具有改进的进料隔离装置的螺旋缠绕元件的制作方法

专利名称：具有改进的进料隔离装置的螺旋缠绕元件的制作方法
技术领域：
本发明为改进的进料隔离装置、包括所述进料隔离装置的螺旋缠绕元件及其制造方法和应用。
压力驱动膜分离方法可以从流体中去除大范围的中性和离子物质。为了降低孔隙尺寸，通常将膜分成几类微孔过滤(MF)，超滤(UF)，纳米过滤(NF)和逆渗透(RO)。微孔过滤用于去除颗粒尺寸大于0.1微米的悬浮颗粒。超滤通常用于排除分子量大于5,000道尔顿的溶解的分子。纳米过滤膜可通过至少一些盐但通常可高保留分子量大于200道尔顿的有机化合物。逆渗透膜几乎可以高保留所有物质。
一种表征膜的可选方法是基于它们的形成方法。MF和UF膜可通过很多种的技术和商业上有效的方法来制备，包括蚀刻、烧结、通过拉伸局部破裂和转相。NF和RO膜通常通过转相或界面聚合来制备。界面聚合生成具有高选择性并贴附于多孔载体上的非常薄的区别层的组合物结构，到目前为止它是制造NF和RO膜的主要方法。界面聚合可以用如整体引入此处作为参考的US专利No.6337018所述的很多种单体来完成。
NF和RO膜最常用于海水或微咸水的脱盐、超纯水的制备、去色、废水处理和用于食品的液体浓缩。几乎所有NF和RO应用的临界因素是当保持高流速时膜达到对小溶质分子的高去除率。
螺旋缠绕元件是RO和NF膜最普通的配置。

图1表示经典的螺旋缠绕元件的设计。“进料”液体轴向流过进料隔离片并作为“浓缩物”从另一端流出。“渗透物”在压力下通过膜封皮并通过渗透物载体片直接进入渗透物收集管。与可选的配置(中空纤维，板-和-框，和管状组件)相比较，螺旋缠绕元件通常具有低成本、低极化和低压降穿过元件的有利结合。
用最佳的元件设计可以进一步提高元件性能。举例来说，同时地改变元件中封皮的数量及其长度以达到最佳效率是可能的。对于相同的元件直径，由于封皮越多意味着无效端区域越多，因此增加元件中封皮的数量会导致有效面积的减少。然而，增加封皮长度(从垂直于收集管的轴的方向测量)会在较长的渗透物载体片内部导致更大的压降并且这也会降低操作期间元件的流量。(渗透物载体片内增加的压降会导致膜的流速—每单位膜面积的流量—的减少。)对于给定的一系列条件，可以在膜的封皮长度和封皮数量之间达到最佳平衡使流量最大化。同样的平衡也影响溶质的去除率，具有较大的封皮数量和较短的单个封皮长度的元件设计能使该去除率最大化。假定知道包括预期操作条件、所需的元件直径、膜封皮的有效宽度和元件材料(进料隔离装置、渗透物载体和膜)的厚度的几个参数，就可以预知并优化流量和去除率之间的平衡冲突。
操作时通常将螺旋缠绕元件置于圆筒形压力容器内。虽然有例外，但螺旋缠绕元件及放置该元件的容器的制造者已经汇集了一些标准尺寸。50毫米、60毫米、100毫米和200毫米的公称直径对RO/NF元件是最普通的。通常可以获得的具有60毫米直径的元件的长度大约为350毫米、530毫米或1米，从稍微延长的渗透物收集管的两端沿轴线测量。可以获得的具有100毫米或200毫米直径的元件通常只有1米长。制造容器使其能容纳整数个数的串连的元件。使用这些标准的元件长度的一个理由是工业上已经普遍用大约1米的宽度来制造膜，而且指定的长度考虑到了膜的有效使用。渗透物载体和进料隔离片也可以有效的从米宽辊上切断。指定螺旋缠绕元件的轴向尺寸为1米的整分数使得单个膜封皮的长度不受材料的约束。
在商业的RO和NF应用中，一个大型的过滤系统可能由超过10,000个元件组成，每个压力容器中通常分配有4到7个元件。压力容器具有用以输入加压的进料溶液并去除浓缩物和渗透溶液的开口。进料轴向流经每个串连的元件。通过连接不同元件的渗透物收集管，在容器中产生一个长元件的效应。每个压力容器可以进一步以串连或并联的方式和其它的容器联合以产生一个过滤系统。过滤系统可以进行再循环操作，其中对浓缩物再加压并让其几次或以“一次通过”方式通过容器，溶液只一次通过该系统的任何部分。大型的一次通过过滤系统典型的以锥形设计排列，其中浓缩物从若干上游容器喂入较少数量的下游容器。当所述系统可以用高错流获得高回收率时，它们也表现出具有长的连续进料路径和高压降的特点。系统设计可以通过结合多种其它可选物来进一步复杂化，包括升压泵、渗透加压和阶式平台。适当的系统设计可以获得所需要的回收率和渗透物质量，在Marcel Mulder，“Basic Principles of Membrane Technology”，Chapter 8，Kluwer Academic Publishers，Dordrecht，The Netherlands，(1991)中描述和图示了许多可用的可选物。
利用通过膜的压力和浓度梯度来控制RO或NF螺旋缠绕元件的分离效率。溶剂(最常用的为水)的流速(每单位膜面积的体积流量)通常与净驱动压力(net-driving pressure)成比例。该净驱动压力定义为进料和渗透物的作用压力差减去差速通过膜的渗透压力的差值。溶剂流速下降，获得高溶质浓度和低透膜压力。相反地，溶质分子基于扩散而普遍通过RO和NF膜，而且这一过程理想地被浓度梯度驱动并且实质上不受压力梯度的影响。因此，渗透物中被充分去除的溶质的浓度与净驱动压力成反比。
元件的净驱动压力受螺旋缠绕元件流体进口端和出口端之间压降的影响。在操作中，在压力下将进料溶液施加到螺旋缠绕元件的进口端并且使其轴向流过圆筒形元件。产生的压降取决于流过元件的进料的体积以及进料隔离片对该流动的阻力。该压降小于(通常小很多)净驱动压力。当通道中的进料具有15cm/sec的表观速度时，通过1米长RO/NF元件的典型压降为25kPa。可以将表观速度定义为被空的通道的横截面面积除的体积流量。对于标准商用的具有35m2(380ft2)膜的Film TecTM200mm直径(8英寸)的元件，15cm/sec相当于进料溶液的200m3/天。压降与流动速率近似成线性。
在串连的元件如容器中，串连的第一个元件用高于下游端的净驱动压力进行操作导致了不均匀的流速分布。该差异的一个原因是在连续元件中的进料浓度的增加产生了更大的渗透压力。该效果沿着串连元件被压降放大(有时不明显)。由于膜的这个不均匀利用而存在着若干问题。对于先导元件，由于污垢和结垢，高流速会明显缩短元件的寿命。高流速也会促使浓差极化而极化降低了膜的有效去除率。尾部元件的较低流速也是不合需要的，不仅是因为降低了生产率，也是因为较低的流速意味着渗透物中具有更高的溶质浓度。
压降导致对较高的总压力的需求，该压力要求较大的能量输入和需要较高成本的装备(泵、管道、容器等)。为了减小压降，在制造某些容器时，在容器中部开口，使进料溶液在两个方向上最远流至容器一半的距离。可选择的是，该问题可以通过在容器间使用升压泵或通过先导元件的渗透加压来解决。无论如何，这些补救措施都会产生更大的复杂性和成本。
理想地，压降问题会在源头—进料隔离片上解决。不幸地是，最佳进料隔离片的选择是个复杂的工作，这是因为从进料隔离片的结构来预测它的几个关键方面是非常困难的。除了对进料流动具有低阻力以保持通过元件的低压降外，理想的进料隔离装置还具有其它特征。进料隔离装置的首要目的是分离两个膜片，以使进料溶液流经它们的前表面。为了该目的，理想的渗透隔离片(也称作“隔离装置”、“网”或“隔离片”)具有高密度的膜接触点以避免膜封皮的聚集。当滚动时邻近的封皮的接触点互相抵消时发生嵌套，而且这两个封皮的变形会降低隔离装置的有效体积。理想地，隔离装置较薄使之不会显著降低被装入给定直径的元件中的膜面积的数量；它能促进物质的混合以使膜表面的溶质极化较小；它具有平滑的表面以致于不损坏它所接触的膜的区别层；并且当然的其制造和使用也是便宜的。
设计最佳的进料隔离装置是竞争关系的平衡。例如，增加隔离装置的厚度会产生较小的压降但是这与最大化元件的有效膜面积的需求相冲突。另一个重要的冲突源于减少元件中浓差极化的需求。浓差极化是膜表面的溶质浓度大于整体溶质浓度的现象。这是由膜的选择性引起的。在操作过程中，通过传送运输进料将进料溶液中的溶质连续推进到膜的表面。在不混合的情况下，必须通过扩散从表面移走被去除的溶质。联合竞争质量传递(coupling competing mass transfer)成轴向流动导致膜表面的溶质浓度沿通道的长度增加。该效果对大溶质分子、高渗透流速和轴向的低进料速度是特别重要的。在膜表面增加的浓度降低了水的渗透(由于渗透压力、结垢、形成凝胶或污垢)并增加了溶质分子的通过率(由更大的有效浓度引起)。进料隔离装置的一个目的是引起局部区域的紊流，阻碍极化的产生。不幸地是，在膜的表面混合所需的能量必须提供通过元件的能量损耗(压降)。
更进一步关系到压降，进料隔离装置的两个关键特征是其厚度(通道的高度)和空隙率。当流经隔离装置的液体体积保持恒定时，增加任一个性质通常都会引起压降的降低。如图2所示，沿流动方向取向的“网型”隔离装置的压降，被进一步的表征在Da Costa，Fane，& Wiley，J.Membrane Science，87，79-98(1994)中，其中的公式说明了其对一些几何特征的依赖性厚度、空隙率、筛目尺寸、长丝直径和长丝之间的角度。也确认了这些参数间的相互关系，并且对于恒定的空隙率，该论文证明了筛目尺寸和流体动力角的平衡冲突。(流体动力角在这里被定义为朝向通道轴线的两条长丝间形成的角度。)已发现当流量、厚度和空隙率保持恒定时，降低流体动力角会导致较小的沿流体通道的压降。同时较低的流体动力角(空隙率一样)会导致较大的筛目尺寸和在混合上的极大降低，以上用传质系数来表示。
隔离装置中的传质和压降仍然太过复杂以致无法从基本原理方面准确计算，但是已作了一些尝试，用分析的方法或根据经验研究来估计最佳进料隔离装置的配置。因为对压降和极化都有影响，两条长丝间的角度及其相对于进料流动的定向是两个相关联的区域，在公开文献中得到了重视。
在Da Costa，Fane，Fell，& Franken，J.Memb.Science，62，275-291(1991)中，在用超滤膜过滤葡聚糖过程中检验不同取向的进料隔离装置。研究使用了一些商业的进料隔离装置但是通过改变它们在通道中的取向或通过去除交叉丝束以增加空隙率来获得额外的配置。已发现使用具有80°流体动力角的进料隔离装置可获得最小的操作成本。DaCosta，Fane，& Wiley，(1994)的第二项研究，根据几何特征更全面地表征了这些隔离装置并研制出了用于压降的用来说明不同能量消耗来源的半经验模型。详细描述了压降和传质之间的平衡而且使用该模型预测了最佳的网配置。预测证实了先前的试验结果也详细说明了在不同的流动条件下用于超滤的最佳角度和空隙度的范围。在低错流速度方面断定网型隔离装置应具有低空隙度(0.4)和50°至120°的流体动力角。同一作者的第三项研究(Da Costa & Fane，Ind.Eng.Chem.Res.，33，1845-1851，(1994))发现与流动方向垂直的长丝的尺寸和位置对传质是特别重要的。在检测条件下可以推出，与两组长丝与通道轴线均成45°时相比较，对由垂直的长丝组成的隔离装置进行定向以使一组长丝垂直于流动方向时，UF元件具有较好的混合而且产生了更多的流量。
在Polyakov & Karelin，J.Membrane Science，75，205-211，(1992)中，检测不同组的进料隔离装置用于通过逆渗透合成膜的氯化钠的过滤。作者介绍了用于极化的依赖于长丝和进料流动方向间角度的模型。假定长丝间的区域与出现的紊流相对应，由长丝引起的膜的周期性阻塞产生了极化衰减区域。基于对不同隔离装置的检测，其中包括两个与用在商业RO元件中的隔离装置相似的隔离装置，他们发现最好的配置是长丝与流动方向成63.5°角。这个横动角等于127°的如前定义的流体动力角。
在Zimmerer & Kottke，Desalination，104，129-134，(1996)中，作者对通过由在不同角度叠加两层网格杆形成的双平面隔离装置的流动进行检测。用流动显形技术他们表征了流型的两个极端并使之与两个参数相联系横动角和无维筛目尺寸。(无维筛目尺寸定义为被长丝直径去除的筛目尺寸。)当角度较低并且筛目尺寸较短时，发现通道流动处支配地位，导致了较差的混合。在另一个极端，“螺旋流动”处支配地位，导致了在邻近流径间较差的质量传递。该作者认为可以通过选择适当的容许“完全混合”的角度和无维波长使两个区域重叠以引起膜表面的均匀使用。基于这个混合标准，优选的隔离装置具有120°的流体动力角和5.5的无维筛目尺寸。
Toray Industries的专利JP 99235520记载了由通过交叉两组重叠的长丝形成的网所构造的元件，交叉的长丝形成了30°到80°的流体动力角。操作实施例基于由66°流体动力角、0.7mm网厚以及2.7mm丝束间的垂直间距制成的网型隔离装置。当水在25℃以15cm/s的速度通过网时，产生了46kPa/m的压力梯度。Toray的相关申请JP 00042378，使用了同样的实施例并记载了当流速为15cm/s时具有10到20kPa压降以及当流速为25cm/s时具有30-40kPa压降的元件。
Toray Industries的专利EP 1029583针对的是具有较大流体动力角的隔离装置。元件由一组具有58°到90°流体动力角的交叉长丝网形成。在66°时的操作实施例看起来与在JP 99235520中描述的相同，当在25℃和15cm/s条件下操作时，产生的压力梯度为46kPa/m。该专利中也公开了由具有57.4°和75.0°流体动力角的网形成的相似元件的操作数据。在测定的压降上没有区别，但落在理想范围之外的流体动力角为57.4°的元件显示出较低的排盐量和流速。
Nitto Denko的JP 05168869中描述了利用网构造的元件，该网的一组长丝与进料流动方向平行，另一组长丝与流动方向以小于80°的角度交叉。更优选该角度在20°-50°之间。实施例使用了厚度为0.35mm的具有25°和40°横动角的网。两个隔离装置中较好的一个显示在进料流动速率为15cm/sec时的压力损失为76kPa/m。所述的隔离装置具有不对称的特殊缺点，使得两个环绕膜片分别面对不同的流体动力环境。同样，如在EP 1029583中所指出的，该隔离装置要求相对于现有技术来说比较先进的制网技术。
商用NF和RO元件的进料隔离装置在来源方面具有特色(例如G.Schock，A.Miquel，″Mass transfer and pressure loss in spiral woundmodules，Desalination，64，339(1987)；S.V Polyakov and F.N.Karelin，″Turbulence promoter geometryits influence on salt rejection and pressurelosses of a composite-membrane spiral wound module″J.Memb.Sci.，75，205，(1992))。这些通常由平均厚度为0.5-2mm、长丝之间的垂直间距为1-4mm、空隙度接近0.9、并且流体动力角为90°的网型进料隔离装置制备。对所述网定向，使流动方向平分该角度，产生45°的横动角。在Zimmerer的论文中，研究了由叠加的网格杆构造的隔离装置的不同配置，所使用的流体动力角为非90°的几个角度。在Da Costa的文章中，通过旋转或改变现有的网来检测通过具有多种不同配置的网的流动。Toray的专利申请使用了具有多种流体动力角的网。一些专利(US 4022692，US 4861487，US 4902417)也描述了低压降不对称网，其一个长丝平行于流动方向。尽管有这些研究，由于受惯例和正规加工设备限制，商业上制造的用于RO/NF元件的具有标准90°编网和45°横动角的网仍然占有优势。
用于RO和NF元件的进料隔离装置通常由与US 3067084中所述相似的工艺来制备。该工艺在开始同时挤出两组长丝以形成管状双平面网。在此工艺中，使用了两个同心模，两个模都具有环状排列的多个孔。在挤出过程中一个模相对于另一个模转动以使一组长丝与其它组的长丝交叉。在模面或者在出模后的即刻，使加热的仍柔软的聚合物长丝相互接触并结合。然后，拉伸得到包括两组部分结合的长丝的管状网，并在胀开心轴上展开。这使得两组长丝进一步的合为一体，增大了管的直径以满足最终使用的需要，并降低了单位面积网的重量和成本。
可选择地，用于元件的管状网可通过与在US 3700521中描述的相似的方法制备。如果那样，如上所述，第一个模通过环状排列的多个口再次挤出聚合物长丝。但是，在此方法中，第二个模周期性地打开以同时挤出全部的长丝，所述长丝为连续的环状。挤出过程使环状长丝与其它长丝接触，并融合在一起。该方法的一个变化是第一个模的口是直线排列而不是环状排列，其可以直接挤出平面网。
任一管状网结构都可沿任何轴切开以形成平面网，其中交叉长丝形成二维排列的平行四边形。当平行于一组长丝进行切割时，形成仅在隔离装置的一侧具有交叉丝束的不对称网。当两组长丝的直径和筛目尺寸都相同时，平行四边形实际上是菱形，平行于菱形的对角线切割管状网可得到对称网。还存在中间情况，切割切口确定了得到的平面网的加工方向。当卷起这种网的时候，所述的“加工方向”垂直于(正交)卷的轴向。
对称网的特征角定义为朝向加工方向的最大角。如上所述，虽然存在实践上的限制，但在挤出工艺中可以调整该特征角。与US 3067084所述相似的方法可在合理的范围内通过提高从模上抽出网的速度和/或通过降低两个模的相对转速来降低特征角的角度。然而，在另一极端，在交叉点最近的长丝的几何形状和接近心轴的无支撑的长丝的较长长度造成大的特征角的不稳定。基于US 3700521的Conwed方法，在原理上，通过相对于第二个模旋转第一个模能够改变特征角。这可能与在大特征角方面的困难相似。但是，Conwed方法通常用于挤出具有与挤出方向垂直(90°)的交叉丝束的网。
更难得到的是丝束细化和大特征角的结合。丝束细化指交叉点之间长丝的拉伸或者颈缩，由在制造过程中加在网上的张力造成。一些丝束细化频繁出现在用于RO/NF进料隔离装置的商业网。然而，在上述工艺中，加工张力通常处于倾向于降低特征角的方向。US 4152479描述了通过前述方法在网中引起横向定位的固有的困难，此处引入该专利作为参考。
特别是对于RO和NF的应用，其中小分子在低作用压力下从进料溶液中去除，其要求具有非常低的压降的进料隔离装置。同时，要求该进料隔离装置具有小的丝束间距，以使得临近层的嵌套最小化并保持可接受的极化。此外，这种进料隔离装置需要经济的制造和使用。最大效率的使用要求所述的进料隔离装置的“加工方向”与渗透物收集管的轴垂直，并且在制备过程中在网的优选定向上给以约束。本发明的一个目的是提供一种经济的进料隔离装置，其特征是具有非常低的压降、较低的丝束间距和可接受的极化，以及提供包括该装置的螺旋缠绕元件。
本发明涉及一种具有改进的进料隔离片的螺旋缠绕膜元件及其制备和使用方法。与商业上可用的设计相一致，目标元件的进料隔离装置包括第一组相互充分平行的长丝和第二组相互充分平行的长丝相交叉的网。本发明改进的进料隔离装置具有高度的丝束细化，其特征在于在交叉点之间的区域内长丝的窄化。可通过用相应的最细长丝宽度(在网平面内)除有效长丝厚度来计算相邻交叉点之间区域的丝束细化值。
在一个实施方式中，本发明的螺旋缠绕元件具有特征为丝束细化参数大于1.6，更优选大于1.8的进料隔离装置。
在本发明的另一个实施方式中，螺旋缠绕元件中的进料隔离装置的特征是小流体动力角(＜70°)和大丝束细化参数(＞1.3)。更优选，流体动力角小于60°，和丝束细化参数大于1.35。甚至更优选，流体动力角小于55°，和丝束细化参数大于1.4。同样优选的是新进料隔离装置的加工方向近似垂直于流动方向。进一步要求所述的新进料隔离装置合并在元件中以得到低进料压力下的高流速，使低压降的优点得到最大地实现。
另一个实施方式提供了一种过滤系统，该系统含有多个并联设置的螺旋缠绕元件和轴向长度(即，平行于渗透管)大于2.5米、甚至大于9米的有效的连续进料路径(即，在从一个元件到串连的下一个元件的轴向上的有效的连续进料隔离片)，而无需以例如辅助泵的方式增大作用压力。当过滤系统具有锥形设计时，该进料隔离片的连续长度可延伸至数个元件、容器和平台。
本发明并不限于此处的特定的实施方式、附图和说明书。本领域技术人员可以理解本发明具有宽的应用范围，并且可用于除了具体描述的以外的实施方式。
通过参考下文中本发明的详细描述以及附图，可以更好地理解本发明的优点和其优选的实施方式。在这些部分中，同样的提及的编号表示同样的元件。
图1是一透视图，是螺旋缠绕元件的部分剖视图。该元件由环绕在中心的渗透物收集管周围的交替包装的过滤封皮和进料隔离片形成。所述过滤封皮包括夹在两个膜片之间的渗透物载体片。
图2是“网型”进料隔离片的部分透视图，该片具有两组交叉的相互充分平行的长丝。长丝在交叉点有相当大地重叠，使隔离片的厚度低于典型长丝直径的两倍。
图3是本发明进料隔离片的部分透视图，显示了丝束细化和几个几何关系。
为将大量的RO或NF膜并入小的空间中，螺旋缠绕元件是决定性的设计。螺旋缠绕元件的结构在别处已经有详细的描述(参见USPatent Nos.5,538,642和5,681,467，引入此处作为参考)。典型的螺旋缠绕元件设计表示在图1中。该元件由环绕在中心的渗透物收集管(6)的一个或者多个膜封皮(2)和进料隔离片(4)包装形成。所述封皮(2)包括两个环绕渗透物载体片(10)的通常为矩形的膜片(8)。尽管存在其它多种封接三个封皮边的方法，但所述“夹层”结构通常用粘合剂(12)沿三个边(14，16，18)将其粘合在一起。封皮(2)的第四个边(20)与渗透物收集管(6)相邻，使渗透物载体片(10)与渗透物收集管(6)的开口(22)以流体接触。每个封皮(2)都被也缠绕在收集管(6)周围的进料隔离片(4)分开。所述进料隔离装置(4)与元件的两端(24，26)以流体接触，并且作为通过膜(8)前表面(28)的进料溶液的导管。进料的流动方向(30)从入口端(24)到浓缩端(26)，并且该方向平行于中心的渗透物收集管(6)的轴(32)。
本发明的进料隔离片(4)是非织造聚合物网。如图3(和2)所示，它是由第一组充分平行的长丝(34)与第二组充分平行的长丝(36)以一定角度(38，40)交叉形成的。两组长丝在交叉点(42)相互粘贴。两组交叉的充分相互平行的长丝形成了相似平行四边形(44)(如图3虚线所示)的两维排列，它们的边长确定筛目尺寸(46，48)。除了两组长丝相互垂直的情况外，平行四边形具有锐角(38)和钝角(40)。在本发明中，锐角(38)被平行于流动方向(30)的线(50)大致平分。长丝与流动方向(30)的夹角被称作它们的横动角(52，54)。
本发明的网优选经过连续的工序制备并且通常切断成矩形进料隔离片。在US 3700521、US 3957565和US 3067084中描述了用于制造连续的交叉长丝网的典型的挤压方法。可以在挤出单根聚合物长丝后或在长丝形成过程的同时进行长丝的交叉和连接。由于生产中的自然变化，并不期望网中的每个平行四边形(44)都是相同的，但是可以通过测量较大区域网的角度、距离和丝束的支数来确定典型的平行四边形的角度(38，40)和筛目尺寸(46，48)。
对于本发明的网，典型平行四边形(44)具有小于70°的锐角(38)和至少110°的相对应的钝角(40)。该网的流体动力角(56)被定义为朝向流动方向(30)的两根长丝(34，36)之间的角。在本发明中，流体动力角(56)必须等于典型平行四边形(44)的锐角(38)。该伸长的平行四边形(44)对网定向，使流体动力角(56)和横动角(52，54)较低从而产生的对流动的阻力最小。
长丝的直径是该网的另一个特征。两组充分相互平行的长丝(34，36)的直径可以不同，并且可以从被挤成各组长丝的聚合物密度和聚合物质量最精确地获得每个长丝组的典型直径。用下述公式来计算一个组的典型直径Di，其中Li是那个类型长丝的总长，Mi是挤出形成那些长丝的聚合物的质量，以及p是聚合物密度。
πLiDi2/4＝Mi/p当挤出参数不是公知的时候，同样的公式可以用在分离单根丝束而且确定包括两种类型的聚合物的质量以后。也可以对网进行目测来估算典型直径。在本发明中，典型长丝直径优选为0.15到0.6mm。考虑到在面向膜片(8)的表面(28)上的相似混合，还优选两组充分相互平行的长丝(34，36)的直径是相同的。
网的另一个特征参数是它的厚度。网的厚度可以通过将网的一小部分在两个平面之间挤压并测量两平面间的距离来测量。该网的厚度定义为由至少20个分离区域的测量值来确定的平均(算术平均)厚度。由于丝束在交叉点(42)会发生变形并且该变形在常规挤出工艺(如图2的所示)中是典型的，因此该网的厚度可能小于典型长丝直径的两倍。当两组充分相互平行的长丝具有相同的典型直径时，每个组的有效厚度是总厚度的一半。当两组长丝具有不同的典型直径时，每个组的有效厚度确定为与它的典型直径成比例以使两个不同的有效长丝厚度的总和为整个网的厚度。
本发明所用的网的厚度优选为0.25到1mm。降低厚度将导致较大的压降，更多的阻塞倾向，以及元件内不均匀流动的可能性。增加网的厚度会减少装入元件的膜的有效面积。增加网的厚度也会降低以给定的体积流动速率通过通道的流体的表观速度，而且使极化恶化。
筛目尺寸(46，48)是长丝交叉点之间的距离，与典型平行四边形(44)的边长相对应。非常相关的测量值是丝束间距(58，60)，其被定义为一组长丝之间的垂直距离。优选网的两组长丝的丝束间距均为1到5mm。当进料隔离装置(4)的丝束间距(58，60)增加时，元件旋转过程中邻近封皮(2)的嵌套会有问题并且该嵌套增加了压降。此外，认为低丝束间距和低筛目尺寸提高了极化，导致了更频繁的紊流区域。在另一极端，当丝束间距和筛目尺寸过小时，压降增加并且网的制造将更加困难。两组长丝的丝束间距不是必须相同的，但是优选是相同的，这是因为要求在面向膜片(8)的前表面(28)上的混合是相似地。
空隙度是可用于流体流动的自由空间体积对被网分离的两个表面(28)之间的总体积的比值。对于交叉杆形成的网，聚合物体积与单个单元相关，例如可以从前述的参数算术估算典型平行四边形(44)。用该体积除以与单个单元相联系的总体积估算出网的聚合物占的分数。对于长丝在交叉点(42)均分了一些相同体积的网，可以通过用体积置换方法直接测量来更精确确定聚合物占的分数。在任一情况下，空隙度仅是1减去聚合物的分数的差值。本发明的网优选具有大于0.8的空隙度，更优选大于0.9，以容许保持低压降。
本发明的关键方面在于网具有可估算的丝束细化量。丝束细化是在交叉点(42)之间的区域的长丝的窄化。通过用前面所定义的有效的长丝厚度除以那一区域网平面中对应的最小长丝宽度(62，64)，得到相邻交叉点之间区域的丝束细化的测量值。将每组长丝的丝束细化参数相似的定义为对所属组的至少20根长丝部分测量的最小宽度(62，64)进行首次平均(通过算术平均)后获得的商。网的丝束细化参数是每组相互充分平行的长丝(34，36)的丝束细化参数的平均值。本发明的网优选具有大于1.3(1.35、1.4、1.6甚至1.8)的丝束细化参数。
如较早提到的，元件先前用具有某些丝束细化度的网构成。从实施例中可以明显看出在本发明书中说明的优选的网具有非常高的丝束细化参数(＞1.8)并且看起来在螺旋缠绕元件中使用严重拉伸的网以前没有预料到。然而，低流体动力角(56)和丝束细化的结合被认为是特别重要的。丝束细化可使具有低角度和低丝束间距的网保持高空隙度。结果是具有低压降的元件避免了嵌套和高度极化。
也应该指出定义的丝束细化参数也结合了在长丝(34，36)间的交叉点(42)的变形度。非重叠的相切圆筒的网具有统一的丝束细化参数。因为在交叉点(42)的变形降低了空隙度而且增加了压降，该变形反映为降低的丝束细化参数。小于1的丝束细化参数是有可能的。在交叉点(42)的变形可以通过几种方式发生，但是被拉伸获得高丝束细化参数的网一般也将具有增加的变形从而形成较薄的网。因此，高丝束细化参数建议了一种在其中心拉伸长丝而且避免在其交叉点(42)变形的最佳方法。
本发明的另一个关键方面涉及当用于元件中时对网的加工方向的定向。本发明的网优选具有与平面连续的网的长的尺寸相一致的加工方向，从该平面的连续的网处对切片进行切割。当通过分割管状挤出物形成网时，加工方向与分割切口平行。加工方向确定了在其生产过程中可能被持续地卷起的平面网的取向。这种卷的轴向垂直于加工方向。具有相当于一个标准元件长度的轴向尺寸的网允许用最小的碎片来构造元件。确定网的方向使其加工方向垂直于渗透物收集管(6)也导致了可以按需改变封皮长度的灵活性。本发明的元件优选由处于这一方向的网构造。
在本发明的螺旋缠绕元件中，流体动力角(56)小于70°，更优选小于60°，最优选小于55°。定向所述网使其流体动力角(56)被流动方向大致平分。被“大致平分”意味着流体动力角(56)的平分线在10°以内平行于渗透物收集管(6)。这样，两组长丝(34，36)产生了与通过元件的进料流动方向近似相同的横动角(52，54)。同样注意长丝直径和丝束间距，得到的对称性容许两个相对的膜片(8)具有相似的极化并且导致膜区域的均匀利用。本公开的目的是，对称进料隔离装置指的是其两组长丝具有近似相等的丝束间距(58，60)、典型直径和横动角(52，54)的隔离装置。
已经看到用于构造本发明的元件的进料隔离装置(4)具有非常低的压力梯度。使用与Da Costa(1991)的描述相似的流动单元，具有低流体动力角(56)和高丝束细化的网在15cm/sec的速度下显示了7.1kPa/m的压力梯度。在0.05和0.25cm/sec，压力梯度分别为2.1和12.5kPa/m。由同样的材料构造的FilmTecTM4040元件(直径100mm，长1米)在15cm/sec显示了大约6.1kPa/m的压力梯度。与JP 99235520和JP 05168869中由低压降隔离装置制造的元件的值以及由典型商业隔离装置材料制造的元件的值相比，该值较有利。该显著提高的压降是高空隙体积和低流体动力角(56)的结果，后者可用来解释较小的形成阻力和粘性阻力。
除了使用目标元件的过滤系统具有较低的构造和操作成本外，所要求保护的元件的极化是完全可以接受的。实施例将证明与由标准进料材料构造的元件相比，包含具有新进料隔离片的元件的系统可以提高流量和盐通过率。当作用压力较低而且几个元件串连时目标进料隔离装置是特别有优势的。例如，在元件串连排列以创造具有轴向长度(即，平行于渗透管)的有效的连续进料路径(即，在从一个元件到串连的下一个元件的轴向上的有效的连续进料隔离片)的过滤系统中，本发明的进料隔离装置在不使用例如辅助泵来增加压降的情况下准许使用大于2.5米、甚至大于9米的有效长度。当过滤系统具有锥形设计时，进料隔离片的连续长度可以贯穿若干元件、容器和平台。
为了隔离装置设计目的的对传质的预测是复杂的而且超出了目前计算能力的限度。在很大程度上，通过率的提高是可以用由低压降获得的高流量来理解的。然而，文献认为较小的流体动力角(56)可能会大大损害极化。然而其并不是对本发明的限制，尽管该隔离装置具有较低的流体动力角(56)，但可以对观测到的该隔离装置的良好的混合作出解释。一种解释是悬浮的、伸展的长丝避免了由于与膜前表面(28)的直接接触而形成的停滞区域。这与早先的试验结果(Feron，Desalination，84，1991，137-152)形成对比，该试验结果认为悬浮杆比附着在膜表面的杆的混和效果要差，但是所述研究是用动力学可能不同的较大的结构(无论长丝还是通道)来完成的。一个可选择的解释是丝束细化保持了较高的空隙体积，然而由于紧密的丝束间距(58，60)，在极化过程中产生了更频繁的中断。
为了利用优选的网取向得到低流体动力角(56)，要求网的加工方向分割平行四边形(44)的大(钝)角(40)。小流体动力角(56)对应于网的大特征角。以前的通常用来生产用于RO元件的连续网的方法在同时获得所要求的相对于加工方向的大特征角和低网孔尺寸(46，48)上是受限制的。在Zimmerer的文章中，通过用叠加杆模拟实际的隔离装置获得了大范围的角。在Da Costa的论文中，通过转动用更传统的方法制成的网检验了小流体动力角(56)。采用目前用来制备双平面进料隔离装置的方法得到大特征角(大于110°，相对于小于70°的流体动力角)是有疑问的。
由优选取向形成的网的进一步问题是同时具有大的空隙体积、低的流体动力角(56)和紧密的丝束间距(58，60)。一个解决方法就是丝束细化，但是由在加工方向上的伸长引起的细化通常与低的流体动力角(56)和优选的加工方向的取向是不相容的。倾向于伸长网的力同样倾向于增大该角。本发明的实施例采用在网形成之后通过在与加工方向垂直的方向伸长网来引起丝束细化的网加工工艺。虽然该工艺需要一个额外的步骤，但其可以经济地提供可形成同时具有所要求的角、丝束间距、网取向和空隙体积的元件的网。
实施例不是限制发明的范围，而是用下述非限制性实施例进一步说明本发明实施例I根据下面描述的工艺制造进料隔离装置作为典型的现有技术，通过交叉由两个同心的、逆转式模头同时挤出的两组长丝形成管状网。在心轴上拉伸管状结构并在水浴中骤冷。切割后，得到宽度为48.3cm，丝束间隔为2.12mm，平均网厚为0.94mm，特征角为85°的平面网。切口确定了网的加工方向，其大致平行于特征角的平分线。
与制造用于螺旋缠绕元件的进料隔离装置的传统工艺不同，在该工艺中加入了拉幅步骤。加热平面网并垂直于加工方向进行拉伸。在100°F进行该拉幅步骤。(如US 4152479所述，拉幅可以在大的温度范围内完成。已经发现较低的温度有利于丝束高度细化，而且网也能均匀拉伸。)得到的平面网具有125.7cm的宽度，3.28mm的丝束间距，129.3°的特征角，以及2.38的拉伸细化参数。表I列出了这些数据以及拉幅后测量的其它几何性质。
914mm长、127mm宽和1.27mm通道深度的平面单元载有膜、进料隔离片和填充通道剩余空间的适当的垫片。对前述的进料隔离装置进行定向使其流动方向垂直于加工方向，形成50.7°的流体动力角。在25℃使水流经该单元并保持小于5％的回收率。将进料隔离装置的压降作为表观进料速度的函数进行测量。该结果随同比较例I的结果表示在图表1中。
比较例I根据传统方法制成双平面进料隔离装置。这个工艺包括通过同心模挤出两组长丝，交叉这两组长丝以形成管状网，在胀开心轴拉伸该网，并且切断该管状网以形成平面网。这一工艺不包括实施例I中的垂直拉幅步骤。得到的网具有2.95mm的丝束间距，0.71mm的网厚，90°的特征角，以及1.38的丝束细化参数。将该网材的其它几何性质记载在表II中。在平面单元上定向该网使其具有45°的横动角。测量作为表观速度的函数的压降，结果表示在图表1中。
图表1 实施例II和III用与实施例I相似的工艺制造另外两个近似对称的进料隔离装置。测量两个网在拉幅以前和以后的几何性质，记载在表I中。基于宽度比，拉幅工艺用多于两个的因素来拉伸每个网。表I也列出了当水在25℃以15cm/sec的速度流过平面单元时测量出的压力梯度。在测量中，将进料隔离片的加工方向定向为垂直于流动方向以产生47.5°和60°的流体动力角。
表I
比较例II到IV比较例II和III基于用于制造FilmTecTMNF270-400元件的进料隔离装置。比较例IV基于由Delstar Technologies，Inc.制造的商业双平面网(P2809 Halar Plastinet)。测量三个近似对称的网的几何特征，并将测量值列在表II中。注意实施例IV的网与实施例I-III的网的首要不同在于丝束细化。如实施例I所述，用在实施例1中描述的15cm/sec的水流检测三个网，与表I中的数值比较，表II中的测量的压力梯度值比较大。
比较例V
通过交叉两组由两个同心模同时挤出的长丝制备双平面网。与比较例I相反，减少两个挤压模之间旋转的相对比率以产生较小的特征角。除了这一变化，网的成型工艺是一样的。该差异产生了较小的特征角并降低了丝束的细化参数。在平面单元上用平行于流动方向的加工方向将该材料定向后测量该材料的压降。这样，小的特征角与小的流体动力角相对应。将几何测量结果和25℃下测量的压力梯度记载在表II中。与表I中的值相比，该压力梯度值较大。
表II
实施例IV、实施例V，和比较例VI使用与比较例II和III相似的标准进料隔离片制造四个FilmTecTMNF270-4040螺旋缠绕元件。商业NF270-4040元件大约1米长，直径为100mm，并且它们包含7.0m2的有效膜面积。用不同的进料隔离片构造同样设计的另外八个元件。四个包含实施例I的进料隔离装置，四个包含实施例II的进料隔离装置。在每种情况下，网的加工方向垂直于中心收集管。
将元件顺序放入单独的元件容器中并且测量作为表观进料速度函数的压降。进料溶液只包含水，而且25℃时在施加350kPa压力下元件的流速平均为68l/m2/hr。在测量压降的过程中阻塞渗透物流动以保持恒定的通过元件的进料速度。图表2表明了25℃时测定的三类元件各自的平均压力梯度。实施例IV和V分别与用实施例I和II的进料隔离装置构造的元件相对应。
图表2 实施例VI和比较例VII实施例II和比较例I的进料隔离装置在914mm长的平面单元上存在100ppm NaCl的情况下进行运转。平面单元中进料隔离装置的取向与前述的相同。使用FilmTecTMNF90膜，当在140kPa下和32cm/sec的表观进料速度下操作该系统时，记录运行性质(流速、盐的通过率和压降)。该数据记录在表III中，它表明了与传统材料相比，新网较有利。
表III
实施例VII和比较例VIII载入四个使用实施例I中的进料隔离装置的来自实施例IV中的螺旋缠绕元件，并用100ppm NaCl串连运行。在第一个元件入口所施加的压力为344kPa，浓缩物的流动速率定为每分钟39公升。然后用同样的作用压力和浓缩物流动速率检测比较例VI的四个NF270-4040元件。用新进料隔离装置制造的元件的检测结果记载在表IV中，其表明了对压降、流量和盐通过率的有利值。记录的压降是四个串连元件的总值。
表IV
权利要求
1.一种改进的螺旋缠绕元件，其具有确定了轴线并且沿长度方向具有多个开口以接收渗透物的中心收集管；至少一个从所述收集管外部延伸并在其周围缠绕的过滤封皮，所述过滤封皮由两个膜片和夹在所述膜片之间的渗透物载体片构成；所述渗透物载体片直接以流体连系所述收集管的所述开口；至少一个缠绕在所述收集管周围的进料隔离片，所述进料隔离片与至少一个过滤封皮的外表面平面接触；其中改进的特征是所述进料隔离片是由第一组充分平行的长丝与第二组充分平行的长丝交叉形成的具有小于70°锐角的多个平行四边形构成的网，对所述网定向，使所述锐角的平分线与中心收集管的轴线大致平行，其中所述网具有大于1.3的丝束细化参数。
2.根据权利要求1所述的螺旋缠绕元件，其中进料隔离片具有小于1mm的平均厚度而且第一和第二组长丝具有1mm到5mm的丝束间距。
3.根据权利要求2所述的螺旋缠绕元件，其中所述的平行四边形具有小于60°的锐角而且所述网具有大于1.35的丝束细化参数。
4.根据权利要求3所述的螺旋缠绕元件，其中所述平行四边形具有小于55°的锐角而且所述网具有大于1.4的丝束细化参数。
5.根据权利要求3所述的螺旋缠绕元件，其中所述网的加工方向大致垂直于所述收集管的轴线。
6.根据权利要求1所述的螺旋缠绕元件，其中当以0.15m/s的表观速度操作元件时，该元件在轴向具有小于10kPa/m的压力梯度。
7.根据权利要求1所述的螺旋缠绕元件，其中当在25℃用纯水进料以及以350kPa(51.0psi)的净驱动压力操作元件时，该元件具有至少40l/m2/hr的平均流速。
8.根据权利要求7所述的螺旋缠绕元件，其中当在25℃用纯水进料以及350kPa(51.0psi)的净驱动压力操作元件时，该元件具有至少65l/m2/hr的平均流速。
9.一种改进的螺旋缠绕元件具有沿长度方向具有多个开口以接收渗透物的中心收集管；至少一个从所述收集管外部延伸并在其周围缠绕的过滤封皮，所述过滤封皮由两个膜片和夹在所述膜片之间的渗透物载体片构成；所述渗透物载体片直接以流体连系所述收集管的所述开口；至少一个缠绕在所述收集管周围的进料隔离片，所述进料隔离片与至少一个过滤封皮的外表面平面接触；其中改进的特征是所述进料隔离片是由第一组充分平行的长丝与第二组充分平行的长丝交叉形成的多个平行四边形构成的网，所述网具有大于1.6的丝束细化参数。
10.根据权利要求9所述的螺旋缠绕元件，其中所述网具有大于1.8的丝束细化参数。
全文摘要
本发明为改进的进料隔离装置、包括所述进料隔离装置的螺旋缠绕元件、过滤系统及其制造方法和应用。在一个实施方式中本发明包括改进的螺旋缠绕元件，其具有一个沿长度方向具有多个开口以接收渗透物的中心收集管；至少一个从所述收集管外部延伸并在其周围缠绕的过滤封皮和至少一个缠绕在所述收集管周围的进料隔离片，其中所述进料隔离片与至少一个过滤封皮的外表面平面接触。所述进料隔离片是由第一组充分平行的长丝与第二组充分平行的长丝交叉形成的具有小于70°锐角的多个平行四边形构成的网，对所述网定向使所述锐角的平分线与中心收集管的轴线大致平行而且其中所述网具有大于1.3的丝束细化参数。
文档编号B01D63/10GK1655863SQ03811979
公开日2005年8月17日 申请日期2003年4月11日 优先权日2002年5月2日
发明者J·E·约翰逊 申请人:膜技术公司