具有集成式渗透物流量控制器的螺旋卷绕组件的制作方法

本发明是针对适用于液体分离的螺旋卷绕组件。

背景技术：

螺旋卷绕膜组合件在广泛多种流体分离中使用。在一个常规住宅实施例中，单个螺旋卷绕反渗透(RO)膜组件(“元件”)容纳在压力容器内，该压力容器包括进料(水)入口、浓缩物(废料)出口和渗透物出口。在运行期间，加压进料流体经由进料入口被引入到容器中，穿过组件，且在至少两个流：浓缩物和渗透物中离开容器。螺旋卷绕膜组合件典型地被设计成在通量和回收(其中两者理想地限于基于运行条件的最大渗透物流量)的特定范围内运行。在较大的RO系统中，施加的压力和废料流量通常被分开控制，以得到优化运行，并且常规清洁和维持运行进一步促成较长系统寿命。相比之下，住宅RO系统遇到运行条件的大范围进料压力和品质，并且最小系统维持由终端用户执行。另外，为了适应可变进料条件(特别是压力和渗透强度)和终端用户对高流量的大体希望两者，系统可经配置成在高并且不可持续初始通量(“超通量”)下运行。这继而导致早期膜积垢和结垢。当在高回收率下运行时，这些问题可加剧。

已经描述了多种技术以通过提供对渗透物流量的限制来改性在容器内的RO组件的流量分布。例如：US 4046685提供了在容器的渗透物路径内的限流器，以使区分的流从容器的两端获得。US 2007/0272628利用具有不同标准通量比值的元件的组合，以较好管理整个容器的运行条件的差异，并且实施例利用在渗透物收集管内的限流器以使液体与不同类型的元件隔离。WO 2012/086478利用固定在上游元件的渗透物收集管内的阻力管道，以降低渗透物流量。US 7410581描述了可沿互连组件的渗透物收集管移动到替代的位置的限流器的使用。

技术实现要素：

本发明包括适用于反渗透(RO)和纳米过滤(NF)系统的螺旋卷绕组件和相对应的组合件，并且特别地适于在宽范围的运行条件(例如，从100kPa到500kPa的进料压力)上提供更均匀的流量。在一个优选实施例中，本发明包括至少一个围绕渗透物收集管卷绕的膜包封，并且流量控制器位于渗透物收集管内或固定到渗透物收集管，并且提供随渗透物流量变化而变化的流动阻力。描述了许多不同的实施例。

附图说明

图并未按比例绘制并且包括理想化视图以便于描述。在可能的情况下，已在整个图式和书面描述中使用相同的编号来指示相同或相似的构件。

图1是螺旋卷绕组件的透视部分剖视图。

图2为目标组合件的实施例的部分横截面图。

图3示出定位在三个不同渗透物收集管中的流量控制器。

图4为通过流量控制器的流量(l/hr)与压差(kPa)的曲线。

具体实施方式

反渗透(RO)和纳米过滤(NF)为基于膜的分离方法，其中在半渗透膜的一侧对进料溶液施加压力。所施加的压力导致“溶剂”(例如水)穿过膜(即形成“渗透物”)，而“溶质”(例如盐)不能穿过膜并且在剩余进料中浓缩(即形成“浓缩物”溶液)。一旦浓缩超出其溶解度极限，残留的盐(例如CaCO₃)开始在膜上形成结垢。此类结垢对于住宅RO系统在高回收率下长期运行而言尤其成问题。

本发明包括一种适用于反渗透(RO)和纳米过滤(NF)系统的螺旋卷绕组件。此类组件包括一个或多个RO或NF膜包封和围绕渗透物收集管卷绕的进料间隔片。用以形成包封的RO膜相对不可渗透几乎全部溶解盐，并且通常阻挡超过约95％的具有单价离子的盐，例如氯化钠。RO膜还通常阻挡超过约95％的无机分子以及分子量大于约100道尔顿的有机分子。NF膜比RO膜更可渗透并且通常阻挡小于约95％的单价离子盐，同时阻挡大于约50％(并且常常大于90％)的二价离子盐，这取决于二价离子的种类。NF膜还通常阻挡在纳米范围内的粒子以及分子量大于约200到500道尔顿的有机分子。出于此说明书的目的，术语“超滤”涵盖RO和NF两者。

代表性螺旋卷绕膜组件一般示出在图1中的2处。组件(2)通过绕渗透物收集管(8)同心地卷绕一个或多个膜包封(4)和任选的(一或多个)进料间隔片(“进料隔片”)(6)而形成。渗透物收集管(8)具有在相对的第一与第二端(13'、13)之间延伸的长度，并且包括沿其长度的一部分的多个开口(24)。每一膜包封(4)优选地包含膜片的两个基本上矩形区段(10，10')。膜片的每个区段(10，10')具有膜或前侧面(34)以及支撑或背侧面(36)。膜包封(4)是通过上覆膜片(10，10')且对准其边缘而形成。在一个优选的实施例中，膜片的区段(10，10')包围渗透物间隔片(12)。此夹层型结构沿着三个边缘(16、18、20)例如通过密封剂(14)而固定在一起以形成包封(4)，同时第四边缘、即“近端边缘”(22)紧靠渗透物收集管(8)以使得包封(4)的内部部分(以及任选的渗透间隔件(12))与沿渗透物收集管(8)的长度的一部分延伸的多个开口(24)流体连通。组件(2)可包括单个包封或多个膜包封(4)，每个包封由进料间隔片(6)分隔开。在所示出的实施例中，膜包封(4)通过接合邻近定位的膜片叶包的背侧(36)表面而形成。膜片叶包包含自身折叠以界定两个膜片“叶”的基本上矩形膜片(10)，其中每个叶的前侧面(34)彼此面对，且所述折叠与膜包封(4)的近端边缘(22)轴向对准，即与渗透物收集管(8)平行。示出的进料间隔片(6)位于折叠的膜片(10)的面对的前侧面(34)之间。进料间隔片(6)有助于进料流体流经组件(2)。虽然未示出，但组合件中也可包括额外的中间层。膜叶包和其制造的代表性实例进一步描述在Haynes等人的US 7875177中。

在组件制造期间，渗透物间隔片(12)可围绕渗透物收集管(8)的圆周附接，其中膜叶包在其间交错。邻近定位的膜叶(10，10')的背侧(36)围绕其周边的部分(16、18、20)密封以封闭渗透间隔片(12)从而形成膜包封(4)。用于将渗透物间隔片附接到渗透物收集管的合适的技术在Solie的US 5538642中描述。(一或多个)膜包封(4)和(一或多个)进料间隔片(6)围绕渗透物收集管(8)同心地卷绕或“辊压”，以形成两个相对的卷表面(入口卷表面(30)和出口卷表面(32))。所得螺旋束通过带或其它装置保持在适当位置。然后可修整组件的卷表面(30、32)，并且如在Larson等人的US 7951295中所描述，密封剂可任选地施加在卷表面(30、32)与渗透物收集管(8)之间的接合点处。如在McCollam的US 8142588中所描述，不可渗透的层如胶带可围绕卷绕组件的圆周卷绕。在替代实施例中，多孔胶带或玻璃纤维涂层可施加到组件的周边。

在运行中，加压的进料液体(水)在入口卷表面(30)处进入组件(2)，并且在大体轴向方向上流动通过组件并在出口卷表面(32)处作为浓缩物离开-通过箭头(26)。渗透物沿由箭头(28)大体示出的渗透物流动路径流动，其延伸通过膜(10、10')，并进入膜包封(4)，其中它通过渗透物收集管(8)流入开口(24)，并且在出口卷表面(32)处离开管(8)的第二端(13)。优选地密封渗透物收集管(8)的第一端(13')，以防止流体通过其流动。

用于构造螺旋卷绕组件的各种部件的材料是本领域中众所周知的。用于密封膜包封的合适的密封剂包含氨基甲酸酯、环氧树脂、硅酮、丙烯酸酯、热熔粘合剂和UV可固化粘合剂。虽然较不常用，但也可以使用例如施加热、压力、超声波焊接和带等其它密封方式。渗透物收集管通常由塑性材料制成，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚氯乙烯、聚砜、聚(伸苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等。经编织聚酯材料常用做渗透物间隔件。在一些组件中，渗透物收集管包含多个部分，并且这些部分可如通过粘合剂或旋转焊合接合在一起。另外的渗透物间隔件在US 8388848中描述。

膜片不受特定限制并且可以使用各种材料，例如醋酸纤维素材料、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚磺酰胺、聚偏二氟乙烯等。优选的膜为三层复合材料，所述三层复合材料包含1)非编织背衬纤维网(例如可购自阿波纸业公司(Awa Paper Company)的非编织物如聚酯纤维织物)的背衬层(背侧面)，2)包含典型厚度为约25μm至125μm的多孔载体的中间层以及3)包含厚度通常小于约1微米(例如0.01微米到1微米，但更通常约0.01μm到0.1μm)的薄膜聚酰胺层的顶部区别层(前侧面)。背衬层不受特定限制，但优选地包含包括可经定向的纤维的非编织织物或纤维网。替代地，可使用例如帆布等编织织物。代表性实例描述于US 4,214,994，US 4,795,559，US 5,435,957，US 5,919,026，US 6,156,680，US 2008/0295951和US 7,048,855中。多孔载体通常是聚合物材料，其孔径具有足够大小以准许渗透的基本上不受限制的通过，但并不足够大以便干扰形成于其上的薄膜聚酰胺层的桥接。举例来说，载体的孔径优选在约0.001到0.5μm的范围内。多孔载体的非限制性实例包括由聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚乙烯、聚丙烯以及各种卤代聚合物如聚偏二氟乙烯制备的那些。区别层优选在微孔聚合物层的表面上通过多官能胺单体与多官能酰基卤单体之间的界面聚缩合反应形成。

用于反渗透的原典型膜为由间苯二胺和均苯三甲酰氯的反应制备的FilmTec'公司的FT-30^TM型膜。这种和其它界面聚缩合反应描述在若干来源(例如US 4277344和US 6878278)中。聚酰胺膜层可以通过在多孔载体的至少一个表面上使多官能胺单体与多官能酰基卤单体(其中每个术语旨在涉及使用单一物质或多个物质)界面聚合而制备。如本文所用，术语“聚酰胺”是指酰胺键(-C(O)NH-)沿着分子链存在的聚合物。多官能胺和多官能酰基卤单体最常借助于涂布步骤由溶液施用到多孔载体，其中所述多官能胺单体通常由水基或极性溶液涂布并且所述多官能酰基卤由有机基或非极性溶液涂布。

在运行中，目标螺旋卷绕组件优选地容纳在压力容器内，并且限定包括进料液体入口、浓缩物出口和渗透物出口的螺旋卷绕组合件。在本发明中使用的压力容器不受特定限制，但优选地包括能够承受与运行条件相关的压力的实心结构。容器结构优选地包含腔室，其内周边对应于将容纳于其中的螺旋卷绕组件的外周边。压力容器的取向不受特定限制，例如可使用水平和垂直取向两者。适用的压力容器、组件布置和加载的实例描述于US 6074595、US 6165303、US 6299772和US 2008/0308504中。用于大系统的压力容器的制造商包含明尼苏达州明尼阿波利斯市的滨特尔公司(Pentair)、加利福尼亚州维斯塔市的贝卡尔特公司(Bekaert)以及以色列贝尔谢巴市的贝尔复合材料公司(Bel Composite)。对于较小系统，通常使用具有单个可拆卸端盖的模制塑料容器。

本发明特别适合于经设计用于住宅使用的组件和螺旋卷绕组合件，例如具有小于2m²并且更优选小于1m²的膜面积的那些。此类组件的优选长度为小于0.5m。代表性超滤组件包括FilmTec的1812配置(例如TW30-1812)，其直径为标称1.8英寸(4.6cm)且长度为标称12英寸(30cm)。在图2中示出的优选实施例中，单个组件(2)定位在压力容器(40)内，并且组合件包括单个进料入口、浓缩物出口和渗透物出口。当连接到进料泵(例如，在25℃下为组件提供至少400kPa水压)时，在无用户可调节的速度控制下，此实施例特别有利。

参照图2，目标螺旋卷绕组合件的代表性实施例在38处大体示出，包括具有可拆卸的端盖(41)、进料入口(42)、浓缩物出口(44)和渗透物出口(46)的压力容器(40)。进料入口(42)适合于与进料液体的加压源连接。浓缩物出口(44)适合于连接到用于再使用或弃置的路径。渗透物出口(46)适合于连接到用于存储、使用或进一步处理的路径。在示出实施例中，具有周边盐水密封(9)的一个螺旋形卷绕组件(2)抵靠容器(40)的内表面装配。在装配期间，渗透物收集管(8)连接到渗透物出口(46)。O形环(11)任选地围绕管(8)定位以在密封渗透物出口(46)时完善。流量控制器(54)定位(例如，固定)在接近第二端(13)的渗透物收集管(8)内。在替代实施例中，流量控制器(54)可固定到渗透物收集管(8)的端(13)，使得在渗透物离开组件(8)时必须穿过流量控制器。

图3a、图3b和图3c示出具有在沿管(8)的长度的不同位置处定位的流量控制器(54)的渗透物收集管(8)配置的实施例。在渗透物收集管(8)的相对端(13、13')之间的长度可变化，并且可或可不延长超出组件(2)的卷表面(30、32)的一个或两个。如图3a所示，渗透物收集管(8)还可包含连接延伸部(33)，并且流量控制器(54)可位于连接延伸部(33)的端内或固定到连接延伸部(33)的端。在未示出的替代实施例中，流量控制器(54)可固定到渗透物收集管(8)的端(13)，使得渗透物必须穿过其以离开组件(2)。出于本发明的目的，连接延伸部(33)视为渗透物收集管(8)的一部分。

如这些实施例所示，渗透物收集管(8)在相对端(13、13')之间具有多个开口(24)。然而，在示出的实施例中，有可能管端(13)中的仅一个与开口(24)流体连通。即，优选地密封管(8)的第一端(13)，使得渗透物流动路径(28)从膜包封延伸进入开口(24)通过管(8)并且经由管的第二端(13)离开。图3a和图3b示出其中存在这种情况的实施例，并且流量控制器(54)位于开口(24)的下游。当流量控制器(54)位于第二端(13)与所有的开口(24)之间时，进入渗透物收集管(8)的所有渗透物穿过流量控制器(54)。在其它实施例中，如图3c所示，流量控制器(24)可定位在单个开口(24)之间。在此实施例中，促进通过流量控制器(54)的下游孔的流量，阻滞流量控制器(54)的上游流量。在优选的子实施例中，流量控制器(54)位于渗透物收集管(8)内，使得至少90％的沿渗透物流动路径(28)流动的渗透物在离开渗透物收集管(8)的第二端(13)之前穿过流量控制器(54)。

流量控制器(54)提供随渗透物流量变化而变化的流动阻力，即随渗透物流量增加而增加阻力。“阻力”(R)定义为压降(Δp)与流量(F)的比率，即R＝Δp/F。通过流量控制器(54)的压降始终随着流量单调增加，但阻力值不是恒定的且可随着流量改变。流量控制器(54)随着通过流量控制器(54)的流量(或压降)增加而增加阻力。以此方式，通过流量控制器的流量在所要压力范围的运行上可维持相对恒定。换句话说，压降可增加两倍、四倍或甚至十倍，而流量仅有10％改变。举例来说，在压降在0.1MPa与10MPa之间变化时，5GPM流量控制器(例如，可购自O'Keefe控制公司的型号#2305-1141-3/4)维持流量额定值在±％10内的流量等级。通过阻滞通过渗透物收集管(8)的渗透物流量，即使可变运行条件也可防止“过通量”。在一个优选实施例中，流量控制器(54)包含顺从性部件，其可变形从而对在通过流量控制器的较高渗透流动速率或较大压降下的流动造成较大阻力。流量控制器可包括变为部分地阻挡或改变形状的孔，即当渗透物流量增加时变窄且当渗透物流量减小时打开。另一合适的流量控制器包括描述于www.maric.com.au的晶片型阀。通过流量控制器产生的压降的程度可基于组合件的特征优化，例如组件的数目、进料液体的品质、进料运行压力等。在一个优选实施例中，流量控制器的特征在于，当在400kPa的进料压力和25℃的温度下用纯水(例如，RO处理或去离子)运行组件时，将渗透通量控制到小于40l/m²hr的值。优选地，在400kPa和25℃温度的条件下，它应被控制到20l/m²hr与50l/m²hr之间，更优选地30l/m²hr与40l/m²hr之间的值，然而它另外应高于此值多于20％。在其它实施例中，当在400kPa的进料压力和25℃的温度下用纯水运行组件时，流量控制器的特征在于将渗透物流量控制到250与1500升/天之间的值。在其它实施例中，流量控制器的特征在于当在200kPa的给水压力和25℃的温度下运行组件时，提供基础流量值(升每分钟)，并且其中当在仅35kPa的给水压力和25℃的温度下运行时，流量控制器提供等于基础流量值的至少50％的流量值(升每分钟)。更优选地，流量控制器的特征在于当在300kPa的给水压力和25℃的温度下运行组件时，提供基础流量值(升每分钟)，并且当在仅35kPa的给水压力和25℃的温度下运行时，流量控制器提供等于基础流量值的至少50％的流量值(升每分钟)。

为了更好地说明流量控制器的作用，图4提供了使用传统孔模型(--)和两个市售流量控制器(○、▲)通过孔的流量(GPD)与压差(psi)的曲线。如由曲线所示，流量控制器在宽范围的压差上提供相对均匀的流量。

已经描述了本发明的多个实施例，并且在一些情况下，已将某些实施例、选择、范围、组分或其它特征描述为“优选的”。“优选的”特征的此类指代决不应解释为本发明的必需或重要方面。表达范围具体来说包括端点。前述专利和专利申请中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。