調(diào)壓閥15，調(diào)節(jié)壓力，示數(shù)由頂部壓力表17顯示。介質(zhì)由檢驗液體進口24進入陶瓷膜過濾器19，經(jīng)過陶瓷膜18，由檢驗液體出口14排出，返回檢驗液體箱。由陶瓷膜過濾出的液體由循環(huán)口20返回檢驗液體箱，過濾出的液體壓力由筒體壓力表12顯示，頂部壓力表值與筒體壓力表值之差，為陶瓷膜所承受內(nèi)壓。循環(huán)口電動閥22關(guān)閉，清液側(cè)開始升壓。頂部壓力表和筒體壓力表示值達到一致時，循環(huán)口電動閥打開，清液側(cè)壓力瞬間降低，即泄壓。周期性反復升壓和泄壓，形成脈沖，檢驗陶瓷膜抗沖擊能力。加熱器用于提高檢驗介質(zhì)溫度，溫度表33顯示示值，配合反沖洗實現(xiàn)檢驗陶瓷膜抗冷熱沖擊能力。通過工作時間及脈沖次數(shù)作為陶瓷膜的耐壓強度指標。循環(huán)口處流量計23可以檢驗不同試驗壓力下陶瓷膜濾液通量。倒淋閥用于停機時，排放過濾器內(nèi)液體。

反沖洗操作：反沖洗水箱1盛裝純水或化學洗滌液，打開酸堿泵前手閥3、反沖洗手閥4、反沖洗電動閥5、反沖洗回流電動閥35、反沖洗回流手閥36，其余閥門關(guān)閉。啟動變頻酸堿泵6，通過變頻調(diào)節(jié)脈沖壓力，并通過程序設(shè)定脈沖頻率及脈沖周期。反沖洗也在一定程度體現(xiàn)陶瓷膜強度指標。

2.3 陶瓷膜應(yīng)用效果檢驗

采用客戶原料作為介質(zhì)，模擬現(xiàn)場工況及工藝，檢驗陶瓷膜過濾效果，應(yīng)用情況，并試驗其壽命。操作方式為：檢驗液體箱32盛裝客戶原料。啟動前，酸堿泵前手閥3、反沖洗手閥4、反沖洗電動閥5、反沖洗回流電動閥35、反沖洗回流手閥36，循環(huán)口手閥21、循環(huán)口電動閥22關(guān)閉，其余閥門打開。啟動變頻陶瓷泵29，通過變頻，結(jié)合檢驗液體出口調(diào)壓閥15調(diào)節(jié)所需壓力，示數(shù)由頂部壓力表17顯示。檢驗介質(zhì)由檢驗液體進口24進入陶瓷膜過濾器19，經(jīng)過陶瓷膜18，由檢驗液體出口14排出，返回檢驗液體箱32，陶瓷膜過濾出的液體由清液口11排出，排入清液箱7，清液口出液壓力由筒體壓力表12顯示。工作過程中，根據(jù)工況工藝需要執(zhí)行反沖洗程序。加熱器34可根據(jù)工況改變介質(zhì)溫度。清液質(zhì)量可作為檢驗陶瓷膜使用效果指標，工作時間及反沖洗脈沖次數(shù)作為陶瓷膜的耐壓壽命指標，同時，清液口流量計8可以檢驗不同試驗壓力下陶瓷膜濾液通量。

2.4 陶瓷膜清洗

陶瓷膜的清洗分為物理清洗和化學清洗。物理清洗直接采用純凈水清洗。化學清洗是在水中加入特定的化學藥劑進行清洗，該方法能清除復合沉積污垢，快速恢復膜通量[8]。陶瓷膜清洗時，反沖洗水箱1盛裝清洗液，操作方式與反沖洗操作相同。

2.5 膜層剔除

生產(chǎn)過程中，膜層質(zhì)量不達標，或者使用后膜層脫落，影響正常使用，可以將膜層剔除，留下支撐體，重新造膜，以便修復。該裝置可以簡便高效的實現(xiàn)膜層的剔除，原理是通過變頻陶瓷泵將高壓脫膜料循環(huán)打入陶瓷膜內(nèi)，促使脫膜料與膜層反復研磨，膜層全部破壞脫落，并脫離管體，達到脫膜的目的，為進一步修復做準備[5]。操作方式為：檢驗液體箱32盛裝脫膜料，檢驗液體出口調(diào)壓閥15，檢驗液體出口電動閥16，檢驗液體進口電動閥26，檢驗液體進口手閥27，陶瓷泵前手閥30打開，其余閥門關(guān)閉，啟動變頻陶瓷泵29，脫膜料在陶瓷膜內(nèi)部循環(huán)進出，反復研磨，實現(xiàn)陶瓷膜膜層脫除。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計的陶瓷膜檢驗裝置，得出的結(jié)論有：

(1)本裝置功能種類多，檢驗方向符合應(yīng)用實踐，有效的節(jié)約了設(shè)備的空間占位和成本，并且提高了工作效率。

(2)陶瓷膜密封方式在獲得提升的同時，更加簡單有效，密封效果優(yōu)異，且安裝及使用過程中不會對陶瓷膜產(chǎn)生軸向力，避免了對陶瓷膜造成人為損傷，同時不僅可用于低泡點陶瓷膜檢驗，還可用于高泡點陶瓷膜檢驗，可用范圍大。

(3)裝置最大優(yōu)勢是可采用純水、客戶原料、不同pH值酸堿液或脫膜料做介質(zhì)，加熱器提高介質(zhì)溫度，用以檢驗通量、檢驗強度、應(yīng)用效果及使用壽命，還用以清洗和剔除膜層。

(4)裝置管接口采用不銹鋼快裝卡箍方式連接，安裝拆卸方便快捷，效率高，勞動強度低，成本低。

(5)引入電控技術(shù)，可設(shè)定程序，實現(xiàn)自動化運行。