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CN107952370A - 用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体及其制备方法 - Google Patents

用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体及其制备方法 Download PDF

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CN107952370A
CN107952370A CN201711172313.5A CN201711172313A CN107952370A CN 107952370 A CN107952370 A CN 107952370A CN 201711172313 A CN201711172313 A CN 201711172313A CN 107952370 A CN107952370 A CN 107952370A
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李天昕
徐水洋
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Abstract

本发明提供一种用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体及其制备方法，属于环境工程技术领域。该压电振动体包括膜组件本体，弹性金属基层，PZT压电材料层和纳米银电极层，从内而外顺序组装成具有深度纳米级清洁效应的膜组件。从结构模态分析的角度，提供了共振频率，通过激振电路提供一定频率、幅值的激振信号，使压电体驱动膜体及膜结构内部孔道、孔道表面发生强烈共振作用，促使膜内的无机盐离子及小分子化合物排出膜外，有助于反渗透、纳滤技术的反冲洗效果。本发明制备条件优良，具有高阶振动模态和弹性模量，且压电振动体容易移植于对现有的膜组件，从而为老技术的改造提供新的技术方法，能够满足各行业反渗透膜清洗技术升级改造的需要。

Description

用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体及其制备方法
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，特别是指一种用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体及其制备方法。
背景技术
膜技术是环境工程领域具有重要地位的技术手段之一。长期以来，膜技术进一步推广的主要瓶颈是膜污染问题。膜污染不仅关系到膜组件的使用寿命和运行成本，还影响到水处理工艺的运行效果。
膜的污染和劣化这是膜技术在实际应用中的关键问题。电力、化工等企业，为进一步提高水资源的综合利用率，就必须面对含盐废水处理这一技术难题。然而传统抗污染卷式反渗透膜无法有效应对含盐废水中各类高度浓缩的污染离子，存在运行周期短、污堵情况严重且清洗后很难恢复等系列技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体及其制备方法。
该压电振动体包括膜组件本体、不锈钢振子金属基层、压电振动体和环状纳米银电极层，不锈钢振子金属基层、压电振动体和环状纳米银电极层依次顺序黏附于圆柱形膜组件本体外圆周上。
其中，不锈钢振子金属基层为304不锈钢制成，厚度为1-3mm，优选为2mm，长度与膜组件本体相同。
压电振动体为PZT压电陶瓷膜，PZT压电陶瓷膜的厚度为10～20mm，优选为15mm；PZT压电陶瓷膜的长度为不锈钢基体总长70％，且中心对称布置。根据不同厚度和长度，决定模体不同的共振频率(模态)。
制备该压电振动体的方法，过程如下：
首先，采用磁控溅射法在所述不锈钢振子金属基层上形成PZT压电陶瓷膜：将304不锈钢固定于磁控溅射仪中的样品板上，遮蔽304不锈钢两端，将Pb(Zr0.8,Ti0.2)O3靶材至于靶腔中，在304不锈钢上形成PZT压电陶瓷膜，其中，磁控溅射仪的工作条件为：在惰性气体保护下，工作压力为0.2～1.1Pa，直流电功率为55～120W；
然后，在PZT压电陶瓷膜外圆柱表面上磁控溅射制备得到银纳米膜，即为环状银电极层，磁控溅射仪的工作条件为：在惰性气体保护下，工作压力为0.03～1.0Pa，直流电功率为55～120W。
其中，制备PZT压电陶瓷膜时，磁控溅射仪的直流电功率为100-120W；制备环状纳米银电极层时，磁控溅射仪的直流电功率为80-95W。
不锈钢振子金属基层与PZT压电陶瓷膜和环状纳米银电极层之间的距离为80～550mm。
磁控溅射仪中的主控室的压力为2×10-7～3×10-3Pa。
磁控溅射仪在制备银纳米膜及制备PZT压电陶瓷膜时的溅射温度为20～350℃；磁控溅射仪在制备银纳米膜时的溅射时间为20～200s，磁控溅射仪在制备PZT压电陶瓷膜时的溅射时间为60～600s。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明的圆柱形膜组件自清洁技术不同于传统膜清洗的“错流分离”技术，其采用进水方向与膜面垂直，并通过PZT压电材料为为膜体提供震动弹力，使颗粒物不能在膜表面富集；通过压电振动体驱动膜体发生谐振，使膜内微孔、纳米空发生收缩及扩张，能够维持膜通量不受影响，避免了膜堵塞问题的发生，因此具有优异的抗污染性能、高回收率及长周期运行的能力。且本发明制备条件优良，具有高阶振动模态和弹性模量，且压电振动体容易移植于对现有的膜组件，从而为老技术的改造提供新的技术方法，能够满足各行业反渗透膜清洗技术升级改造的需要。
附图说明
图1为本发明的用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体示意图；
图2为图1中A-A方向剖面图。
其中：1-反渗透膜滤芯；2-压电陶瓷振动体；3-不锈钢衬底；4-滤芯支架。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体及其制备方法。
如图1所示，该压电振动体中不锈钢振子金属基层、压电振动体和环状银电极层依次顺序黏附于圆柱形膜组件本体外圆周上。
不锈钢振子金属基层厚度1-3mm，PZT压电陶瓷膜的厚度为10～30mm，银纳米膜电极的厚度为20～150um。采用纳米膜能够进一步的提高各材料的分布，能够使得绝缘性能更为稳定。本发明在不锈钢及Ag纳米膜电极上施加外加交变电流，通过压电陶瓷的逆压电效应产生应变，从而驱动不锈钢基底振动，产生超声波使膜体共振，进行膜清洗。
以下对本发明的用于圆形膜组件自清洁技术的压电振动体的制造方法进行说明。
将清洁后的不锈钢筒本体固定于磁控溅射仪中的样品板上，将银和PZT靶材分别置于磁控溅射仪中的2个靶腔中，钢针本体与银和PZT靶材之间的距离均为300mm，磁控溅射仪中的主控室的压力为1×10-6Pa，对钢针本体两端采用遮蔽处理，使得银和PZT靶材不会溅射到钢针本体两端。首先，在不锈钢圆筒基底内壁上溅射制备得到Ag纳米绝缘膜，磁控溅射仪的工作条件为：在氩气保护下，工作压力为0.5Pa，直流电功率为100W，溅射温度为40℃，溅射时间为50s；然后，立即在表面已覆盖Ag纳米绝缘膜的不锈钢筒外壁上溅射制备得到PZT纳米膜，磁控溅射仪的工作条件为：在氩气保护下，工作压力为1Pa，直流电功率为800W，溅射温度为80℃，溅射时间为550s；最后，在附着在不锈钢外壁表面的PZT压电陶瓷的外圆柱表面溅射制备得到Ag纳米膜电极，溅射工作条件为：在氩气保护下，工作压力为10-1Pa，直流电压为100W，溅射温度为200℃，溅射时间为60s。
从而最终得到本发明的用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体，不锈钢筒基体厚度1-3mm，不锈钢筒外壁表面覆盖有厚度为10～30mm的PZT压电陶瓷，在压电陶瓷圆柱外表面覆盖有厚度为20～150um的Ag纳米膜电极。如图2所示，反渗透膜滤芯1安置在滤芯支架4上，反渗透膜滤芯1外侧覆盖压电陶瓷振动体2和不锈钢衬底3。
应用实例
1将商用RO膜、膜壳按照附图2的方式组装。若压电振动体高度与膜体高度一致，厚度为2毫米，压电振动体与膜体柱面间隙1毫米。当驱动电压为正弦波方式，峰值为100伏，频率为28kHz，可显著改善膜表面沉积的胶体物质，膜渗透通量可提高60％以上；其中缩短振动体与膜体柱面间隙，加大驱动电压幅值可提高振动效果，提高膜渗透通量。
2将商用RO膜、膜壳按照附图2的方式组装。若压电振动体高度与膜体高度一致，厚度为2毫米，压电振动体与膜体柱面间隙1毫米。当驱动电压为正弦波方式，峰值为100伏，频率为35kHz，可显著改善膜内孔道堵塞的大分子物质，膜渗透通量可提高70％以上；其中缩短振动体与膜体柱面间隙，加大驱动电压幅值可提高振动效果，提高膜渗透通量。
3将商用RO膜、膜壳按照附图2的方式组装。若压电振动体高度与膜体高度一致，厚度为2毫米，压电振动体与膜体柱面间隙1毫米。当驱动电压为正弦波方式，峰值为100伏，频率为40kHz，可显著改善膜内孔道堵塞、吸附的小分子、离子等，膜渗透通量可提高80％以上；其中缩短振动体与膜体柱面间隙，加大驱动电压幅值可提高振动效果，提高膜渗透通量。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体，其特征在于：包括膜组件本体、不锈钢振子金属基层、压电振动体和环状纳米银电极层，不锈钢振子金属基层、压电振动体和环状银电极层依次顺序黏附于圆柱形膜组件本体外圆周上。
2.根据权利要求1所述的用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体，其特征在于：所述不锈钢振子金属基层为304不锈钢制成，厚度为1-3mm，长度与膜组件本体相同。
3.根据权利要求1所述的用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体，其特征在于：所述压电振动体为PZT压电陶瓷膜，压电振动体长度占不锈钢振子金属基层长度70％，且中心对称布置。
4.根据权利要求3所述的用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体，其特征在于：所述PZT压电陶瓷膜厚度为15mm。
5.制备权利要求1所述的用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体的方法，其特征在于：
首先，采用磁控溅射法在所述不锈钢振子金属基层上形成PZT压电陶瓷膜：将304不锈钢固定于磁控溅射仪中的样品板上，遮蔽304不锈钢两端，将Pb(Zr0.8,Ti0.2)O3靶材至于靶腔中，在304不锈钢上形成PZT压电陶瓷膜，其中，磁控溅射仪的工作条件为：在惰性气体保护下，工作压力为0.2～1.1Pa，直流电功率为55～120W；
然后，在PZT压电陶瓷膜外圆柱表面上磁控溅射制备得到银纳米膜，即为环状纳米银电极层，磁控溅射仪的工作条件为：在惰性气体保护下，工作压力为0.03～1.0Pa，直流电功率为55～120W。
6.根据权利要求5所述的用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体的制备方法，其特征在于：所述制备PZT压电陶瓷膜时，磁控溅射仪的直流电功率为100-120W；制备环状纳米银电极层时，磁控溅射仪的直流电功率为80-95W。
7.根据权利要求5所述的用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体的制备方法，其特征在于：所述的不锈钢振子金属基层与PZT压电陶瓷膜和环状纳米银电极层之间的距离为80～550mm。
8.根据权利要求5所述的用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射仪中的主控室的压力为2×10-7～3×10-3Pa。
9.根据权利要求5所述的用于圆柱形膜组件自清洁技术的压电振动体的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射仪在制备银纳米膜及制备PZT压电陶瓷膜时的溅射温度为20～350℃；磁控溅射仪在制备银纳米膜时的溅射时间为20～200s，磁控溅射仪在制备PZT压电陶瓷膜时的溅射时间为60～600s。
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