专利名称：螺旋形的分离膜部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于分离悬浮或溶于液体中组分的螺旋形分离膜部件。更具体的说，本发明涉及具有内置渗透侧通道材料(passage material)的分离膜部件，该通道材料可在渗透侧获得比相关领域技术更低的压力损失。
背景技术：
常规的螺旋形分离膜部件的结构包括多孔芯管和缠绕在其周围的，一个或多个分离膜，一个或多个加料侧通道材料，以及一个或多个渗透侧通道材料。已主要被使用的渗透侧通道材料，其表面没有凹陷或突出。此结构的一个优点为可降低截面积的缩减程度，其是当加料侧的压力高时，而且膜因此被推向渗透侧通道材料而导致的。
然而，具有此结构的渗透侧通道材料有下列的缺点。有效的通道截面孔隙度低，并且，因此不可能获得足够有效的通道截面积。因而，当加料侧压力低或渗透水的流速高时，渗透侧通道的压力损失增加，导致分离膜部件的性能降低。因为此点，具有凹陷或突出表面的网状通道材料在反渗透性膜元件中被用作为渗透侧通道材料，其在相对较低的压力下起作用。至于此网状通道材料的使用，有人提出了一种使加料侧压力影响最小的方法，其包括将布置于膜和渗透侧通道之间来获得通道截面(见例如JP-A-09-141067和JP-A-2000-350922)。
然而，通过将布置于膜和渗透侧通道材料之间，在部件中适于膜介入的空间体积相应地减少了。因而有效的膜面积减少并且分离膜部件的性能降低。相反地，若在没有改变部件中的有效膜面积条件下将布加入，渗透侧通道的有效截面积相应于布量而减少，导致在渗透侧通道中的压力损失增加。
另一方面，若将螺旋形的分离膜部件用于如澄清方面的使用，则加料侧压力低并且渗透水的流速高。因而，上文描述的在渗透侧通道中的压力损失可对分离膜部件的性能产生相当大的影响。当加料侧压力低时，在分离过程中并不十分需要此渗透侧通道材料具有保持渗透侧通道的功能。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种螺旋形分离膜部件，其可在渗透侧通道获得降低的压力损失，并且当加料侧压力低时特别有效。
为了实现上述目的，本发明者对渗透侧通道材料的纬丝和经丝的厚度和节距进行了深入的研究。因而，已发现本目的可通过调节厚度、节距与通道材料厚度之间的关系使其处于给定的范围内来实现。基于此发现完成了本发明。
本发明提供了螺旋形分离膜部件，其包括多孔芯管和缠绕在其周围的，一个或多个分离膜，一个或多个加料侧通道材料，以及一个或多个渗透侧通道材料，其中每个渗透侧通道材料含有伸展方向几乎与渗透液流向相平行的经丝和固定在经丝上的纬丝，节距(每个经丝的宽度+相邻经丝相对面的间距)与相邻经丝相对面的间距比为1.1/1-3/1，并且通道材料的厚度与相邻经丝相对面的间距比为0.25/1-1.25/1。
文中所用术语“通道材料的厚度”是指每个经丝/纬丝的相交厚度。
根据本发明，由于在每个渗透侧通道材料内的每个经丝的宽度小于通道材料内的相邻经丝相对面的间距，使得渗透侧通道材料的有效通道截面积增加。而且，因为相邻经丝相对面的间距大于通道材料的厚度，使得渗透侧通道材料可保持增加的有效通道截面积，并且当对抗加料侧压力时，可维持渗透侧通道功能不受影响。因而，提供了一种螺旋形分离膜部件，其可在渗透侧通道获得减少的损失，并且当加料侧压力低时特别有效。
在此螺旋形分离膜部件中，每个经丝的高度与通道材料的厚度比优选为10/11-30/31。在此情况下，经丝高度的比率增加，并且经丝间的间距变大，由此可导致此渗透侧通道有更大的有效通道截面积。
图1A为底视图，其显示了根据本发明，在螺旋形分离膜部件中的渗透侧通道材料的一个实例；图1B为斜面图，其显示了根据本发明，在螺旋形分离膜部件中的渗透侧通道材料的一个实例；并且图2为图表，其显示在实例中当相邻经丝间距与相邻纬丝间距的比例发生改变时，流速同压力损失间的关系。
在此附图中1经丝束1a经丝2纬丝w1相邻经丝相对面的间距w2节距h经丝高度t通道材料厚度发明详述本发明将在下面通过引用附图进行详细的描述。
图1A为底视图，其显示了根据本发明，在螺旋形分离膜部件中的渗透侧通道材料的一个实例，并且图1B为斜面图，其显示了根据本发明，在螺旋形分离膜部件中的渗透侧通道材料的一个实例。
本发明的螺旋形分离膜部件的结构包括多孔芯管和缠绕在其周围的，一个或多个分离膜，一个或多个加料侧通道材料，以及一个或多个渗透侧通道材料。在JP-A-09-141067和JP-A-2000-350922中详细的描述了此种类型的膜部件。至于除了渗透侧通道材料以外的其它元件，可以使用任何常规的分离膜、加料侧通道材料、芯管等。例如，若当使用两个或更多的加料侧通道材料及两个或更多的渗透侧通道材料时，此膜部件的结构为在其中有两个或更多的膜片被缠绕到芯管上。
在本发明中，渗透侧通道材料含有伸展方向几乎与渗透液流向相平行的经丝1和固定在经丝1上的纬丝2。纬丝2固定到经丝1上可通过熔融粘结、粘附等来完成。经丝1和纬丝2可为复丝纱线或单丝纱线。然而，由获得更大通道面的观点出发，经丝1优选为复丝纱线并且纬丝2优选为单丝纱线。
若当将复丝纱线用作为经丝1时，每个纱线优选为加捻的、熔融粘结的或经另外处理的以便具有在加料侧的压力下很难变形的结构。在图1A中，1a为构成经丝束1的经丝。经丝1的熔融粘结可与纬丝2的固定同时进行。将经丝1经加热固化并从而使其具有接近方形或矩形形状的截面也是可能的。因而经丝1可被制成具有在加料侧的压力下很难变形的结构，从而可降低渗透侧通道中的压力损失，并且可用更优选的方法来调节保证有效的通道截面积。
在渗透侧通道材料中，节距(每个经丝的宽度+相邻经丝相对面的间距)与相邻经丝相对面的间距比(w2/w1)为1.1/1-3/1，并优选为1.5/1-2.5/1。若当w2/w1小于其范围的下限时，经丝具有太小的宽度，并且当对抗加料侧压力时，不能维持渗透侧通道的功能。若当w2/w1大于其范围的上限时，经丝具有太大的宽度，并且因而渗透侧通道具有减缩的有效通道截面积。即在本发明中经丝1的宽度也被尽可能大的减缩，来增加渗透液流过的截面积[(通道截面积)＝(相邻经丝相对面的间距)×(凹处的深度)]。在此重要的是，在不增加厚度的情况下使渗透侧通道的截面积增加。这是因为厚度越大，分离膜部件中的膜面积越小。
因而，在渗透侧通道材料中，通道材料的厚度与相邻经丝相对面的间距比(t/w1)为0.25/1-1.25/1，并且优选为0.3/1-1.0/1。若当t/w1小于其范围的下限时，相邻经丝相对面的间距太长，并且当对抗加料侧压力时，不能维持渗透侧通道的功能。若当t/w1大于其范围的上限时，相邻经丝相对面的间距太短，并且因而渗透侧通道具有减缩的有效通道截面积。
在本发明中，每个渗透侧通道材料具有凹陷和突出结构。尽管如此，在渗透侧上降低压力损失可以不通过置入布来获得。此渗透侧通道材料当用在螺旋形分离膜部件中来澄清时易于显示出其性能，但此点并不会限制它的使用。渗透侧通道材料的结构含有伸展方向几乎与渗透液流向相平行的经丝(突出)和所制的尽可能深的纬丝(凹陷)。理想地，渗透侧通道材料的厚度被制成接近凹处的深度。因而，在渗透侧通道材料中的每个经丝高度与通道材料厚度比(h/t)优选为10/11-30/31。即将纬丝直径调节为约1/10-1/30的经丝直径。
具体地，经丝直径优选为350-600μm，并且纬丝直径优选为20-50μm。而且，经丝优选具有400-800μm的宽度和350-600μm的高度，并且相邻经丝相对面的间距w1优选为0.3-1.5mm。
另一方面，相邻纬丝相对面的间距优选为200-1000μm，并且更优选为300-500μm。若当相邻纬丝相对面的间距大于其范围的上限时，此渗透侧通道材料倾向于具有减弱的强度，使其很难稳定的保持通道。若当相邻纬丝相对面的间距小于其范围的下限时，流动阻力趋于增加。
可将本发明的螺旋形分离膜部件用于任何过滤技术，如反向渗透过滤、超滤和微量过滤。然而，上文所描述的渗透侧通道材料如在膜部件中主要用于澄清，当加料侧压力低时其显示出特别的效果。特别地，当加料侧通道与渗透侧通道的压力差为0.01-0.5MPa时，渗透侧通道材料是很有用的。
渗透侧通道材料的材料实例包括树脂，例如聚丙烯、聚乙烯、聚酯，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰胺、天然高分子和橡胶。然而，优选使用树脂如聚酯。
两种或更多种角度不同的纬丝2可被使用。可布置纬丝2与其它的纬丝2相交形成菱形图案。在此情况下，优选布置纬丝2使单独纬丝2的交叉点位于与纬丝2和经丝1的交叉点不同的位置上。
经丝1和纬丝2的厚度方向安排优选使得所有的纬丝2置于排列的经丝1的一边，如图1A和1B所示。此结构可有效地确保通道截面并减少渗透侧通道材料的阻力。
本发明将通过引用下面的实施例进行更详细的描述，该实施例具体显示了本发明的结构和效果。
实施例使用复丝纱线(长丝直径35μm，加捻的长丝数40长丝x2，高度0.35mm，宽度0.5mm)作为经丝并用单丝纱线(直径35μm)作为纬丝，在本发明中用作渗透侧通道材料的聚酯网(见图1)是通过下面方法制备得到的将纱线在其交叉点处热熔融粘结以便获得0.39mm厚度的通道材料。在此网中，节距(每个经丝的宽度+相邻经丝相对面的间距)为1.7mm，并且相邻经丝相对面的间距为1.2mm(比例1.4/1)。通道材料厚度与相邻经丝相对面的间距比为0.3/1，并且相邻纬丝相对面的间距为约0.5mm。而且，每个经丝与纬丝交叉的角度θ同为90±10°。将此网置于平行的平面元件上(flat cell)(C10-T；通道宽度35mm，通道长度145mm)，并使纯水通过来测定流速和压力损失。所获得的结果如图2所示。
对比例聚酯网是按照与实施例1相同的方法制备得到的，除了节距与相邻经丝相对面的间距比变为3.9/1，同时保持相同的通道材料厚度(0.39mm)，并且通道材料厚度与相邻经丝相对面的间距比变为1.8/1以外。将此网置于平行的平面元件上(C10-T；通道宽度35mm，通道长度145mm)，并使纯水通过来测定流速和压力损失。所获得的结果如图2所示。
如图2所示，实施例中所得到的通道材料可获得的压力损失，减至约为对比例中所得到的常规通道材料的压力损失的一半。
本领域的一般技术人员还应清楚地的是，对上文所说明和描述的发明形式和细节可进行不同的改变。意图将此改变包括在于此所附加的权利要求的本质和范围内。
此申请是基于2003年3月20日提交的日本专利申请号2003-077926，其公开的内容被完整的引入本文作为参考。
权利要求
1.螺旋形分离膜部件，其包括多孔芯管和缠绕在其周围的，一个或多个分离膜，一个或多个加料侧通道材料，以及一个或多个渗透侧通道材料，其中每个渗透侧通道材料含有伸展方向几乎与渗透液流向相平行的经丝和固定在经丝上的纬丝，节距(每个经丝的宽度+相邻经丝相对面的间距)与相邻经丝相对面的间距比为1.1/1-3/1，并且通道材料的厚度与相邻经丝相对面的间距比为0.25/1-1.25/1。
2.权利要求1的螺旋形分离膜部件，其中每个经丝的高度与通道材料的厚度比为10/11-30/31。
3.权利要求1的螺旋形分离膜部件，其中节距(每个经丝的宽度+相邻经丝相对面的间距)与相邻经丝相对面的间距比为1.5/1-2.5/1。
4.权利要求1的螺旋形分离膜部件，其中通道材料的厚度与相邻经丝相对面的间距比为0.3/1-1.0/1。
5.权利要求1的螺旋形分离膜部件，其中经丝的直径为350-600μm，并且纬丝的直径为20-50μm。
6.权利要求1的螺旋形分离膜部件，其中相邻经丝相对面的间距为0.3-1.5mm。
7.权利要求1的螺旋形分离膜部件，其中相邻纬丝相对面的间距为200-1000μm。
全文摘要
公开了一种螺旋形分离膜部件，其可在渗透侧通道获得降低的压力损失，并且当加料侧压力低时特别有效。此螺旋形分离膜部件包括多孔芯管和缠绕在其周围的一个或多个分离膜，一个或多个加料侧通道材料，以及一个或多个渗透侧通道材料，其中每个渗透侧通道材料含有伸展方向几乎与渗透液流向相平行的经丝1和固定在经丝1上的纬丝2，节距(每个经丝的宽度+相邻经丝相对面的间距)与相邻经丝相对面的间距比(w2/w1)为1.1/1－3/1，并且通道材料的厚度与相邻经丝相对面的间距比(t/w1)为0.25/1－1.25/1。
文档编号B01D63/10GK1533825SQ20041003020
公开日2004年10月6日 申请日期2004年3月22日 优先权日2003年3月20日
发明者广川光昭, 安藤雅明, 地藏真一, 石原悟, 一, 明 申请人:日东电工株式会社