螺旋缠绕薄膜式分离器组件的制作方法

专利名称：螺旋缠绕薄膜式分离器组件的制作方法
螺旋缠绕薄膜式分离器组件与相关申请的交叉引用本申请要求2008年10月17日提交的当前未决的美国临时申请No. USSN 61/106，219(文档号 No. 222206-1)的优先权。
背景技术：
本发明包括大体涉及分离器组件的实施例。在各种实施例中，本发明涉及螺旋流分离器组件。本发明还包括用于制造分离器组件的方法。
传统的分离器组件典型地包括设置在多孔排出导管的周围的折叠式多层薄膜组件。折叠式多层薄膜组件包括与具有活性表面和钝化表面的薄膜层的活性表面处于流体接触的进料载体层。折叠式多层薄膜组件还包括与薄膜层的钝化表面接触的渗透物载体层和多孔排出导管。折叠薄膜层结构确保进料载体层和薄膜层之间的接触，而不会使进料载体层与渗透物载体层或多孔排出导管接触。在运行期间，使含有溶质的进料溶液与多层薄膜组件的进料载体层接触，进料载体层将进料溶液输送到薄膜层的活性表面，活性表面会使进料溶液的一部分改性且将该部分作为渗透物输送到渗透物载体层。进料溶液还用来中断薄膜层的活性表面处的溶质增长，并且将多余的溶质输出多层薄膜组件。渗透物通过渗透物载体层传入收集渗透物的多孔排出导管中。包括折叠式多层薄膜组件的分离器组件已经用于各种流体净化过程中，包括反渗透、超滤和微量过滤过程。
可通过使具有活性表面和钝化表面的薄膜层的活性表面与进料载体层的两个表面接触来制造折叠式多层薄膜组件，薄膜层折叠成以便产生包围进料载体层的类似口袋的结构。使薄膜层的钝化表面与一个或多个渗透物载体层接触，以产生薄膜叠层组件，其中， 折叠薄膜层设置在进料载体层和一个或多个渗透物载体层之间。各自与至少一个共同的渗透物载体层接触的多个这种薄膜叠层组件然后缠绕在与该共同的渗透物载体层接触的多孔排出导管的周围，以提供包括多层薄膜组件和多孔排出导管的分离器组件。恰当地密封薄膜叠层组件的边缘，以防止进料溶液与渗透物载体层直接接触。包括折叠式多层薄膜组件的分离器组件的严重的缺点在于，对薄膜层进行折叠可导致薄膜功能损失，从而在进料溶液和渗透物载体层之间弓I起不受控制的接触。
因此，存在进一步改进包括一个或多个多层薄膜组件的分离器组件的设计和制造两者的需要。尤其是在供人类消耗的水净化领域中，存在对于既高效又成本有效的更健壮和可靠的分离器组件的非常强烈的需要。

发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种分离器组件，其包括包括至少两个渗透物排出导管且不包括浓缩物排出导管的中心芯体元件；以及包括至少一个进料载体层、至少两个渗透物载体层以及至少两个薄膜层的薄膜叠层组件，薄膜层设置在进料载体层和渗透物载体层之间；其中渗透物排出导管由薄膜叠层组件的第一部分隔开，且其中，薄膜叠层组件的第二部分形成设置在中心芯体元件周围的多层薄膜组件，且其中，进料载体层不与渗透物排出导管接触，且其中，渗透物载体层与至少一个渗透物排出导管接触。
在另一个实施例中，本发明提供了一种盐分离器组件，其包括包括至少两个渗透物排出导管且不包括浓缩物排出导管的中心芯体元件；以及包括至少一个进料载体层、至少两个渗透物载体层以及至少两个脱盐薄膜层的薄膜叠层组件，脱盐薄膜层设置在进料载体层与渗透物载体层之间；其中渗透物排出导管由薄膜叠层组件的第一部分隔开，且其中薄膜叠层组件的第二部分形成设置在中心芯体元件周围的多层薄膜组件，且其中，进料载体层不与渗透物排出导管接触，且其中渗透物载体层与至少一个渗透物排出导管接触。
在又一个实施例中，本发明提供了一种螺旋流反渗透设备，其包括(a)可加压壳体；和(b)分离器组件，分离器组件包括薄膜叠层组件和中心芯体元件，该中心芯体元件包括至少两个渗透物排出导管且不包括浓缩物排出导管；其中薄膜叠层组件包括至少一个进料载体层、至少两个渗透物载体层以及至少两个薄膜层，薄膜层设置在进料载体层和渗透物载体层之间，且其中，渗透物排出导管由薄膜叠层组件的第一部分隔开，且其中薄膜叠层组件的第二部分形成设置在中心芯体元件周围的多层薄膜组件，且其中，进料载体层不与渗透物排出导管接触，且其中渗透物载体层与至少一个渗透物排出导管接触，且其中可加压壳体包括构造成以便将进料溶液提供至进料载体层的至少一个进料入口，且其中该可加压壳体包括联接到渗透物排出导管上的至少一个渗透物排出出口，以及至少一个浓缩物排出出口。
通过参照以下详细描述，可更容易地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。


当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，类似的标号在所有图中可表示类似的部件。
图1示出了传统的分离器组件的构件及其组装方法。
图2示出了根据本发明的一个实施例的薄膜叠层组件和中心芯体元件。
图3示出了根据本发明的一个实施例的分离器组件。
图4示出了根据本发明的一个实施例的、它的螺旋流反渗透设备构件。
图5示出了根据本发明的一个实施例的制造分离器组件的方法。
图6示出了本发明提供的设备的可加压壳体构件。
图7示出了根据本发明的一个实施例的渗透物排出导管。
图8示出了根据本发明的一个实施例的薄膜叠层组件和中心芯体元件。
图9示出了根据本发明的一个实施例的薄膜叠层组件和中心芯体元件。
图10示出了根据本发明的一个实施例的中心芯体元件。
图11示出了根据本发明的一个实施例的中心芯体元件。
具体实施例方式在以下说明和所附的权利要求书中，将引用若干用语，它们应定义为具有以下含义。
单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数个所指对象，除非上下文清楚地作出其它表示。
“可选的”或“可选地”的意思是随后描述的事件或情形可发生或可不发生，而且该描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本文贯穿说明书和权利要求书所使用的那样，可应用近似语来修饰可容许改变而不会导致其所涉及的基本功能的变化的任何数量表示。因此，由例如“大约”和“基本”的用语或多个用语修饰的值不限于指定的确切值。在至少一些情况下，近似语可对应于用于测量值的仪器的精度。在这里以及贯穿说明书与权利要求书，范围限制可组合和/或互换， 这种范围是确定的且包括其中所含的全部子范围，除非上下文或语言作出其它表示。
如所提到的，在一个实施例中，本发明提供了一种包括中心芯体元件和薄膜叠层组件的分离器组件。该中心芯体元件包括至少两个渗透物排出导管且不包括浓缩物排出导管。薄膜叠层组件包括至少一个进料载体层、至少两个渗透物载体层以及至少两个薄膜层， 该薄膜层设置在进料载体层和渗透物载体层之间。在本发明的各实施例中，渗透物排出导管由设置在中心芯体元件内的薄膜叠层组件的第一部分隔开。薄膜叠层组件的第二部分的第二部分形成设置在中心芯体元件周围的多层薄膜组件。该薄膜叠层组件设置在中心芯体元件内以及周围，使得进料载体层不与渗透物排出导管接触，且使得渗透物载体层与至少一个渗透物排出导管接触。
如所提到的，中心芯体元件包括至少两个渗透物排出导管且不包括浓缩物排出导管。取决于排出导管与薄膜叠层组件的哪层或哪几层接触，该排出导管可为渗透物排出导管或浓缩物排出导管。当层构造成容许流体在不穿过居间薄膜层的情况下从该层转移到导管中时，该层与排出导管“接触”。渗透物排出导管以渗透物可从渗透物载体层传入渗透物排出导管中的方式与渗透物载体层表面(或在某些实施例中是薄膜层表面)接触。浓缩物排出导管必须以这样的方式(浓缩物)与浓缩物载体层表面接触。各个渗透物排出导管典型地为沿着分离器组件的长度延伸的多孔管，但是其它构造可落在用语渗透物排出导管的意思内，例如沿着分离器组件的长度延伸的沿纵向开槽的结构，该结构可为或可不为圆柱形。可用作渗透物排出导管的适当的多孔管包括穿孔金属管、穿孔塑料管、穿孔陶瓷管等等。在一个实施例中，渗透物排出导管没有穿孔，但是足够多孔，以允许流体从渗透物载体层传入渗透物排出导管的内部中。从该渗透物载体层传入渗透物排出导管中的流体在本文中有时被称为“渗透物”(或“该渗透物”)。在一个实施例中，中心芯体元件包括两个渗透物排出导管，其中的各个为多孔半圆柱体形管。在一个备选实施例中，中心芯体元件包括两个渗透物排出导管，其中的各个为多孔半八角形管。在另一个实施例中，中心芯体元件包括两个渗透物排出导管，其中的各个为多孔半十面体形管。在又一个实施例中，中心芯体元件包括两个渗透物排出导管，其中的各个为多孔半四十面体(tetradecahedron)形管。在一个实施例中，中心芯体元件包括至少两个渗透物排出导管，其中的至少一个为多孔泪珠形管。每次在分离器组件中出现时，渗透物排出导管可具有相同或不同的形状。在一个实施例中，分离器组件包括具有与存在于同一分离器组件中的另一个渗透物排出导管不同的形状的一个或多个渗透物排出导管。在另一个实施例中，存在于分离器组件中的所有渗透物排出导管具有相同的形状。
如本文所用，用语“多层薄膜组件”指的是设置在中心芯体元件的周围的薄膜叠层组件的第二部分。本文公开的图2示出了薄膜叠层组件120的第一部分和第二部分031 和23 。多层薄膜组件因而是至少一个进料载体层、至少两个渗透物载体层和至少两个薄膜层的组合，它们设置在包括至少两个渗透物排出导管且不包括浓缩物排出导管的中心芯体元件周围。
在一个实施例中，可通过这样的方式来制备多层薄膜组件将薄膜叠层组件的第一部分设置在中心芯体元件内，以及然后使中心芯体元件旋转，从而将薄膜叠层组件的第二部分缠绕在中心芯体元件的周围。如本文详细地公开的那样，薄膜叠层组件的构造以及将薄膜叠层组件设置在中心芯体元件内使得在将薄膜叠层组件缠绕在中心芯体元件的周围以提供缠绕结构以及在缠绕之后固定薄膜叠层组件的自由端之后，获得了包括设置在中心芯体元件的周围的多层薄膜组件的分离器组件。本领域技术人员将理解在某些实施例中在薄膜叠层组件和多层薄膜组件之间的紧密关系，以及薄膜叠层组件是多层薄膜组件的前身。把薄膜叠层组件看作“未缠绕的”以及把多层薄膜组件看作是“缠绕的”是方便的。但是，应当强调，本文定义的多层薄膜组件不限于设置在中心芯体元件内的一个或多个薄膜叠层组件的“缠绕”形式，因为将薄膜叠层组件的第二部分设置在中心芯体元件的周围的其它手段可成为可用的。在各种实施例中，本发明提供的分离器组件包括多层薄膜组件，该多层薄膜组件包括沿径向设置在中心芯体元件的周围、使得多层薄膜组件的构件薄膜层能够无折叠或折皱的一个或多个薄膜叠层组件的第二部分。在各种实施例中，本发明提供的分离器组件的特征是显著地比传统分离器组件中的对应的渗透物载体层流径长度短的渗透物载体层流径长度。渗透物载体层流径的长度是影响跨过分离器组件的压降幅度的重要因素。因此，本发明提供的许多优点之一在于，在选择有用的运行条件上有更大的自由。如在阅读本公开之后对本领域普通技术人员将变得显而易见的那样，本发明还大体在分离器组件的制造方便性和成本方面提供了重大的优点。
如所提到的那样，薄膜叠层组件和多层薄膜组件包括至少一个进料载体层。适于用作进料载体层的材料包括进料溶液可流过其中的柔性的类似片材的材料。在本发明的各种实施例中，进料载体层构造成使得通过该进料载体层的进料溶液发生这样的流动该流动沿着分离器组件的轴线从分离器组件的第一表面(“进料表面”)上的点处起(在第一表面上，进料载体层与进料溶液接触)，并且在分离器组件的第二表面(“浓缩物表面”)处终止，在第二表面处，浓缩物从进料载体层中出来。进料载体层可包括促进与进料载体层接触的薄膜层的表面处的湍流的结构，作为防止溶质在薄膜表面处过多地聚积(增长)的手段。 在一个实施例中，进料载体层由穿孔塑料片材构成。在另一个实施例中，进料载体层由穿孔金属片材构成。在又一个实施例中，进料载体层包含多孔复合材料。在又一个实施例中，进料载体层是塑料织物。在又一个实施例中，进料载体层是塑料筛。进料载体层可由与渗透物载体层相同的材料或与用于渗透物载体层的材料不同的材料构成。在本发明的各种实施例中，进料载体层不与分离器组件的排出导管接触。
如所提到的那样，薄膜叠层组件和多层薄膜组件包括至少两个渗透物载体层。适于用作渗透物载体层的材料包括渗透物可流过其中的柔性的类似片材的材料。在本发明的各种实施例中，渗透物载体层构造成使得在运行期间，渗透物在螺旋路径中沿着渗透物载体层流到至少两个渗透物排出导管其中一个。在一个实施例中，渗透物载体层由穿孔塑料片材构成。在另一个实施例中，渗透物载体层由穿孔金属片材构成。在又一个实施例中，渗透物载体层包含多孔复合物。在又一个实施例中，渗透物载体层是塑料织物。在又一个实施例中，渗透物载体层是塑料筛。本发明提供的分离器组件的渗透物载体层可由相同或不同的材料制成，例如一个渗透物载体层可为塑料织物，而另一个渗透物载体层是天然材料， 例如羊毛织物。另外，单个渗透物载体层可沿着通过渗透物载体层的渗透物流径在不同位置处包含不同的材料。在一个实施例中，例如，本发明提供了包括渗透物载体层的分离器组件，该渗透物载体层的一部分是聚乙烯织物，而该渗透物载体层的另一部分是聚丙烯织物。
如所提到的那样，在各种实施例中，本发明提供的分离器组件包括至少两个薄膜层。适于用作薄膜层的薄膜和材料在现有技术中是众所周知的。例如美国专利No. 4，277，344公开了一种通过芳族聚胺与聚酰卤化物的反应制备而成的半透性薄膜，已经发现聚酰卤化物在旨在脱除钠阳离子、镁阳离子和钙阳离子以及氯阴离子、硫酸盐阴离子和碳酸盐阴离子的反渗透系统中是有效的。例如美国专利No. 4，277，344公开了一种通过芳族聚酰卤化物与双官能芳族胺反应以提供聚合材料制备而成的薄膜，已经发现该聚合材料可用于制备在旨在脱除诸如硝酸盐的某些盐的反渗透系统中有效的薄膜层。描述了制备适于在本发明的各种实施例中用作薄膜层的各种薄膜和材料的许多技术参考资料对本领域普通技术人员来说是已知的。另外，适于在本发明的各种实施例中用作薄膜层的薄膜是众所周知和可广泛获得的商用品。
在一个实施例中，薄膜层中的至少一个包括功能化(functionalized)表面和未功能化表面。在一个实施例中，薄膜层的功能化表面表示薄膜的活性表面，而薄膜层的未功能化表面表示薄膜的钝化表面。在一个备选实施例中，薄膜层的功能化表面表示薄膜的钝化表面，而薄膜层的未功能化表面表示薄膜的活性表面。在本发明的各种实施例中，薄膜层的活性表面典型地与进料载体层接触，并且用来防止或阻碍存在于进料溶液中的一种或多种溶质越过薄膜而输送到渗透物载体层。
如本文所用，短语“不接触”的意思是不“直接接触”。例如，当薄膜叠层组件或多层薄膜组件的两个层之间存在居间层时，它们不接触，尽管两个层是流体连通的，因为一般来说流体可通过该居间层从一个层传到另一个层。如本文所用，短语“接触”的意思是“直接接触”。例如，薄膜叠层组件或多层薄膜组件中的相邻的层被认为是“接触”的。类似地，例如当层缠绕在排出导管的周围时，如果流体可从层传入排出导管中，则触到排出导管的表面的层就被认为与排出导管“接触”。作为进一步的说明，当渗透物载体层与渗透物排出导管直接接触时，例如当渗透物载体层缠绕在渗透物排出导管的周围而在渗透物排出导管的表面和渗透物载体层之间没有居间层时，渗透物载体层就被认为与渗透物排出导管接触。 类似地，当例如渗透物载体层与渗透物排出导管直接接触且渗透物载体层与进料载体层被薄膜层隔开时，进料载体层被认为不与渗透物排出导管接触。大体上，进料载体层没有与渗透物排出导管的接触点。
在一个实施例中，多层薄膜组件沿径向设置在中心芯体元件的周围。如本文所用， 短语“沿径向设置”的意思是包括至少一个进料载体层、至少两个薄膜层和至少两个渗透物载体层的薄膜叠层组件的第二部分以限制在薄膜层中产生折叠或折皱的方式缠绕在包括至少两个渗透物排出导管的中心芯体元件的周围。通常，薄膜层由于折叠或折皱而变形所达到的程度越大，损害薄膜的活性表面、失去薄膜功能以及薄膜完整性的可能性就越大。传统分离器组件典型地包括高度折叠的多层薄膜组件，其在薄膜层中包括多个折叠。假设未折叠的薄膜层呈现180度直角，高度折叠的薄膜层就可描述为具有特征为大于约340度的优角的折叠。在一个实施例中，本发明提供的分离器组件不含有特征为大于340度的优角的薄膜层折叠。在一个备选实施例中，本发明提供的分离器组件不含有特征为大于300度的优角的薄膜层折叠。在又一个实施例中，本发明提供的分离器组件不含有特征为大于270 度的优角的薄膜层折叠。
在一个实施例中，本发明提供的分离器组件可用作用于从水中分离出盐的盐分离器组件。例如，进料溶液可为海水或含盐分的水。典型地，分离器组件容纳在容许进料溶液和进料载体层之间仅在分离器组件的一端处有初始接触的圆柱形壳体内。这典型地通过用例如防止进料溶液与分离器组件的进料表面之外的表面接触的一个或多个衬垫将分离器组件固定在圆柱形壳体内来实现。为了说明这个概念，分离器组件可被认为是具有各自有口.'的表面积的第一表面和第二表面以及有的表面积的第三表面的圆柱体，其中，“r” 是由分离器组件限定的圆柱体的半径，“h”是该圆柱体的长度。可通过各种手段使分离器组件适贴地装配到圆柱形壳体中，从而使得从一端进入圆柱形壳体的进料溶液仅遇到分离器组件的第一表面(“进料表面”)，并且在不穿过分离器组件的情况下不接触分离器组件的第二或第三表面。因此，进料溶液在分离器组件的第一表面上的、进料载体层与进料溶液接触所处的点处进入分离器组件，薄膜叠层组件的边缘被密封，以防止渗透物载体层接触和输送来自分离器组件的第一表面的进料溶液。因此，进料溶液在分离器组件的“进料表面”(第一表面)处进入分离器组件，并且沿着分离器组件的长度(轴线)行进，在该传送期间，进料溶液通过其与薄膜层的接触而改性，进料溶液的一部分(“渗透物”或“该渗透物”)穿过该薄膜层，并且接触渗透物载体层。认为进料溶液沿轴向流过分离器组件，直到其在分离器组件的第二表面处作为“浓缩物”(有时也称为盐水)出现为止，第二表面在本文中有时也称为“浓缩物表面”。通过分离器组件的进料溶液流在本文中有时也称为“横向流”，而且当参照进料溶液流时，用语“横向流”可与用语“轴向流”可互换地使用。本领域普通技术人员将理解，当进料溶液(例如海水)从进料溶液与进料载体层之间的、在分离器组件的进料表面(“第一表面”)上的初始接触点起朝向浓缩物表面(“第二表面”)行进时，存在于进料载体层中的流体中的盐的浓度通过与穿过进料载体层的进料溶液接触的脱盐薄膜层的作用而被提高，而且到达浓缩物表面的浓缩物的特征将在于比用作进料溶液的海水更高的盐浓度。
可使用上面的盐分离器组件实例来说明渗透物排出导管和渗透物载体层的作用和功能。因而，在一个实施例中，分离器组件可用作盐分离器组件，以用于从水中分离出盐。 进料溶液，例如海水，与容纳在可加压壳体内的圆柱形分离器组件的进料表面(第一表面) 接触。分离器组件构造成使得渗透物载体层无法将进料溶液从进料表面输送到渗透物排出导管。当进料溶液穿过进料载体层时，其接触脱盐薄膜层，脱盐薄膜层使包含进料溶液中的一种或多种成分的流体改性且将该流体输送到渗透物载体层。被脱盐薄膜层输送的称为渗透物(或“该渗透物”)的这个流体沿着渗透物载体层传送，直到它到达渗透物载体层的与渗透物排出导管的外部接触的那部分为止，在这部分处，渗透物从渗透物载体层输送到渗透物排出导管的内部中。通过渗透物载体层的渗透物流被称为“螺旋流”，因为渗透物趋向于跟随由渗透物载体层限定的、朝向渗透物排出导管的螺旋路径。本领域普通技术人员将理解，当进料溶液被改性且通过脱盐薄膜层输送到渗透物载体层中时，由于薄膜层的脱盐作用的原因，渗透物中的盐的浓度相对于进料溶液降低了。
在一个实施例中，本发明提供的分离器组件包括两个渗透物排出导管。在一个备选实施例中，本发明提供的分离器组件包括三个或更多个渗透物排出导管。在一个实施例中，分离器组件包括两个至八个渗透物排出导管。在另一个实施例中，分离器组件包括2个至6个渗透物排出导管。在又一个实施例中，分离器组件包括三个至四个渗透物排出导管。
在一个实施例中，本发明提供的分离器组件包括单个进料载体层。在一个备选实施例中，本发明提供的分离器组件包括多个进料载体层。在一个实施例中，进料载体层的数量在一层至六层的范围中。在另一个实施例中，进料载体层的数量在两层至五层的范围中。 在另外的又一个实施例中，进料载体层的数量在三层至四层的范围中。
在一个实施例中，分离器组件包括至少两个渗透物载体层。在一个实施例中，渗透物载体层的数量在两层至六层的范围中。在另一个实施例中，渗透物载体层的数量在两层至五层的范围中。在另外的又一个实施例中，渗透物载体层的数量在三层至四层的范围中。
在一个实施例中，本发明提供的分离器组件包括至少两个薄膜层。在一个实施例中，薄膜层的数量在两层至六层的范围中。在另一个实施例中，薄膜层的数量在从两层至五层的范围中。在另外的又一个实施例中，薄膜层的数量在从三层至四层的范围中。在一个实施例中，薄膜层的数量与需要由分离器组件提供的活性表面积成正比。
参照图1，该图描绘了传统分离器组件的构件和制造传统分离器组件的方法。传统薄膜叠层组件120包括折叠薄膜层112，其中，进料载体层116夹在折叠薄膜层112的两个半部之间。折叠薄膜层112设置成使得折叠薄膜层的活性侧(图中未示出)与进料载体层116接触。薄膜层112的活性侧在本文中有时被称为薄膜层的“活性表面”。折叠薄膜层 112被渗透物载体层110包围，从而使得薄膜层112的钝化侧(图中未示出)与渗透物载体层110接触。薄膜层112的钝化侧在本文中有时被称为薄膜层的“钝化表面”。典型地，粘合性密封剂(未示出)用来使进料载体层与渗透物载体层隔开，并且防止进料溶液(未示出)和渗透物载体层之间的直接接触。多个薄膜叠层组件120(其中各个渗透物层110连接到与渗透物排出导管118接触的共同的渗透物载体层111上)例如通过使渗透物排出导管118沿方向122旋转而缠绕在该渗透物排出导管118的周围，而且所产生的缠绕结构被恰当地密封，以便提供传统分离器组件。渗透物排出导管包括开口 113，以容许渗透物排出导管通路119和共同的渗透物载体层111之间有流体连通。当薄膜叠层组件缠绕在渗透物排出导管118的周围时，由折叠薄膜层112限定的优角接近360度。
参照图2，根据本发明的一个实施例，图加描绘了在薄膜叠层组件120的设置在包括两个渗透物排出导管118的中心芯体元件内的第一部分231和该薄膜叠层组件120的设置在中心芯体元件的外部的第二部分232的中点200处的截面图。薄膜叠层组件的第一部分隔开了中心芯体元件的渗透物排出导管118。薄膜叠层组件120包括两个渗透物载体层 110、两个薄膜层112和单个进料载体层116。根据本发明的一个实施例，包括渗透物排出导管118的中心芯体元件沿方向222的旋转提供了图2b中显示的部分地缠绕的结构M0。 通过使图加中显示的组件的中心芯体元件沿方向222旋转经过180度的旋转获得了部分地缠绕的结构对0。薄膜叠层组件120的缠绕在中心芯体元件的周围的那个部分(第二部分23 成为完成的分离器组件的多层薄膜组件。通过将薄膜叠层组件的第二部分全部缠绕在中心芯体元件的周围且固定薄膜叠层组件的端部来获得分离器组件300(图3)。
参照图3，根据本发明的一个实施例，该图描绘了分离器组件300的中点处的截面图。分离器组件300包括包含两个渗透物排出导管118的中心芯体元件，各个渗透物排出导管118限定了内部通路119。分离器组件300包括薄膜叠层组件120(图幻，该薄膜叠层组件包括一个进料载体层116、两个渗透物载体层110和两个薄膜层112，薄膜层112设置在进料载体层116和渗透物载体层110之间。中心芯体元件的渗透物排出导管118被薄膜叠层组件的第一部分231(图2a)隔开。薄膜叠层组件的第二部分232(图2a)形成设置在中心芯体元件的周围的多层薄膜组件。图3清楚地显示了进料载体层不与或者渗透物排出导管或者渗透物载体层接触。薄膜叠层组件120的端部由密封部分316固定。密封部分316 是将最外部的渗透物载体层密封到两个相邻的薄膜层112上的密封剂(典型地是可固化的胶水)的横向线，所述横向线沿着分离器组件300的长度延伸。图3中示出的分离器组件 300的“第三表面”卷绕在带340中。图3中示出的分离器组件300的特征还在于将渗透物载体层110的最内端固定到渗透物排出导管118上的粘合线325。由于存在施用在薄膜层的边缘和渗透物载体层的附近的密封剂，可防止来自分离器组件300的进料表面(见图4)的进料溶液由或者渗透物载体层或者薄膜层输送。典型地，将密封剂施用到薄膜层112的钝化表面，当其与相邻的渗透物载体层接触时，密封剂会穿透并且密封渗透物载体层的边缘。 密封剂典型地不穿透薄膜层的活性表面，并且因此不与或者薄膜层112的活性表面(未示出)或者进料载体层116发生接触。各种各样的粘合性密封剂，例如胶水和/或双面胶带可用来使多层薄膜组件的端部固定到彼此上(密封部分316)，将渗透物载体层固定到渗透物排出导管上(横向密封剂线32 ，以及使薄膜层和渗透物载体层的边缘在分离器组件的进料表面和浓缩物表面处固定到彼此上(见图5，方法步骤505，边缘密封剂元件526)。图 3中的特征还在于在分离器组件300的外表面和多层薄膜组件的最外层之间以及渗透物排出导管和多层薄膜组件的部分之间的间隙328。应当注意到，图3中示出的间隙在本发明提供的分离器组件的各种实施例中根本不存在，而且另外应当进一步注意到，为了本论述的目的而夸大了图3中显示的间隙328的大小。可通过用间隙密封剂3 填充间隙来消除存在于分离器组件中的任何间隙328。间隙密封剂3 包括可固化的密封剂、粘合性密封剂等等。
参照图4，根据本发明的一个实施例，图如描绘了螺旋流反渗透设备400的侧视图。螺旋流反渗透设备400包括通过衬垫406固定在可加压壳体405内的分离器组件300。 衬垫406还防止进料溶液通过分离器组件300的内部以外的方式穿过设备400。可加压壳体405包括构造成以便将进料溶液提供至分离器组件300的进料表面420的进料入口 410。 经编号的元件422表示在运行期间进入分离器组件300中且通过分离器组件300的进料溶液流(未示出)的方向。可加压壳体405包括通过联接部件436联接到分离器组件300的中心芯体元件440的渗透物排出导管118上的渗透物排出出口 438。方向箭头439表明在运行期间渗透物流的方向。浓缩物(未示出)在浓缩物表面425处沿方向箭头4 所表明的方向从分离器组件中出来，并且通过浓缩物排出出口 4 离开可加压壳体405，浓缩物在运行期间沿方向4 流动。图4b显示了存在于分离器组件300中的中心芯体元件440的透视图。在图4中示出的实施例中，中心芯体元件440由用作渗透物排出导管118的两个半圆柱体形管442和444组成。在中心芯体元件440的一端445处，渗透物排出导管是封闭的，并且在相对端处，渗透物排出导管是敞开的。本领域技术人员将理解，渗透物排出导管442和444具有略微不同的结构，并且因此为了本论述的目的而给出了不同的标号。因而，渗透物排出导管442在中心芯体元件440的敞开端处包括间隔件元件446，而渗透物排出导管444在中心芯体元件440的封闭端(44 处包括间隔件元件447。间隔件元件446 和447限定了容纳如图2A所示的薄膜叠层组件120的第一部分231的腔450。渗透物排出导管442和444中的各个包括开口 113，渗透物可通过开口 113从与渗透物载体层接触的渗透物排出导管的表面传入渗透物排出导管的内部119中。因为中心芯体元件440的渗透物排出导管在端445处是阻塞的，所以通过渗透物排出导管的渗透物流沿方向449为单向的。
参照图5，该图描绘了根据本发明的一个实施例的、用于制造图3中显示的分离器组件300的方法500。在第一个方法步骤501中，通过这样的方式形成第一中间组件提供渗透物排出导管118，并且沿着在该渗透物排出导管的长度上延伸的线325施用胶水珠(未示出)，以及之后将渗透物载体层110布置成沿着线325与未固化的胶水接触，并且进行固化，以提供所显示的“第一中间组件”。重复方法步骤501，以提供与步骤501中显示的“第一中间组件”相同的第二个“第一中间组件”。称为“渗透物排出导管的长度”的渗透物排出导管部分对应于渗透物载体层的宽度，且对应于渗透物排出导管的适于与渗透物载体层接触的那部分。如根据这个实例和本公开的其它部分显而易见的那样，渗透物排出导管的长度典型地大于渗透物排出导管的适于与渗透物载体层接触的那部分的长度。而且典型地， 渗透物排出导管比在本发明提供的分离器组件中设置在该渗透物排出导管的周围的多层薄膜组件更长。例如通过设有开口，例如在图4中显示为元件113的那些，渗透物排出导管的适于与渗透物载体层接触的那部分是多孔的。渗透物排出导管的不适于与渗透物载体层接触的那部分可不为多孔的，除非与流动控制挡板和开口(例如在图10中特有的元件714 和1001)有关。在本发明的某些实施例中，渗透物排出导管的不适于与渗透物载体层接触的那部分不是多孔的。
在第二个方法步骤502中，制备了第二中间组件。具有活性表面(未示出)和钝化表面(未示出)的薄膜层112放置成与方法步骤501的第一中间组件接触，从而使得薄膜层112的钝化表面(未示出)与渗透物载体层110接触。薄膜层112定位成使其被渗透物排出导管118平分，但不与渗透物排出导管118接触。
在第三个方法步骤503中，形成了第三中间组件。因此将进料载体层116应用到方法步骤502中显示的第二中间组件上，从而使得进料载体层与薄膜层112的活性表面(未示出)接触且与其共同伸展。
在第四个方法步骤504中，形成了第四中间组件。因此将第二薄膜层112添加到第三中间组件上，并且将第二薄膜层112布置成与进料载体层116接触，从而使得薄膜层的活性表面(未示出)与进料载体层116接触，并且第二薄膜层与进料载体层共同伸展。
在第五个方法步骤505中，形成了第五中间组件。如方法步骤501中所描绘的第一中间组件连结到方法步骤504中所描绘的第四中间组件上。方法步骤505中所描绘的第五中间组件的特征是薄膜叠层组件120，该薄膜叠层组件120包括设置在两个薄膜层112之间的一个进料载体层，以及两个渗透物载体层。方法步骤505中显示的第五中间组件显示了薄膜叠层组件120的设置在包括渗透物排出导管118的中心芯体元件内的第一部分，以及薄膜叠层组件120的设置在中心芯体元件的外部的第二部分。
在第六个方法步骤506中，边缘密封剂5 沿着薄膜层112的与渗透物载体层接触的各个边缘以纵向线的方式施用，以提供第六中间组件。将边缘密封剂施用到薄膜层的钝化表面(未示出)上。边缘密封剂沿着其边缘的整个长度渗入相邻的渗透物载体层。
在第七个方法步骤507中，第六中间组件的自由部分(也称为薄膜叠层组件的“第二部分”)在边缘密封剂526固化之前缠绕在中心芯体元件的周围。在边缘密封剂处于未固化状态以允许薄膜叠层组件的层的表面在缠绕过程期间有一些运动自由时，执行将薄膜叠层组件的第二部分缠绕在中心芯体元件的周围。在一个实施例中，作为缠绕步骤的一部分来施用边缘密封剂526。方法步骤507中显示的结构(第七中间组件)描绘了在使中心芯体元件旋转过180度之后的方法步骤506中显示的结构。可通过这样的方式来完成分离器组件300的制备使中心芯体元件沿方向222旋转，从而将薄膜叠层组件的第二部分缠绕在中心芯体元件的周围以形成缠绕组件，以及然后固定该薄膜叠层组件的端部。可通过各种手段固定存在于缠绕组件中的薄膜叠层组件的端部，例如通过用带卷绕由分离器组件限定的圆柱体的“第三表面”，用0形环固定薄膜叠层组件的端部，将密封剂施用于薄膜叠层组件的端部上，以及类似的手段。薄膜叠层组件的缠绕的第二部分在此实施例中被称为多层薄膜组件。这个多层薄膜组件被称为设置在包括渗透物排出导管118的中心芯体元件的周围。边缘密封剂5 的固化会在分离器组件的进料表面和浓缩物表面两者处有效地密封渗透物载体层和薄膜层112的边缘，并且除了借助于进料载体层116之外，阻止从进料表面输送流体。
参照图5c，结构508描绘了在制备本发明的分离器组件期间设置在中心芯体元件 440内的薄膜叠层组件120的透视图。结构508对应于方法步骤506中显示的第六中间组件。显示了可固化的边缘密封剂5 沿着薄膜层112的钝化表面上的各个纵向边缘(存在总共四个这样的边缘)而设置且与渗透物载体层110接触。中心芯体元件440沿方向222 旋转，以提供缠绕结构。然后通过沿着横向边缘(存在总共两个这样的边缘)在薄膜层的钝化表面处施用额外的边缘密封剂5 来固定存在于缠绕结构的薄膜叠层组件中的自由端。 图5c中所显示的中心芯体元件440与图4b中所特有的中心芯体元件相同。
参照图6，该图描绘了根据本发明的一个实施例使用、以用于制造图4中显示的螺旋流反渗透设备400的可加压壳体405。可加压壳体405包括可加压壳体的可脱开的第一部分601和可加压壳体的可脱开的第二部分602。可借助于用于将601固定到602上的螺纹603以及与螺纹603互补的螺纹604来连结第一部分601和第二部分602。将可加压壳体的可脱开的第一部分固定到可加压壳体的可脱开的第二部分上的其它手段包括使用搭扣在一起的元件、胶粘、捆扎、夹持以及类似的手段。
参照图7，该图描绘了根据本发明的一个实施例的渗透物排出导管118。渗透物排出导管118限定了通路119，通过119在一端处被通路阻塞元件712阻塞。该渗透物排出导管还限定了进料控制腔710、进料控制挡板714、间隔件元件446和447、渗透物排出导管中的开口 113，以及适用于固定0形环的凹槽716。在一个实施例中，两个渗透物排出导管118 提供了中心芯体元件，薄膜叠层组件120的第一部分设置在该中心芯体元件中。渗透物排出导管118连结成使得第一渗透物排出导管118的间隔件元件446和447与第二渗透物排出导管118的间隔件元件446和447对准。薄膜叠层组件120的第二部分缠绕在包括渗透物排出导管118的中心芯体元件的周围。在一个实施例中，渗透物排出导管118的适于与渗透物载体层接触的那部分比渗透物排出导管的包括开口 113的区段略微更长。包括包含两个渗透物排出导管118的中心芯体元件的分离器组件300可插入可加压壳体405(图6) 中，从而使得进料控制腔710最靠近进料入口 410。在运行期间，进料溶液可通过进料入口410被引入进料控制腔710中。当进料控制腔被充满时，多余的进料从进料控制挡板714中出来，且接触分离器组件的进料表面。进料控制腔710的目的之一是防止进料溶液和进料表面之间有不受控制的接触，尤其是在起动时。适用于固定0形环的凹槽716可用来在一端处连结渗透物排出导管，并且还用来固定分离器组件300和联接部件436 (见图4a)之间的联接。
参照图8，数字800描绘了设置在包括三个渗透物排出导管的中心芯体元件内的一对薄膜叠层组件120的中点处的截面图。如图所示，薄膜叠层组件120包括第一部分801 和第二部分802。通过这样的方式提供本发明的分离器组件使中心芯体元件沿方向122旋转以提供缠绕结构，和密封薄膜叠层组件的端部，以及使在薄膜叠层组件的边缘和端部上使用的边缘密封剂固化。
参照图9，数字900描绘了设置在包括四个渗透物排出导管的中心芯体元件内的一对薄膜叠层组件120的中点处的截面图。通过这样的方式提供本发明的分离器组件使中心芯体元件沿方向122旋转以提供缠绕结构，和密封薄膜叠层组件的端部，以及使在薄膜叠层组件的边缘和端部上使用的边缘密封剂固化。
参照图10，数字440描绘了本发明的中心芯体元件的三维视图。中心芯体元件440 包括两个相同的渗透物排出导管118，并且限定了容纳薄膜叠层组件120的第一部分的腔 450。除了图10中示出的渗透物排出导管包括邻近进料控制挡板714的进料控制孔1001 之外，中心芯体元件440的构件渗透物排出导管118与图7中示出的那个基本相同。中心芯体元件440包括阻塞端445和敞开端，在运行期间，渗透物沿方向449从该敞开端出来。 “阻塞端”表示各个渗透物排出导管通路被阻塞元件712阻塞，从而使得渗透物可仅在与阻塞端相对的端部处离开渗透物排出导管。各个渗透物排出导管还包括进料控制腔710。此外，渗透物载体层110可设置在渗透物排出导管118的周围，其如图10所示来构造，使得没有渗透物进入进料控制腔710。
参照图11a，该图描绘了本发明的中心芯体元件440的三维立体图。该中心芯体元件与图10中示出的那个相同。图lib描绘了图Ila的中心芯体元件的侧视图。图Ilc提供了图11 a的中心芯体元件的“敞开端”的放大图。
在一个实施例中，本发明提供了盐分离器组件，该盐分离器组件包括包含至少两个渗透物排出导管且不包含浓缩物排出导管的中心芯体元件，并且包括包含至少一个进料载体层、至少两个渗透物载体层和至少两个脱盐薄膜层的薄膜叠层组件，脱盐薄膜层设置在进料载体层和渗透物载体层之间。薄膜叠层组件的第一部分设置在中心芯体元件内且使渗透物排出导管彼此分隔开。薄膜叠层组件的第二部分形成设置在中心芯体元件的周围的多层薄膜组件。进料载体层不与任何渗透物排出导管接触且不与渗透物载体层接触。渗透物载体层各自与渗透物排出导管中的至少一个接触。
在一个实施例中，本发明提供的盐分离器组件包括沿径向设置在中心芯体元件的周围的多层薄膜组件。在另一个实施例中，本发明提供了一种包括具有功能化表面和未功能化表面的脱盐薄膜层的盐分离器组件。在一个实施例中，盐分离器组件包括三个或更多个渗透物排出导管。在另一个实施例中，盐分离器组件包括三个或更多个渗透物载体层。在又一个实施例中，盐分离器组件包括多个进料载体层，而且在一个备选实施例中，盐分离器组件包括三个或更多个脱盐薄膜层。
在又一个实施例中，本发明提供了包括(a)可加压壳体和(b)分离器组件的螺旋流反渗透薄膜设备。分离器组件包括包含至少一个进料载体层、至少两个渗透物载体层和至少两个薄膜层的薄膜叠层组件，进料载体层设置在两个薄膜层之间。进料载体层不与渗透物载体层接触。该分离器组件还包括包含至少两个渗透物排出导管且不包含浓缩物排出导管的中心芯体元件。薄膜叠层组件的第一部分构造成使得其隔开渗透物排出导管。薄膜叠层组件的第二部分形成设置在中心芯体元件的周围的多层薄膜组件。进料载体层不与渗透物排出导管接触。渗透物载体层与渗透物排出导管中的至少一个接触且不与进料载体层接触。可加压壳体包括构造成以便将进料溶液提供至分离器组件的进料表面的至少一个进料入口。可加压壳体包括联接到渗透物排出导管上的至少一个渗透物排出出口，以及联接到分离器组件的浓缩物表面上的至少一个浓缩物排出出口。可加压壳体可由适当的材料或多种材料制成。例如，可加压壳体可由聚合物、不锈钢或它们的组合制成。在一个实施例中， 可加压壳体由透明的塑料材料制成。在另一个实施例中，可加压壳体由透明的无机材料一例如玻璃制成。
在一个实施例中，本发明提供了包括(a)可加压壳体和(b)本发明提供的分离器组件的螺旋流反渗透薄膜设备，其中，多层薄膜组件沿径向设置在中心芯体元件周围。在一个备选实施例中，本发明提供了包括(a)可加压壳体和(b)多个本发明提供的分离器组件的螺旋流反渗透薄膜设备。
在另外的又一个实施例中，本发明提供了一种制造分离器组件的方法，该方法包括提供包括至少两个渗透物排出导管且不包括浓缩物排出导管的中心芯体元件；将包括至少两个渗透物载体层、至少一个进料载体层以及至少两个薄膜层的薄膜叠层组件的第一部分设置在中心芯体元件内，使得渗透物排出导管由该薄膜叠层组件的第一部分隔开；以及沿径向将薄膜叠层组件的第二部分设置在中心芯体元件周围，且密封所得的缠绕组件， 以提供分离器组件，其中渗透物排出导管不与进料载体层接触，且其中，进料载体层不与任何渗透物载体层接触，且其中，渗透物载体层与渗透物排出导管中的至少一个接触。
在目前的实例中，表述“沿径向将薄膜叠层组件的第二部分设置在中心芯体元件周围，且密封所得的缠绕组件，以提供分离器组件”指的是将薄膜叠层组件的第二部分缠绕在中心芯体元件周围，以及密封薄膜叠层组件的端部的动作。
前述实例仅是说明性的，其用来示出本发明的仅一些特征。所附权利要求书意图如构想到的那样宽泛地要求保护本发明，而且本文呈现的实例示出了选自多种的所有可行实施例的实施例。因此，申请人的意图是所附权利要求书不是由用来示出本发明的特征的所选实例限制的。如权利要求书中所用，词语“包括”及其语法变型在逻辑上还界定 (subtend)和包括了范围变化和不同的短语，诸如(例如但不限于此)“基本包含”和“包含”。在必要的地方提供了范围，那些范围包括它们之间的所有子范围。预期在这些范围中的变化将由具有本领域中的普通技术的实践者想到，并且在还未贡献给公众时，那些变化在可能时应当被理解为由所附权利要求书所覆盖。还预期到，科学和技术的进步将使得由于语言的不精确性的原因而在现在未构想到的等效物和替代物可行，并且这些变化在可能时也应当被理解为由所附权利要求书所覆盖。
权利要求
1.一种分离器组件，包括包括至少两个渗透物排出导管且不包括浓缩物排出导管的中心芯体元件；和包括至少一个进料载体层、至少两个渗透物载体层以及至少两个薄膜层的薄膜叠层组件，所述薄膜层设置在所述进料载体层与所述渗透物载体层之间；其中，所述渗透物排出导管由所述薄膜叠层组件的第一部分隔开，以及其中，所述薄膜叠层组件的第二部分形成设置在所述中心芯体元件周围的多层薄膜组件，以及其中，所述进料载体层不与渗透物排出导管接触，以及其中，所述渗透物载体层与至少一个渗透物排出导管接触。
2.根据权利要求1所述的分离器组件，其特征在于，所述多层薄膜组件沿径向设置在所述中心芯体元件周围。
3.根据权利要求1所述的分离器组件，其特征在于，所述分离器组件是盐分离器组件。
4.根据权利要求1所述的分离器组件，其特征在于，所述薄膜层包括功能化表面和未功能化表面。
5.根据权利要求1所述的分离器组件，其特征在于，包括三个或更多个渗透物排出导管。
6.根据权利要求1所述的分离器组件，其特征在于，包括多个进料载体层。
7.根据权利要求1所述的分离器组件，其特征在于，包括三个或更多个渗透物载体层。
8.根据权利要求1所述的分离器组件，其特征在于，包括三个或更多个薄膜层。
9.一种盐分离器组件，包括包括至少两个渗透物排出导管且不包括浓缩物排出导管的中心芯体元件；以及包括至少一个进料载体层、至少两个渗透物载体层以及至少两个脱盐薄膜层的薄膜叠层组件，所述脱盐薄膜层设置在所述进料载体层与所述渗透物载体层之间； 其中，所述渗透物排出导管由所述薄膜叠层组件的第一部分隔开，以及其中，所述薄膜叠层组件的第二部分形成设置在所述中心芯体元件周围的多层薄膜组件，以及其中，所述进料载体层不与渗透物排出导管接触，以及其中，所述渗透物载体层与至少一个渗透物排出导管接触。
10.根据权利要求9所述的盐分离器组件，其特征在于，所述多层薄膜组件沿径向设置在所述中心芯体元件周围。
11.根据权利要求9所述的盐分离器组件，其特征在于，所述脱盐薄膜层包括功能化表面和未功能化表面。
12.根据权利要求9所述的盐分离器组件，其特征在于，包括三个或更多个渗透物排出导管。
13.根据权利要求9所述的盐分离器组件，其特征在于，包括多个进料载体层。
14.根据权利要求9所述的盐分离器组件，其特征在于，包括三个或更多个渗透物载体层。
15.根据权利要求9所述的盐分离器组件，其特征在于，包括三个或更多个脱盐薄膜层。
16.一种螺旋流反渗透设备，包括(a)可加压壳体；以及(b)包括薄膜叠层组件与中心芯体元件的分离器组件，所述中心芯体元件包括至少两个渗透物排出导管且不包括浓缩物排出导管；其中，所述薄膜叠层组件包括至少一个进料载体层、至少两个渗透物载体层以及至少两个薄膜层，所述薄膜层设置在所述进料载体层与所述渗透物载体层之间，以及其中，所述渗透物排出导管由所述薄膜叠层组件的第一部分隔开，以及其中，所述薄膜叠层组件的第二部分形成设置在所述中心芯体元件周围的多层薄膜组件，以及其中，所述进料载体层不与渗透物排出导管接触，以及其中，所述渗透物载体层与至少一个渗透物排出导管接触，以及其中，所述可加压壳体包括构造成以便将进料溶液提供至所述进料载体层的至少一个进料入口，以及其中，所述可加压壳体包括联接到所述渗透物排出导管上的至少一个渗透物排出出口，以及至少一个浓缩物排出出口。
17.根据权利要求16所述的螺旋流反渗透薄膜设备，其特征在于，所述多层薄膜组件沿径向设置在所述中心芯体元件周围。
18.根据权利要求16所述的螺旋流反渗透薄膜设备，其特征在于，所述薄膜层包括功能化表面和未功能化表面。
19.根据权利要求16所述的螺旋流反渗透薄膜设备，其特征在于，包括多个分离器组件。
20.根据权利要求16所述的螺旋流反渗透薄膜设备，其特征在于，所述进料载体层由塑料筛构成。
全文摘要
本发明提供了一种分离器组件，其包括包括至少两个渗透物排出导管(119)且不包括浓缩物排出导管的中心芯体元件；以及包括至少一个进料载体层(116)、至少两个渗透物载体层(110)以及至少两个薄膜层(112)的薄膜叠层组件，该薄膜层设置在进料载体层与渗透物载体层之间；其中该渗透物排出导管由薄膜叠层组件的第一部分隔开，且其中薄膜叠层组件的第二部分形成设置在该中心芯体元件周围的多层薄膜组件，且其中，进料载体层不与渗透物排出导管接触，且其中，渗透物载体层与至少一个渗透物排出导管接触。还提供了盐分离器组件和螺旋流反渗透装置。
文档编号B01D63/10GK102186566SQ200980140866
公开日2011年9月14日 申请日期2009年9月15日 优先权日2008年10月17日
发明者P. 博尚 P., D. 马施克 D., J. 埃尔诺 D., K. 奎曼 M. 申请人:通用电气公司