用于流体膜分离装置的构造

用于流体膜分离装置的构造
【技术领域】
[0001] 本发明整体涉及流体膜分离装置的构造。
【背景技术】
[0002] 流体膜装置包括膜组件，该膜组件一般分为三类：管式膜、中空纤维膜和平片多孔 膜。平片多孔膜组件可装配在褶式滤筒、螺旋卷式组件或板框式构形中。板框式平片膜组 件通常比其他类型的膜组件更容易清洁。
[0003] 支撑片材可用于保持两张平片膜之间的空间，以提供通过连接到平片膜组件的歧 管到达或来自膜组件之间的空间的流体输送。支撑片材的形式可以是包括流动通道的可透 过的网、纸网、非织造或织造纤维基材料、波纹聚合物膜或挤出的聚合物片材。
[0004] 网式垫片在市售的过滤膜组件中扮演双重角色，诸如错流过滤或反渗透分离设 备。这种垫片不仅使相邻膜层分开，以便于在其间形成进料通道，而且还促进膜表面附近 流体元的涡流，以保持膜表面相对干净。这种垫片是市售的，例如德星技术公司（Delstar Technologies, Inc.)生产的名称为"DELNET"和"NALTEX"的非织造和织造网眼织物。

【发明内容】

[0005] 本发明的替代膜构造可具有（除了别的以外）改进的性能并且/或者制造或使用 成本较低。例如，需要一种膜分离组件，此组件具有改善的抗阻塞性和/或改善的所需成分 跨可选择性透过膜的质量传递。
[0006] 在一个方面，提供了一种构造，包括：
[0007] (a)具有基部的支撑片材，该支撑片材包括
[0008] (i)从基部延伸的多个横档，其中多个横档中的每个横档沿着支撑片材的长度连 续地延伸，并且每个横档包括第一侧表面和相反的第二侧表面、以及顶表面；和
[0009] (ii)从基部延伸的多个第一突起，其中该多个第一突起位于该多个横档之间；和 [0010] (b)具有第一主要膜表面的可选择性透过膜，该第一主要膜表面接触至少两个横 档的至少顶表面，从而围出流动通道，该流动通道具有在支撑片材基部与第一主要膜表面 之间延伸的高度，其中从基部延伸的多个第一突起沿流动通道在纵向方向的长度改变流动 通道的高度。
[0011] 在另一方面，一种流体膜分离单元，包括：一系列重复层，每个层包括
[0012] (a)具有基部的支撑片材，该支撑片材包括
[0013] (i)从基部延伸的多个横档，其中多个横档中的每个横档沿着支撑片材的长度连 续地延伸，并且每个横档包括第一侧表面和相反的第二侧表面、以及顶表面；和
[0014] (ii)从基部延伸的多个第一突起，其中该多个第一突起位于该多个横档之间；和
[0015] (b)具有第一主要膜表面的可选择性透过膜，该第一主要膜表面接触至少两个横 档的至少顶表面，从而围出流动通道，该流动通道具有在支撑片材基部与第一主要膜表面 之间延伸的高度，其中多个第一突起沿流动通道在纵向方向的长度改变流动通道的高度。
[0016] 在另一方面，提供了制备构造的方法，该方法包括：(a)提供包括设计的负像的压 料辊；(b)将聚合物穿过包括压料辊的辊隙挤出，以将该设计形成到聚合物的第一主表面 中，以在第一主表面上形成具有此设计的支撑片材；(c)将支撑片材的第一主表面与可选 择性透过膜接触，形成所述构造。
[0017] 上述
【发明内容】
并非意图描述每个实施例。本发明的一个和多个实施例的细节还在 下面的描述中示出。根据以下"【具体实施方式】"和"权利要求书"，本发明的其他特征、目标 和优点将显而易见。
【附图说明】
[0018] 图Ia为根据本发明一个实施例的示例性流体膜分离单元的透视图，并且图Ib为 根据本发明一个实施例的包括支撑片材的构造和可选择性透过膜的分解剖视图；
[0019] 图2为根据本发明一个实施例的支撑片材的分解透视图；
[0020] 图3为根据本发明一个实施例的支撑片材的分解透视图；
[0021] 图4为根据本发明一个实施例的支撑片材的分解透视图；
[0022] 图5a为根据本发明一个实施例的支撑片材的分解透视图，并且图5b为对应的顶 视图；
[0023] 图6为根据本发明一个实施例的支撑片材的分解透视图；
[0024] 图7为示出了用于装配包括多个支撑片材和可选择性透过膜层的组件的一个实 施例的分解透视图；
[0025] 图8为支撑片材的分解透视图，示出了用作本发明实例中使用的比较支撑片材A 的支撑片材；和
[0026] 图9为正弦型支撑片材的分解侧视图，示出了用作本发明实例中使用的比较支撑 片材B和C的支撑片材。
【具体实施方式】
[0027] 宙义
[0028] 如本文所用，术语
[0029] "一个"、"一种"和"所述"可互换使用并且意指一个或多个/ 一种或多种；和
[0030] "和/或"用于表示所说明的情况之一或两者均可能发生，例如，A和/或B包括（A 和B)和（A或B)。
[0031] 如本文所用的术语"微孔"是指平均孔隙尺寸为0. 05至3. 0微米的多孔薄膜、膜 或膜层，该孔隙尺寸是通过泡点孔隙尺寸ASTM-F-316-03 (2011) "Standard Test Methods for Pore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point and Mean Flow Pore Test (用起泡点和气孔平均流量法测量膜过滤器孔隙尺寸特点的标准测试方法）"测 量的。
[0032] 如本文所用的术语"超微孔"是指平均孔隙尺寸高达10微米，或甚至0. 001至0. 05 微米的薄膜、膜或膜层，该孔隙尺寸是通过泡点孔隙尺寸测试法ASTM-F-316-03 (2011)测 量的。
[0033] 另外，本文中由端点描述的范围包括该范围内所包含的所有数目（如，1到10包括 L 4、1· 9、2· 33、5· 75、9· 98 等）。
[0034] 另外，本文中"至少一个"的表述包括一和更大的所有数目（如，至少2、至少4、至 少6、至少8、至少10、至少25、至少50、至少100等）。
[0035] 本发明提供构造和使用这些构造的制品，这些构造用于流体膜分离装置中以用于 从流体流中过滤和/或提取所需的或非所需的成分。
[0036] 如本文所用，流体膜分离装置包括流体膜分离单元（或组件）和壳体，该壳体用于 将流体引导至流体膜分离单元或从其中引导出来。流体膜分离单元包括至少一个支撑片材 和可选择性透过膜。流体膜分离单元包括至少一个入口和至少一个出口，其中流体被引入 和引出流体膜分离单元。
[0037] 在图Ia中示出流体膜分离单元10,其包括支撑片材12和16以及两者间的可选择 性透过膜15。支撑片材12包括多个横档14和多个流动通道13。支撑片材16也包括多个 横档18和多个流动通道17。相对的横档的表面限定流动通道的侧面，该流动通道具有沿流 动通道纵向轴线并且平行于横档长度的净流动方向。如图Ia所示，支撑片材16的多个流 动通道17具有的净流动方向不同于支撑片材12的多个流动通道13的净流动方向。在图 Ia的一个实施例中，第一流体通过多个流动通道13进行输送，从该第一流体中选择的成分 穿过可选择性透过膜15,进入多个流动通道17。
[0038] 本发明的支撑片材不仅用于提供对膜分离单元的结构支撑并提供到达和/或来 自可选择性透过膜的流体输送（例如液体），而且还用于例如通过降低压降、改善成分跨膜 的质量传递以及减少可选择性透过膜的结垢来改善流体膜分离单元的性能。这通过使用本 文所公开的支撑片材来实现。
[0039] 在本发明中，除了多个横档外，流体膜分离单元的至少一个支撑片材还包括多个 突起。图Ib为从图Ia截取的分解剖视图，示出了本发明的示例性构造。图Ib包括支撑片 材12和可选择性透过膜15。支撑片材12包括基部112 ;从基部112延伸的多个横档14 ; 和从基部112延伸的多个突起11。每个横档包括第一侧表面（例如，114a、114c)、相反的第 二侧表面（例如，114b、114d)和顶表面（例如，114e和114f)。多个突起11位于多个横档 14之间，并且从支撑片材的基部突起（或突出）。可选择性透过膜15具有第一主表面115， 该第一主表面接触至少两个横档的至少顶表面，从而围出流动通道13。流动通道13由可选 择性透过膜的第一主要膜表面115、横档的第一侧表面（例如，114c)和相邻横档的相对的 第二侧表面（例如，114b)以及基部112限定。从支撑片材的基部到可选择性透过膜的第 一主要膜表面，流动通道具有高度Ii1，如图Ib所示。从突起的顶部到可选择性透过的层的 第一主表面，流动通道具有高度h2，如图Ib所示。另外在图Ib中示出高度h3，其为突起的 高度；wp，其为突起的宽度；w，其为相邻突起之间的宽度；其为横档的宽度；和w。，其为流 动通道的宽度。在本发明中，流动通道的高度沿纵向轴线（或流动通道的长度）发生变化。 例如，流动通道的高度可变化至少30 %、40 %、50 %、60 %、70 %或甚至80 %。
[0040] I撑片材
[0041] 在本发明中，已经发现，通过将突起制造成支撑片材的流动通道，可以改善膜分离 单元的性能，例如，质量或热传递得到改善、结垢减少等。
[0042] 从支撑片材的基部延伸的多个突起引入在流动通道内的层流中形成扰动的特征 结构。因此，多个突起在流动通道中实现了混沌的层流、有组织的层流、螺旋流和/或湍流。
[0043] 从支撑片材的基部延伸的多个突起的设计并无具体限制，只要突起提供的流动具 有与流动通道中的净流动方向不平行的方向分量。优选地，多个突起使得流动通道内的流 体流动循环进行，从而破坏相邻可选择性透过膜的表面（例如，第一主表面115)上的流体 边界层。在一个实施例中，多个突起在流动通道内的纵向轴线方向上每毫米包括至少3、5、 8、10、15、20、50、100、200、500 或甚至 1000 个突起。
[0044] 包括多个突起的支撑片材的示例性设计在下图2-6中示出。
[0045] 在图2中示出支撑片材20的示意图。支撑片材20包括从支撑片材的基部延伸的 多个横档24a，24b，24c，…和流动通道23a，23b，23c，…。
[0046] 两个相邻横档24a和24b的侧表面形成流动通道23b，该流动通道对于位于支撑片 材的端部的膜分离单元的外部是开放的。这些流动通道具有沿流动通道纵向轴线的净流动 方向。图2中所示的箭头27示出流动通道的纵向轴线。
[0047] 除了多个横档外，支撑片材20还包括多个第一突起29a，29b，29c···。这些