一种从液流中分离带电粒子的方法和改进的过滤器的制作方法

专利名称：一种从液流中分离带电粒子的方法和改进的过滤器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过过滤和吸附分离液体中带电粒子，本发明还涉及一种改进的过滤器。
在表面过滤中，固体主要是在多孔过滤介质表面形成滤饼。表面过滤不同于深层过滤，在深层过滤中，固体的大部分是在较深的过滤介质中捕集到的。在表面过滤和深层过滤中，过滤介质常呈筒状，它可反洗或处理。过滤介质可以由如棉，聚丙烯，尼龙，聚乙烯，聚酯或金属丝布制成。
预涂层过滤是一种特殊类型的过滤，预涂层过滤元件在称之为隔膜的多孔支撑结构上利用了过滤介质，如此，形成的滤饼基本上和隔膜隔开。预涂层可是颗粒状材料，如硅藻土、珍珠岩或纤维素纤维。隔膜可是机织织物，纱线缠绕元件，直纹无纺织物或相对硬的穿孔元件。预涂层完成过滤作用并保护隔膜免于堵塞。
一般，预涂层介质的尺寸大于隔膜孔的尺寸。隔膜主要用作支持构件，而预涂层主要完成所发生的过滤。预涂层可以定期地通过如反洗除去并施加上新的预涂层来。
过滤作用之外，一些预涂层还可同工艺流中的杂质进行化学作用。例如美国专利3，250，702、3，250，703、3，250，704和3，250，705-Levendusky描述了含离子交换树脂的预涂层。粉状阳离子交换树脂和阴离子交换树脂被应用到压力壳体内滤筒元件外侧上形成大约1/16到约2时厚的预涂层。所述的离子交换树脂的粒子尺寸范围在100至1000目。当树脂干净时，穿过有粉末状阳离子和阴离子树脂混合物的预涂层过滤器的压差较小。压差的改善是由于静电力使阳离子和阴离子颗粒聚集，使得混合物更易被液流渗透。其它材料，如纤维素纤维同阳离子树脂和阴离子树脂混合以形成聚凝混合物，它们更易聚集和渗透。
美国专利4，177，142描述了一种除去杂质的方法，该方法采用一种助滤材料具有相反电荷粒子的结团滤器预涂层助滤材料。所述的助滤材料包括硅藻土，纤维素纤维，活性炭，膨胀珍珠岩、石棉纤维、离子交换树脂和无机离子交换器。所述的滤床为带有相反电荷粒子助滤材料的混合物，一些助滤材料带电粒子有常态的表面电荷，而另一些助滤材料的带电粒子则带有化学感应表面电荷，带有相反电荷粒子的预涂层显示出团聚现象(clumpingphenomenon)。
为比较好的利用机械的和离子交换预涂层的优点而研制了专门的设备，如UK专利申请GB2214447A公开了一种用于带纵褶隔膜的预涂层过滤器的滤器元件。在反洗中，环形带约束该膜。所述的的预涂层过最小厚度约5mm(0.2时)该申请描述了预涂层型过滤器和离子交换树脂一起用于原料水的处理，和核能发电系统的冷凝，过滤器可反洗以除去预涂层。
各种型式的超滤和微滤设备用来分离水流中的金属腐蚀物，特别是锅炉补充给水和冷凝回流液。超滤是一种压力驱动的分子过滤，包括使液流通过薄层(sheet)过滤器或孔径约0.01微米的空心纤维。微滤直接用于较大的胶体和悬浮粒子，通常采用薄层过滤器，例如膜，筒式过滤器或孔径约0.1微米的褶状的过滤器。另外，孔径约0.1微米的空心纤维也可用于微滤。
空心纤维与薄层过滤膜不同，空心纤维是管状的内径大约0.1-1mm。薄层过滤器通常呈平板状或者由平板制成缠绕式膜。然而，空心纤维微滤器和薄层微滤器常由相同的材料制成，例如醋酸纤维、酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚肤喃、尼龙和聚乙烯。
薄层过滤器与通常由铸造制成的空心纤维相比可是编织的，涂制的，铸造的，缠绕的，挤出的或热熔的和喷涂的。薄层过滤器与空心纤维过滤器相比每单位隔膜面积可处理较大的液体流量，一般安装和操作更经济。
日本kokai专利申请HE02-83020介绍了再循环水的过滤，它用粉状阳离子交换树脂涂覆成的空心纤维来除去如铁和铜的离子杂质。该申请阐明优选用氧化铁涂覆。人们认为，在该申请中描述的所使用的阳离子交换树脂是用来除去离子，而不是粒子。
在日本kokai专利申请SH062-870231；SH062-220200和HE011-80205中公开了用空心纤维过滤器的过滤方法。据报导含细颗粒氧化铁的水通过空心纤维过滤器，在膜上形成一层氧化铁或氢氧化铁的薄涂层。所述的薄涂层使得更容易反洗去随后收集在过滤器上的杂质。据报导，氧化铁层可挡住铁离子从而保护膜，防止铁离子沉淀在膜表面。
空心纤维过滤器和薄层过滤器适用于核发电站，因为它们可有效地反洗，而产生的需进行放射性废物处理的反洗废水量较小。空心纤维过滤器与薄层过滤器相比，每单位体积可以制造具有相对大的表面积的过滤器元件。另一方面，薄层过滤器显示出较高通量，较低的初始成本和较低的更换费用。
用于核发电站的过滤器的选择的主要因素是在特定过程中的反洗频率和过滤器在反洗后是否存在相对小的压差。孔径较小的过滤器趋向于在它们的外表面上积聚铁腐蚀物，这或许是因为它们的孔径比许多杂质的尺寸小。比较而言，孔径较大的过滤器趋向于一些杂质如铁腐蚀物渗入到它们的表面以下。孔径相对大的过滤器可能更难以反洗完全以恢复到原始的压差条件。
选择过滤器的另一个主要因素是反洗或清理过滤器后送去处理的物质的量。一般废物处理要便宜，在一些应用中，所使用的预涂层介质和反洗废水必须作为放射性或危险性废料进行处理。
至今需要一种改进的过滤方法，以较高的效率除去水流中的铁腐蚀物，生成的滤饼可以清除，使过滤器恢复到它最初的干净状态。该改进的方法应该提供较低的初始压差，以及较长的操作周期并不会因堵塞或预涂层消耗而中断。该改进的方法必须不产生不必要的要处理的废物。
本发明提供一种高效，低压差的从水流中除去带电粒子如腐蚀物，泥土，铁锈，灰和絮凝废物的方法。在该方法中，调节薄层过滤器的过滤表面，在其上分布较少量的离子交换材料，离子交换材料的量应小于传统的预涂层过滤的使用量，并可有效地吸附较细部分的腐蚀物。所用的阳离子交换材料可除去带正电荷的粒子，而所用的阴离子交换材料可除去带负离子的粒子。含腐蚀物的液流能以较大流量通过薄层过滤器，得到较高的过滤效率和良好的低压差。调整好的薄层过滤器应具有较长操作周期，在该操作周期内截留在过滤器上的带电粒子的量应超过应用的离子交换材料的重量。
一方面，本发明是分离带电粒子的方法，该方法包括提供一个带有和污染液流接触的过滤介质的薄层过滤器。过滤介质限定的过滤表面的孔的平均尺寸约0.1到25微米。可串联使用多过滤介质层。在过滤表面上应用较少量能吸附带电粒子的离子交换材料来调整薄层过滤器。所用的离子交换材料的量平均为0.0005到0.075磅离子交换材料每平方英尺过滤表面。
此后，液流以大于0.2加仑每分钟每平方呎的流量流过滤器，同时，观察到穿过过滤器的压差小于20磅每平方时，液流中的带电粒子90%(重量)以上被截留在过滤器上。意外的是，该方法可以连续进行直到截留在过滤器上的带电粒子的重量至少约等于或大于应用的离子交换材料的重量。
另一方面，本发明是分离非晶体的和其它氧化铁腐蚀物的方法，在该方法中，含有限定过滤表面的过滤介质的薄层过滤器与水流接触。过滤表面的孔与过滤介质完全连通，平均尺寸约0.1到25微米。过离器用离子交换树脂调整，离子交换树脂粒子具有重量平均中值尺寸约0.3到200微米。离子交换树脂应能吸附非晶体氧化铁和其它腐蚀物，在过滤表面上的离子交换树脂平均量为约1/5到20倍的单层所述粒子的量。换言之，离子交换树脂存在量约为0.0005到约0.075磅/平方呎过滤表面。此后，通过过滤器的水流流量为至少0.2加仑每分钟每平方呎过滤表面，而压力降小于约20磅每平方时。在该方法中，操作可连续进行，直到截留的腐蚀物的重量至少约等于所用的离交换材料的重量。腐蚀物的分离效率大于90%(重量)。
第三个方面，本发明是分离具有相当宽粒子尺寸范围的金属腐蚀物的方法。较细部分腐蚀物被吸附到离子交换树脂颗粒构成的吸附阻挡层上，吸附阻挡层的量相当于单层离子交换材料颗粒的约1/5到约20倍。也就是说，吸附阻挡层的量是约为0.0005到大约0.075磅/平方呎过滤表面。颗粒分布在可与污染水流接触的多孔薄层过滤器上游过滤表面。腐蚀产物的细部分的重量平均中间尺寸为约1/5到约5倍薄层过滤器孔的中值尺寸。腐蚀物的较粗部分基本上机械地截留在相邻的过滤表面上。较粗部分重量平均尺寸是约5到50倍薄层过滤器孔的中值尺寸。通过吸附细部分的腐蚀产物，吸附阻挡层防止腐蚀产物渗入并堵塞薄层过滤器。同时，可以其它方式完全通过薄层过滤器的极细颗粒也可被吸附并被截留住。因此，薄层过滤器可以操作直到腐蚀产物的总重量至少约等于或大于最初的离子交换材料粒子的重量。
还有一个方面，本发明是一种分离带电粒子薄层过滤器。薄层过滤器包括一个有过滤介质的薄层过滤元件，过滤介质限定了上游过滤表面，该表面适于过滤大部分载有较宽范围粒子尺寸的带电荷粒子的液流。该表面限定孔的中值尺寸约0.1到约25微米。薄层过滤器还包括由离子交换材料颗粒构成的吸附剂阻挡层。离子交换材料能够吸附带电颗粒子，在过滤表面上分布的离子交换材料平均量约0.005到0.075磅离子交换材料每平方呎过滤表面，优选地，薄层过滤器包括二个或更多的过离介质层，在每层上分布的离子交换材料的量不同。


图1是本发明调整后的薄层过滤元件的剖视图。
图2是用实例说明除去水流中带电粒子的方法的过滤器的试验装置流程图。
图3表示穿过设调整后的薄层过滤器的压差和传统过滤器的压差随实验天数的变化曲线。
本发明提供一种分离液流中带电粒子的方法，如，该方法可以产生较纯净的水，运用于矿物燃料和核动力的蒸汽发生器中锅炉给水。该方法生产的水可用于高级别电子元件制品如晶体管和计算机集成电路块的生产。可用该方法除去多种液流中的腐蚀产物，粘土，铁锈，灰或絮凝废物。另外，该方法可分离在贮存时浸泡被射性燃料元件的“拉德(rad)值较低的废物流”中的放射性粒子。该方法可提供全部或部分水流冷凝处理，称之为“冷凝精处理(condensatpolishing)”，还可用作除去蒸汽系统中腐蚀产物的主要方法。
相信本发明可用来从适宜的液流中分离实际上是任意类型的较小带电粒子，其中术语带电粒子指的是少量固体物或分散的液滴，当分散在给定的液体中时，带有足够量的静电荷，易于被离子交换材料吸附。应理解，电荷量和极性取决于其中分散有带电粒子的液体组成。适宜的液体是那些不会很快污染离子交换材料或载有较大浓度离子或带电粒子的液体，而不是可由本方法分离的那些液体。
一个优选的方面，用作说明，但并不限于此，本发明是一种分离由蒸汽发生系统产生的冷凝水流中腐蚀产物的方法。蒸汽系统包括一含铁管和铜合金管的蒸汽发生区。蒸汽发生区包括煮鼓，在其中液相与气相分离开来，蒸汽发生区可设计成无鼓型式，特别是在超临界压力下操作时。蒸气发生区包括核反应器，化学反应器或一些其它的热源，例如热工艺流。由于加热产生蒸汽或超临界蒸汽。蒸汽离开蒸汽发生区并通过透平从其中提出能量。
排出透平的蒸汽至冷凝器中被冷却成为冷凝水流。冷凝泵输送冷凝水流去再次使用。冷凝水流在再次使用前可随意的暂时贮存起来，或可和处理过的锅炉给水一起来增加补充由于蒸汽系统损失的水。冷凝水流和相对少量的补充水一起经过一步或多步冷凝精处理。
冷凝精处理的主要目的就是除去冷凝水流中的金属腐蚀产物，实际的所有的蒸汽系统中水同由铁或铜合金制造的管，容器壁或阀门相接触。即使采用非常仔细操作工艺，一些合金的腐蚀也是必然的。
如果让这些腐蚀产物存在在蒸汽系统中，将导致严重损坏，例如，周知的含铁的腐蚀产物会沉积在高热传递面的管壁上而引起锅炉管故障。为除去这些沉淀需要酸清洗过程是很昂贵的并要消耗时间，同样含铁的腐蚀产物趋向于聚集在透平机的叶片上，它们将引起适平效率的显著的下降，透平叶片的不平衡以至透平机完全停止运转。
最普通含腐蚀物铁是氧化铁，氧化铁包括Fe2O3、Fe3O4和FeOOH。它们可以晶体或非晶体的形式存在。在锅炉给水中常遇到的晶体形是Fe3O4，α-Fe2O3、α-FeOOH和γ-FeOOH。然而，大部分氧化铁是非晶体形的，非晶体形的物质特别容易在包括一般的过滤器设备上结垢。通常悬浮在水中的含铁腐蚀物会由于酸化到足够低的PH值时而离解。然而许多高压锅炉的PH值控制在6.5或更高，有一些PH值可达8.5或8.5以上，腐蚀产物主要以固体颗粒的形式存在。铁化合物常以胶体颗粒存在，其颗粒尺寸约为0.1到约5微米。
例如氧化铁，氧化钴和氧化镍不论它们是以悬浮的胶体或溶解的形式都可用本发明除去，通常，利用该方法除去冷凝水流和其它水流中的过滤金属氧化物。过滤金属是那些在元素周期表上3b，4b，5b，6b，7b，8，1b和2b族的元素，这些公开在由ThechemicalRubberComanyHandbooRofChemicalandPhgsics，51st版的封底内面上。
杂质的浓度按照含水流重量计约为每百万分之0.1-1000份。优选每10亿份之1-500份，更优选每10亿分之10-30份。优选的是，通过本发明的方法，杂质浓度可以降低至少90%重量。
这里，过滤器是一个组件，它包括一多孔过滤元件，其包括一个或更多个限定过滤表面的过滤介质层，还包括有过滤罩用来支撑过滤元件和引导流体流动。过滤器可包括预过滤介质层和后过滤介质层。过滤器包括串联或并联流动形式的多个过滤元件。阀门，仪表和其它设备可以随意地与过滤器一起使用。
本方法是在或靠近薄层过滤器的过滤表面实现，正如本文中限定的，薄层过滤器通常是有多孔过滤介质的过滤器，其形状基本是一个平板层，或者基本是由平板层制成。薄层过滤器包括叶片形、筒形、褶形、平板膜或螺旋缠绕式膜过滤器。薄层过滤器过滤介质可是聚集体介质，如由相对较细的结构如纤维聚集铺设的，编织的热熔的、吹制的或者缠绕的织物。当然，薄层过滤器过滤介质也基本上是单一的介质如挤出的或铸制的膜，这里，术语薄层过滤器不包括用空心纤维作为其过滤介质的过滤器。
例如，在美国专利4，269，707、4，293，414、和英国专利申请GB2214447A中描述了适用本方法的过滤元件，上述文献在这里一并引作参考。一般合适的薄层过滤器的过滤表面所限定的孔与要分离的颗粒金属腐蚀物的最小有意义的那部分相同或大于它们。薄层过滤器过滤表面所限定的孔，其优选中值平均尺寸为约0.1到25微米，较优选约为0.3到5微米，更优选约为0.3到1.0微米。形成薄层过滤器的纤维来源可是天然的或是合成的，如棉或聚酯纤维。另外薄层过滤器可以是由金属如不锈钢制作的金属丝筛网。最好，过滤元件要有足够的强度以便过滤器能够经受反洗而不会严重损坏。过滤元件可有支撑结构以使其得到增强，例如，外夹板带层，带小孔的管或附加纤维基质可以在反洗和正常操作时结合起来支撑过滤表面。
往过滤介质的过滤表面上施加足够量的离子交换材料形成吸附阻挡层来调整薄层过滤器，阻挡层吸附相对细的那部分带电粒子，如金属腐蚀产物、灰份、粘土或絮凝物。离子交换材料的量不足以形成一个床或预涂层来基本上持留金属腐蚀产物中相对粗的那一部分。相对粗的那部分基本上是沉积在或靠近于过滤表面上，粗颗粒之间的间隙允许载有细颗粒的液体流过离子交换材料，以这种方式，离子交换材料能截留住较细颗粒，从而改进了颗粒的除去，以及较长时间内保护过滤表面不致堵塞，在使用中不会观察到在过滤元件上分布一个明显的压力差异。
理论上，薄层过滤器的调整应包括一个单层的在过滤表面上的离子交换材料。这里，当颗粒在表面上尽量一致地与表面接触同时与最大数量的相邻的颗粒相接触时，它们就形成了一个单层。也就是单层颗粒紧密填塞在表面上而不会使一个颗粒堆积在另一个颗粒上。相应于类似颗粒的一个单层的重量来定义颗粒的量(重量)是很方便的。例如大约1/5单层构成的吸附阻挡层所含离子交换材料粒子的重量是需要来形整个单层的重量的1/5。同样，相应于10个单层的量就是10倍形成一个单层所要求的量。当然如果粒子在表面上量多于一个单层的量，必然使一些粒子堆积另一些颗粒上。
由它的水合形式的密度来计算离子交换材料的重量，这主要与预定要在过滤表面使用的相反离子的类型有关。最佳的加压负荷(磅离子交换材料/每平方呎过滤表面)，优选约0.0005-0.075磅/平方呎，较优选约0.005-0.05磅/平方呎，这是基于离子交换材料绝对湿密度。对于单层，约1/5到20个单层的负荷是优选的，特优选1/2到10个单层的负荷最优选的一个单层的负荷。
测定湿绝对密度，双叫做真密度和适当的方法见R.Kunin，IonExchangeResins，325(1990)。在过滤器任意部分上截留的全部离子交换材料加起来得到分布的离子交换材料的重量。然而，只有过滤介质层的上游表面，或者一个过滤介质的上游表面的面积包括在负荷的计算中。当薄层过滤器包括多个多孔层时，截留最多的离子交换材料层是过滤介质层，该层限定用于计算目的的上游表面。其它层不参予面积计算。如果过滤介质层是打褶的，在测量计算上游表面积之前，该层被卸下并整平但不拉伸。
离子交换材料可是阳离子交换材料，优选有吸附树脂基的强酸性阳离子交换材料。阳离子交换材料在分离腐蚀物如铁腐蚀物特别有效，上述的腐蚀物悬浮在中性PH到酸性含水液流中时载有正电荷的表面电荷。用于吸附树脂基的适宜的材料包括磺化交联聚苯乙烯树脂，丙烯酸树脂，酚醛树脂，树脂可是微网状树脂或是大网络树脂。
当液体是水时，特别优选阳离子交换材料是双形态的阳离子交换材料，所述树脂表现出双形态，当它同水接触时可以从干燥的凝胶形态可逆地转变成为大网络的含水的形态。表现为凝胶(gelular)形态的树脂主要含凝胶型细孔，具有分子性质，也是凝胶结构的一部分。大网络形态也称为大孔形态，含大比例的额外的凝胶(extragelular)孔，它不是凝胶结构的一部分。优选的双形阳离子交换树脂的实例是可商购的由日本东京Mitsubishi Kasei公司出口商标名为DiaionTMPK 212L树脂。在美国专利5，192，446中介绍了双形态阳离子交换树脂，该专利属于本发明的受让人。它们一并引作参考。
优选的阳离子交换材料是氢型的，钠型的、钙型的、镁型和吗啉型的或氨型的，较优选氢型的、吗啉型的或氨型的。当所述离子交换树脂是特种离子型的，离子交换树脂包含的相反离子主要由特种离子构成，例如，钠型阳离子交换材料基本联接到钠离子上，同样，Fe(Ⅱ)型阳离子交换材料主要和Fe(Ⅱ)相反离子联结起来，用钠型来测定，优选离子交换材料交换容量约为0.1到5毫克当量/立方厘米，较优选离子交换材料的交换容量为约1.2-2.5毫克当量/立方厘米。
另外离子交换材料也可是阴离子交换树脂，阴离子交换材料用来分离PH值约为8或8以上的水流中金属腐蚀物特别有效。在本发明中所使用的优选的阴离子交换树脂可以商购由Mitsubishi Kasei公司出品商标为DiaionTMPK308树脂。以上介绍了双形态离子交换树脂。在现在待审的美国专利申请08/002，997中描述了双形态学阴离子交换树脂，该专利也属于本发明的受让人，在此一并引作参考。
上述以阳离子交换材料进行描述的所有吸附树脂的论述适用于阴离子交换材料。阴离子交换材料可是强碱性或弱碱性阴离子交换材料，优选强碱性的，在过滤表面上阴离子交换材料优选以氢氧化物，氯化物，硫酸酯的形式存在，更优选氢氧化物形式。当液流是水流时，阴离子材料是含水的。
离子交换材料是细分的固体例如球形颗粒，角形颗粒或类杆状纤维。在各种情况下，取形状的最大尺寸为其尺寸。这里颗粒样品的重量平均中值尺寸定义为颗粒尺寸，在该样品中，存在的较大颗粒重量和较小颗粒重量是相等的。
优选地，离子交换材料具有的重量平均中值尺寸约10-200微米，较优选为约20-100微米。较大尺寸的离子交换材料可以弄碎达到较适宜的尺寸而用于本发明中。希望上述离子交换材料尺寸能提供所希望的每单位体积较大的表面积以增强对腐蚀物的吸附。
特别优选的薄层过滤元件是褶状的，由二层或二层以上的多孔层构成，优选三层，可用压延机压在一起。优选至少一压延层具有介质尺寸约为0.1-25微米，较优选约为0.3-1.0微米的孔。希望用来保持大量公知尺寸分布的离子交换材料的一个或几个延压层限定了一个或多个过滤表面称为过滤介质层。附加的多孔层有较大的孔，优选它位于过滤介质层的上游和下游以提供在反洗和正常操作时补充过滤，排水或机械支撑。特别优选薄层过滤元件是商购的由Graver公司出品商标名为AegisTMAFA过滤器。
优选地，通过直接使含有离子交换材料的浆液进入过滤器使离子交换材料施加到过滤表面来调整过滤器。优选使浆液在同一方向循环穿过过滤器，该方向与正常操作时水流的方向相同。当多个多孔层，包括过滤介质层，串联使用时，离子交换材料以不同量滞留在各个层上和层内。每层上离子交换材料的量和尺寸主要取决于在层中的孔的尺寸分布。可以在任何时间使用离子交换材料，但优选在过滤器投入运行前使用。另外，当过滤器在正常操作使用时，以将离子交换材料通过“主体加料”方式在过滤上游加入到液体加工流中来使用离子交换材料。离子交换材料的主体加料可以是连续的，间断的或脉冲方式的。
本发明可采用具有表面电荷的离子交换材料和另一种具有相反表面电荷的材料如一种相反电荷的离子交换材料或者相反电荷的过滤器辅助材料的混合物。通过化学处理，相反电荷可以传递给过滤器辅助材料。在此情况下，周知的所谓“集聚”现象会使体积增加，它使穿过相对厚的层，如过滤器预涂层的水压差降低。另外，本发明离子交换材料可以和具有相同或中性表面电荷的过滤器辅助材料。
优选地，用有相同的表面电荷的材料来调整过滤器，例如一种类型的离子交换材料，或是阴离子交换材料，或是阳离子交换材料，在许多应用中能提供便利，首先用相对少量的上述的离子的交换材料来调整过滤器，在开始操作时，在过滤器上会产生比较少的压差。其次，吸附作用有利于在后续的操作中保护过滤表面孔不被堵塞。基结果是由于离子换材料的聚集，例如通过相反表面电荷产生集聚促使进一步降低穿过离子交换材料的压力降。
其次，在许多应用中，在过滤表面使用最小量材料是重要的，如，当本发明用于核电站的冷凝水的精处理时，截留在过滤器上的金属腐蚀物可能是放射性的，要求特殊的控制和处理技术。在过滤表面上应用的离子交换材料必定会同这种放射性腐蚀物混合并使要求特殊控制和处理的材料的质量和体积增加。在此，应注意的是使用集聚的助滤剂会提高废助滤材料的处理体积。
第三，可以看到，应用单一的，带相同表面电荷的颗粒材料粒材料和集聚颗粒材料比较，会产生更均匀的涂敷作用。例如一些褶状过滤器，很难用集聚过滤助剂来预涂均匀，但用阳离子交换材料就能成功地调整。
因此，在应用中，其中的最小处理量和体积是重要的，最好用离子交换树脂材料(包括阳离子交换树脂而基本不包括阴离子交换树脂)来调整薄层过滤器。另外，在这样一些应用中，最好包括阴离子交换树脂而基本不包括阳离子交换树脂。例如核电站沸水反应的PH约7.0且载有放射性腐蚀产物的。冷凝流最好使用阳离子交换树脂(基本没有阴离子交换树脂)调整过的过滤器处理这种液流。在另外的实例中，可用基本不含阳离子的阴离子交换树脂用来处理PH10-11的含铁和锌的废水流。
较小的初始压差和较不易堵塞使得本发明的薄层过滤器以高通量，高效率，较长运转周期来操作。在较长的操作中，与一般过滤器比较在过滤器上可截留较大量的腐蚀物。希望保持高流量大于0.2加伦/分钟/平方呎过滤表面，优选0.4加伦/分钟/平方呎过滤表面，而穿过过滤器的实际压差小于20psi。优选小于约30psi和更优选小于约12psi，在这种操作中，过滤器可截留住水流中腐蚀产物重量的90%以上，优选95%以上，直到截留腐蚀物的重量至少等于或大于，最好至少约3倍应用的离子交换材料的重量。更优选的是过滤器以在这种方式连续操作直到截留腐蚀物的重量至少约5倍于应用离子交换材料的重量。通常，当穿过过滤器的压差超过预定的最大值，或者当离子交换材料吸附腐蚀物基本上饱和时，停止过滤器操作。在水处理操作中，与传统的离子交换材料比较，认为上述的双形态离子交换材料每分重量在达到饱和之前可吸附较多的腐蚀物。在这里，应理解饱和是当离子交换材料吸附了约90%(重量)或多于材料理论上可吸附的最大的量。
在设备运转之后，优选将调整过的过滤元件撤出来处理，优选洗净过滤元件，再调整并重新利用，更优选的是利用水处理工业中已知的反洗技术洗净过滤器。
虽然，本发明的成功不取决于任何理论，但仍假定，吸附阻挡层保护了过滤表面免于被腐蚀物的较细部分堵塞。用较少量的离子交换材料使得用来和腐蚀物相互作用的停留时间较短。在这短暂的停留时间内，认为细小的腐蚀物被截留在离子交换材料的树脂基板的表面上。
进一步假定，离子交换材料的相反离子和固定离子在离子交换材料颗粒上诱发了有利的表面电荷，促使带电颗粒接近树脂基板的表面。因此，吸附阻挡层优选由具有束缚在树脂基质组成的交换点的离子交换材料颗粒构成。对于纯化水流，离子交换材料特别优选是如上所述的双形态交换材料，与传统的离子交换材料比较在达到饱和之前，能够吸附更多的带电粒子。
吸附阻挡层基本上位于过滤表面上。较粗部分带电粒子，是大部分，被截留在或靠近过滤表面。对较细小部分的吸附主要是防止较细带电颗粒穿过，而堵塞过滤介质，与传统过滤技术比较，过滤介质可用较长的时间。对细小部分的吸附提高了分离效率。
另一方面，本发明是用来分离带电粒子的薄层过滤器，当液流中存在这种粒子时，它们常具有较宽范围的颗粒尺寸。参见图1，本发明特别优选的薄层过滤器，包括一个带有多孔内过滤介质层140的薄层过滤元件，过滤介质层140限定了上游过滤表面144，该表面适于从水流中机械地过滤金属腐蚀产物。内过滤介质层140的孔优选的中值尺寸为约0.1-20微米，较优选约0.3-1微米。过滤器还包括一般性外壳，围绕过滤元件100，它没有在图1中表示。
薄层过滤元件100包括塑料端封110和外支持结构120，其孔大于内过滤表面144要截留的颗粒，优选大于上述的离子交换材料颗粒。在外支撑结构下方是多孔外过滤介质层130。外过滤介质层130的孔小于外支撑结构120的孔，而大于大多数的内过滤介质层140的孔。优选，外预过滤介质层130孔尺寸为约10-100微米，较优选约30-50微米。过滤元件100还包括排水层150和内穿孔中心芯160，芯位于内过滤介质层140的下游。内穿孔中心芯160的孔的尺寸类似于或大于外过滤介质层130的孔。
内过滤介质层140最好由聚合材料制成虽然任何聚合材料可作为有可接受的均匀孔隙率的过滤介质。但优选过滤介质材料是聚脂。内过滤介质层140排列成如手风琴状褶170，围绕排泄层150和中心芯160并卷成圆筒形。内过滤介质层140被压到外过滤介质层130上并再压到排泄层150上。优选内过滤介质层140的端部是用如热胶合、环氧粘合、或超声焊接连在一起的并连结到端封110上。
褶170的深度和长度确定了每单位长度薄层过滤元件100的过滤表面积。优选褶状物170的尺寸是每10吋长的过滤元件100至少有3平方呎过滤表面。为优化过滤器的性能，优选每10吋长的过滤元件的过滤表面积144小于7平方呎。
薄层过滤元件必须能在多种工艺过程和反洗条件下操作，因为包含它们的设备需适应各种工艺过程。通过过滤器的加工流的压力可以在50(psi)到600(psi)之间变化。温度也可在32°-150°F(0°-65℃)之间改变。
薄层过滤元件必须能承受各种反洗条件，正如前面提到的，当通过过滤器的工艺流的压力降升高约5到约20psi时，要反洗过滤元件以除去积聚在元件上的粒子。虽然优选结合空气和水反洗过滤元件，但如果得不到空气，仅用水反洗过滤元件也可以。
反洗条件根据设备所使用的过程而变化，如果本发明的设备被用来除去加压水反应器核电厂或矿物燃料(油或煤)燃烧的动力蒸汽厂的锅炉给水中的杂质，在反洗期间通过设备的空气流量约为1-1.5标准立方呎每分钟(scfm)每平方呎过滤元件表面积。在反洗期间通过设备的水量为约1-1.5加仑每分钟(gpm)每平方呎过滤元件表面积。优选同时用水和空气反洗设备约2-12分钟以除去过滤元件中的颗粒物。全部反洗流量是基于由过滤元件外表面所限定的圆柱体的表面积。
如果本发明的设备用来除去沸水反应器核电厂的锅炉给水中的粒子，优选在反洗期间空气流量约为1.5scfm每平方呎过滤面积。优选水流量约为0.5-1gpm每平方呎过滤面积。优选该反洗循环持续约14分钟。同样，可用空气和水同时反洗过滤器。
过滤元件还可用“空气波动”(Air SurgeTM)反选循环来反洗，在空气波动反洗循环期间，水流连续通过设备，而周期地提供高压空气波动。水流量约为0.25每平方呎过滤元件表面积。在空气波动期间的空气流量约为12scfm每平方呎过滤元件表面积。空气压力约为50psi到100psi。在14分钟反洗循环中提供空气波动约8次。每次波动持续2秒钟。
如上所述，由颗粒离子交换材料构成吸附阻挡层，分布在内过滤表面144和外过滤表面134上，其量约为0.0005到0.075磅离子交换材料每平方呎过滤表面134，较优选约为0.005到0.05磅离子交换材料每平方呎过滤表面134。所有滞留在过滤器的任何部分上离子交换材料都用于计算离子交换材料的重量。然而，在计算量时，仅考虑过滤介质层(130或140)之一的上游表面积。例如，当外过滤介质层130上比内过滤介质层140上积聚的离子交换材料多时，仅考虑外过滤介质层130上游表面积。吸附阻挡层主要用来在细的那部分腐蚀物渗透并堵塞过滤介质层140之前基本分离细小的那部分腐蚀物。
下列实例进一步描述本发明，这些实例不限制本发明实例1在沸水反应器核电站的装置操作条件下，进行工业规模的薄层过滤元件性能的中试装置试验。用于中度装置试验设备的冷凝水进流取自于发电站第一冷凝泵排出的液流。在该实例中，采用适用于本发明的过滤器在没有用离子交换材料调整的条件下作空白实验。
在进流中的铁粒子量为每十亿分之20到25分(重量)，明显大于一般给水的铁粒子量(5-10ppb)。大部分粒子是由铁腐蚀物构成的，大部分来源于碳钢提取蒸汽和加热器排泄管。发生站装备有深床层颗粒树脂冷凝液精处理系统，用来除去约70%的进入深床层系统的颗粒。最近，发生站采用氢水化学以及注入废锌。
参看图2，进流由管10输送到过滤壳20，在管10上装有流量指示计12和截止阀14(block Valve)。在第一次循环期间，控制进流流量约为9.0加仑/分钟，过滤壳内有适用于本方法的褶形过滤元件，例如，图1所示的过滤元件100。采用的薄层过滤器可以是商购的由Graver公司出口商标为AegisTMAFA过滤器。然而，在壳20内的薄过滤元件未用的离子交换材料来调整，而表示了一种以前公知的分离方法。
过滤元件安装在壳20内，以使在正常操作期间进流管10从外部进入过滤元件，再径向输送通过过滤元件，从过滤元件一端纵向排出。压差指示计16测量穿过过滤元件的压差。
由管30将纯化过的冷凝液流输送出壳20，管30上装备有排泄节头(Ventjunction)32，截流阀34和流量指示计36。管30在节头38终止，节头38与流出液管40和取样管线50连接流出液管40输送纯化的冷凝液流主体到发电站粒状树脂冷凝液精处理部分。
取样管线50装备有截流阀52，样品过滤器54，压力控制阀56和流量指示计58。在节点38处取自于纯化冷凝液流的样品，通过样品过滤器54，然后排出。
样品过滤器54含有0.45微米过滤纸，过滤纸在取样之前和之后称重，可计算通过过滤器颗粒腐蚀的浓度。过滤器上游采用同样的布置以测定进流中颗粒腐蚀物的浓度。不同的是可以计算分离效率。
在优良的新条件下装配过滤元件，第一次试验循环由将进流送入过滤壳20开始。在整个第一次循环中，入流温度近似100°，由差压指示计16指示的压差，发现在整个周期内提高到约12psi。这时，进行了反洗过程。一般习惯上试验反洗过滤器，过滤元件的第一循环的数据可不考虑，因为第一循环不能正常指示长时间性能。
打开阀64并通过空气导管60通过约1.5标准立方空气每平方呎过滤表面积反洗薄层过滤元件。空气导管上60装配有流量指示计62。同时在节头64处，将0.7加仑反洗水每分钟每平方呎过滤表面引入导管。将空气和反洗水的混合物沿着过滤元件中心轴向输送，然后径向向外通过过滤介质，而移去在过滤器内或过滤器上积聚的颗粒。
由装配有阀82和节头88的导管80从过滤壳20中排去反洗水。节头88通过排泄管线84和阀86与过滤壳20断续地连通。
经节头98，通过废空气导管90从过滤器壳20内排出反洗废空气。导管90通过三个排气阀92，94和96时断时续地和过滤壳20连通。
开始第二循环，同样的过滤元件再次连通进流，以约8.9-9.0gpm径向向内通过过滤元件。对于第二循环的过滤器没有应用离子交换材料或调整。每隔一段时间，用压差指示计16测定穿过过滤元件的压差。下面图3中的三角形示出的第二循环中压力降随运转天数的函数关系。
当第二循环压力升高到约12磅/平方吋时，第二循环由反洗过滤器中止。反洗过程如同第一循环结束后所采用的那样是一样的。铁的平均除去效率为90%。
实例2在第二次反洗后，通过调整过滤元件，准备如上所述的薄层过滤元件进行第三次循环操作。在开始第三次循环前，将含45克分细的阳离子交换树脂的浆液以正常流动方向通过过滤元件。阳离子交换树脂可以商购，即日本东京Mitsubishi Kasei公司出口的商标为DiaionTMPK212L树脂。阳离子交换材料可被磨碎到其重量中值平均颗粒尺寸约60微米，大约10%(重量)小于20微米。使用的阳离子交换树脂颗粒的尺寸和量相当于试验过滤器过滤表面的1个单层。
接着，进流以约8.9-9.0加仑/分钟流量径向向内通过过滤元件，第三循环的压力降数据在图3中由“星”表示，观察图3数据显示在类似的操作条件下，调整过的过滤器的压力降远小于没有调整过的过滤器的压力降。开始没有调整过的过滤器的压力降开始时为0.8磅/平方吋(psi)，操作30天后，直线升高达约11.9psi。与此相反，调整过的过滤器在操作中开始压力降为0.6psi，操作65天后，显示压力降仅为11.5psi。我们看到，在过滤元件实验两次运行和反洗循环之后第三循环有效地改善了压力降。图3数据表明，与传统操作比较，较少应用离子交换材料即可产生意想不到的低压力降和较长的操作周期。另外，还改善了铁的除去效率可达99%。
以上已经清楚地描述了本发明的各方面，但并不应以所述的方面限制本发明，本发明的范围由如下的权利要求来概括，虽然提出了某种假设来说明本发明的突出的进步，但本发明不坚持与该理论保持一致或否定它。如所述的实践中，本发明表示在分离水流中金属腐蚀物技术上有突出的进步。
权利要求
1.一种分离液流中带电粒子的方法，包括提供一种带有能与液流相接触的，限定介质孔平均尺寸约0.1-25微米过滤表面的过滤介质的薄层过滤器；用离子交换材料在过滤表面上调整薄过滤器，在过滤表面上离子交换材料能吸附带电粒子，其平均量约为0.005-0.075磅离子交换材料/平方呎过滤表面；使液流通过薄层过滤器，流量大于0.2加仑/分钟/平方呎过滤表面，穿过过滤器的压差小于20磅/平方时。以从液流中分离掉大部分带电粒子。
2.按照权利要求1的方法，进一步包括在过滤器上截留住液流中90%以上重量的带电粒子，直到截留带电粒子重量至少等于应用的离子交换材料的重量。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的离子交换材料包括阳离子交换材料而基本不包括阴离子交换材料。
4.按照权利要求2的方法，其特征在于所述的阳离子交换材料是强酸性的。
5.按照权利要求2的方法，其特征在于所述的阳离子交换材料是弱酸性的。
6.按照权利要求2的方法，其特征在于所述的阳离子交换材料是选自氢型的，吗啉型的和氨型的离子型。
7.按照权利要求3的方法，其特征在于所述的离子交换材料包括双形态阳离子材料。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的离子交换材料包括阴离子交换材料而基本不包括阳离子交换材料。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于所述的阴离子交换材料是强碱性的。
10.按照权利要求8的方法，其特征在于所述阴离子交换材料是弱碱性的。
11.按照权利要求8的方法，其特征在于所述的阴离子交换材料是氢氧型的。
12.按照权利要求8的方法，其特征在于所述的离子交换材料包括双形态阴离子交换材料。
13.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的离子交换材料是重量平均中间尺寸为约0.1-200微米的粒子。
14.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的过滤介质是褶状的，而且是由内过滤介质层和外过滤介质层正压在一起而成形，每个压合层限定孔的尺寸至少约为0.1微米。
15.按照权利1的方法，其特征在于所述的离子交换材料的应用量约为0.005-0.05磅/平方呎过滤表面。
16.按照权利要求1的方法，其特征在于还进一步包括反洗过滤器以除去大部分应用的离子交换材料和截留的颗粒。
17.按照权利要求1的方法，其特征在于带电粒子主要由氧化铁构成。
18.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的薄层过滤器的调整包括主体给料大部分的离子交换材料，同时所述液流通过板式过滤器。
19.一种分离水流中氧化铁腐蚀物的方法包括提供带有与水流接触，其孔的平均尺寸约为0.1-25微米的限定过滤表面的过滤介质的薄层过滤器；用颗粒形式的能吸附氧化铁产物的，其重量平均中值尺寸为约0.1到约200微米的离子交换材料，在过滤表面上调整薄层过滤器；使液流通过薄层过滤器，其流量为至少约0.2加仑/分钟/平方呎过滤表面，穿过过滤器的压力降小于20磅/平方时，使薄层过滤器基本上截留所述腐蚀物，从而从水流中分离大部分所述腐蚀物。
20.按照权利要求19的方法，其特征在于所述的调整包括使用相应于单层所述粒子1/50-20倍的离子交换材料。
21.按照权利要求19的方法，所述的调整包括应用离子交换材料量为约0.0005-0.075磅/平方呎过滤表面。
22.按照权利要求19的方法，其特征在于液流通过达到在薄层过滤器上截留的水流中的腐蚀物重量达90%以上，直到在薄层过滤器截留的腐蚀物的重量至少等于应用的离子交换材料的重量。
23.一种分离水流中具有较宽范围粒子尺寸的金属腐蚀物的方法包括由离子交换材料颗粒构成的吸附阻挡层吸附粒子金属腐蚀物的较细部分，其量为相应于单层所述粒子的1/5到约20倍，所述粒子分布在多孔薄层过滤器所限定上游过滤表面，上述的多孔薄过滤器与载有腐蚀物的水流接触；和在邻近过滤表面截留腐蚀物的较粗部分；腐蚀物的较细部分的吸附基本上防止腐蚀物渗透而使薄层过滤器堵塞。
24.按照权利要求23的方法，其特征在于所述的细粒子部分重量平均中值尺寸约为1/10-5倍薄层过滤孔的中值尺寸，而所述较部分的重量平均尺寸是5-50倍于薄层过滤器的孔的平均尺寸。
25.按照权利要求23的方法，其特征在于所述吸附在操作周期内基本上防止腐蚀产物堵塞薄层过滤器，从而有效地从水流中分离出其重量至少等于离子交换材料颗粒重量的腐蚀物。
26.一种用来分离液流中具有较宽范围粒子尺寸的带电粒子的过滤器，包括有过滤介质的过滤器元件，过滤介质限定了能基本过滤带有带电粒子的液流的上游过滤表面，限定孔的中间尺寸约为0.1-25微米，和由颗粒离子交换材料构成吸收阻挡层，离子交换材料能够吸附分布在过滤表面上的所述带电粒子，平均量为约0.005-0.075磅离子交换材料/平方呎过滤表面。
27.按照权利要求26的过滤器，其特征在于所述离子交换材料是粒子状，重量平均中值尺寸约为10-200微米。
28.按照权利要求26的过滤器，其特征在于所述的离子交换材料包括双形态离子交换材料。
29.按照权利要求26的过滤器，其特征在于所述的过滤介质层是褶状的，由内过滤介质层和外过滤介质层延压在一起成形，每个压制层限定孔的中值尺寸至少约为0.1微米。
30.按照权利要求29的过滤器，其特征在于内过滤介质层限定的孔的中间尺寸的约0.1-20微米，所述的外过滤介质层限定的孔的中值尺寸约为10-100微米。
全文摘要
本发明提供了一种从水流中分离金属腐蚀物的方法。一种用相对少量的离子交换材料调整过的过滤器在以工业上所要求的流量处理水流时表现的相对低的压差和有效的截留。该方法使得在过滤表面应用最少的材料得到较长的过滤操作时间。此外，本发明还提供了一种从水流中分离具有相对宽的粒子尺寸范围的金属腐蚀物的过滤器。
文档编号B01D37/02GK1111542SQ9410953
公开日1995年11月15日 申请日期1994年7月1日 优先权日1993年7月1日
发明者E·沙伦姆 申请人:格雷弗公司