多程超滤系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及多程超滤系统(38)，其包括沿着流体路径串联布置的至少两程(42,44)螺旋卷组件；包括：第一程沿着所述流体路径位于相对于第二程的上游，使得来自所述第一程的渗透物沿着所述流体路径(40)被引导到所述第二程，并且每程都包括容纳至少一个螺旋卷组件的压力容器，每个组件包含缠绕渗透物收集管的至少一个超滤膜封套和进料隔片；其中所述系统特征在于所述第一程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度大于0.65mm的进料隔片，以及所述第二程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度小于0.65mm的进料隔片。
【专利说明】多程超滤系统
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及多程超滤(mult1-pass hyperfiltrat1n)系统,其包括互连的多个操作单元(列(train))，使得来自上游单元的渗透物在下游单元中用作进料。
【背景技术】
[0002]超滤中使用的螺旋卷组件包括缠绕渗透物收集管的至少一个膜封套(envelop)和进料隔片。利用较薄的进料隔片允许更多的活性膜面积包装在螺旋卷组件内，同时保持给定的直径。虽然在所述组件内引入额外的活性膜通常提高分离效率，但利用较薄的进料隔片可导致结垢增加——特别是总有机物含量(TOC)值大于Ippm(通过ASTMD4839-03测量)的进料液。结垢进而导致通量降低和压力损失增加。
【发明内容】
[0003]多程超滤系统包括沿着流体路径串联布置的至少两程螺旋卷组件。所述系统包括沿着所述流体路径相对于第二程位于上游的第一程，使得来自所述第一程的渗透物沿着所述流体路径被引导到所述第二程。每程包括容纳至少一个螺旋卷组件的压力容器，而每个组件包含缠绕渗透物收集管的至少一个超滤膜封套和进料隔片。所述系统特征在于所述第一程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度大于0.65mm的进料隔片，以及所述第二程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度小于0.65mm的进料隔片。包括这种特征组合的系统可实现与较薄的进料隔片相关的益处，同时减少许多通常与之相关的结垢。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]图1是螺旋卷过滤组件的透视性部分剖视图。
[0005]图2是多程过滤系统的示意图。
【具体实施方式】
[0006]本发明包括适合用于反渗透(RO)和纳滤(NF)的螺旋卷元件(“组件”)。这样的组件包括缠绕渗透物收集管的一个或多个RO或NF膜封套和进料隔片。用于形成封套的RO膜相对不可渗透几乎所有的溶解盐，并通常阻隔超过约95%的单价离子盐，例如氯化钠。RO膜还通常阻隔超过约95%的无机分子以及分子量大于约100道尔顿的有机分子。NF膜比RO膜更可渗透，并通常阻隔小于约95%的单价离子盐，同时取决于二价离子的种类，阻隔超过约50% (并经常超过90%)的二价离子盐。NF膜还通常阻隔纳米范围的粒子以及分子量大于约200至500道尔顿的有机分子。对于本说明书而言，术语“超滤”总的描述RO和NF。
[0007]代表性的螺旋卷过滤组件总的显示在图1的2中。所述组件(2)由一个或多个膜封套(4)和进料隔片￠)同心缠绕渗透物收集管(8)而形成。每个膜封套(4)优选包含两个基本上长方形的膜片部分(10，10’)。每个膜片部分(10，10’ )具有膜或正面(34)和载体或背面(36)。膜封套(4)通过重叠膜片(10，10’)并对齐它们的边缘而形成。在优选实施方式中，所述膜片的部分(10，10’ )围绕渗透物通道隔片(“渗透物隔片”)(12)。这种夹心型结构通过例如密封剂(14)沿着三个边缘(16，18，20)固定在一起形成封套(4)，同时第四个边缘，即“近边”(22)邻接所述渗透物收集管(8)，使得所述封套(4)的内部部分(和任选的渗透物隔片(12))与沿着渗透物收集管(8)的长度延伸的多个开口(24)流体连通。组件(2)优选包含通过多个进料隔片￠)隔开的多个膜封套(4)。在所示出的实施方式中，膜封套⑷通过接合相邻布置的膜叶包(membrane leaf packet)的背面(36)表面而形成。膜叶包包含基本上长方形的膜片(10)通过自身折叠以限定两个膜“叶”，其中各叶的正面(34)彼此面对并且所述折叠与膜封套(4)的近边(22)轴向对齐，即与渗透物收集管
(8)平行。进料隔片(6)显示位于所述折叠膜片(10)的面对的正面(34)之间。进料隔片
(6)促进进料流体以轴向(即与渗透物收集管(8)平行)流过组件(2)。虽然未显示，但在所述组合件中也可以包含其它中间层。膜叶包的代表性例子以及它们的制造在Haynes等的US 7875177中进一步描述。
[0008]在组件制造期间，渗透物隔片(12)可以绕渗透物收集管⑶的外周连接，膜叶包交错其间。相邻布置的膜叶(10，10’ )的背面(36)沿它们的周边部分(16，18，20)密封以封闭渗透物隔片(12)，形成膜封套(4)。适合于将所述渗透物隔片与所述渗透物收集管连接的技术描述于Solie的US 5538642中。膜封套(4)和进料隔片(6)围绕渗透物收集管(8)同心缠绕或“卷绕”，在相反端形成两个相反的辊轴面(30，32)，由此产生的螺旋束通过例如胶带或其他手段固定在位。辊轴面(30，32)然后可以修整并且可以任选在辊轴面(30，32)和渗透物收集管(8)之间的接合处施加密封剂，如Larson等的US 7951295所述。长玻璃纤维可以围绕所述部分构成的组件缠绕并施加树脂(例如液体环氧树脂)和硬化。在一种可替代的实施方式中，可以在缠绕组件的外周上施加胶带，如McCollam的US2011/0094660所述。所述组件的末端可以装有抗伸缩装置或端盖(未显示)，其设计成防止膜封套在所述组件的入口和出口辊轴端之间的压差下位移。所述端盖通常装有弹性体密封件(未显示)，以在所述组件和压力容器(未显示)之间形成不透流体的连接。端盖设计的例子包括Hallan等的US 6632356和Bonta等的US 2011/0042294中描述的那些以及FilmTec Corporat1n的iLEC?联锁端盖。组件的外壳可以包括流体密封件以提供压力容器内的密封，如Huschke等的US 6299772和6066254以及McCollam的US 8110016所述。
[0009]构造螺旋卷组件的各种部件的材料是本领域公知的。用于密封膜封套的合适的密封剂包括聚氨酯、环氧树脂、硅氧烷、丙烯酸酯、热融粘合剂和紫外固化粘合剂。虽然较不普遍，但其他密封手段也可以使用，例如施加热、压力、超声焊接和胶带。渗透物收集管通常由塑性材料制成，例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚(苯醚)、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等等。经编(tricot)聚酯材料通常用作渗透物隔片。其它的渗透物隔片在US2010/0006504中描述。代表性的进料隔片包括聚乙烯、聚酯和聚丙烯网状材料，例如可在商品名VEXAR?下从Conwed Plastics商购的那些。优选的进料隔片在Johnson的美国专利6881336中描述。
[0010]所述膜片没有特别的限制并且可以使用多种多样的材料，例如乙酸纤维素材料、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚偏氟乙烯等等。优选的膜片包括FilmTec Corporat1n的FT-30?型膜，即平片复合膜，其包含无纺背衬网(例如无纺织物，如可得自Awa Paper Company的聚酯纤维织物)的背衬层(背面)、包含具有通常厚度为约25-125μπι的多孔载体的中间层、和包含厚度通常小于约I微米、例如从0.0l微米到I微米但更通常从约0.01到0.1 μ m的薄膜聚酰胺层的顶部识别层(正面)。所述背衬层没有特别的限制，但是优选包含无纺织物或纤维网状垫片，它们包含可以取向的纤维。或者，可以使用纺织物例如帆布。代表性的例子描述于 US 4, 214, 994 ；US 4, 795, 559 ；US 5, 435, 957 ；US 5, 919, 026 ；US 6, 156, 680 ；US 2008/0295951和US 7，048，855中。所述多孔载体通常是聚合材料，其孔尺寸是足以允许渗透物基本上不受限制地通过、但是并非大得足以妨碍在其上形成的薄膜聚酰胺层的桥接的尺寸。例如，所述载体的孔尺寸优选范围从大约0.001至0.5 μ m。多孔载体的非限制性例子包括由下列材料制成的多孔载体:聚砜，聚醚砜，聚酰亚胺，聚酰胺，聚醚酰亚胺，聚丙烯腈，聚(甲基丙烯酸甲酯)，聚乙烯，聚丙烯，和各种卤代聚合物例如聚偏氟乙烯。所述识别层优选通过在所述微孔聚合物层表面上的多官能胺单体与多官能酰卤单体之间的界面缩聚反应形成。由于它比较薄，所述聚酰胺层经常根据它在所述多孔载体上的涂层覆盖度或负载量描述，例如从约2至5000mg聚酰胺/平方米多孔载体表面积，并更优选从约50至500mg/m2。所述聚酰胺层优选如US 4277344和US 6878278所述的通过在所述多孔载体表面上的多官能胺单体和多官能酰卤单体之间的界面缩聚反应来制备。更具体地说，所述聚酰胺层可以通过在多孔载体的至少一个表面上界面聚合多官能胺单体与多官能酰卤单体(其中每个术语意图是指利用单个种类或多个种类两者)来制备。在本文中使用时，术语“聚酰胺”是指沿着分子链存在酰胺键(一C(O)NH—)的聚合物。所述多官能胺和多官能酰卤单体最通常通过溶液涂层步骤施加于所述多孔载体，其中所述多官能胺单体通常从水基或极性溶液涂布，而多官能酰卤从有机基或非极性溶液涂布。
[0011]图1中显示的箭头表示在运行期间进料和渗透物流体(也称为“产物”或“滤出液”)的大致流向(26，28)。进料流体从入口辊轴面(30)进入组件(2)并流动穿越所述膜片的正面(34)和在相反的出口辊轴面(32)处离开组件(2)。渗透物流体沿着渗透物隔片
(12)以大致垂直于箭头(28)指示的进料流的方向流动。实际的流体流动路径随着构造和运行条件的细节而变化。
[0012]虽然各种尺寸的组件都是可用的，但标准8英寸(20.3cm)直径和40英寸(101.6cm)长度的一种常用工业RO组件是可用的。对于典型的8英寸直径组件而言，26到30个单个膜封套缠绕所述渗透物收集管(即对于外径从约1.5到1.9英寸(3.8cm - 4.8)的渗透物收集管而言)。
[0013]用于本发明的压力容器没有特别的限制，但是优选包括能够耐受与运行条件有关的压力的实体结构。所述容器结构优选包括腔，所述腔的内周边对应于待容纳在其中的所述螺旋卷组件的外周边。所述腔的长度优选相当于待顺序(轴向)装载的元件、例如I至8个元件的总长度，参见Mickols的US 2007/0272628。所述压力容器还可以包括一旦装载组件后密封所述腔的一个或多个端板。所述容器还包括至少一个流体入口和出口，优选位于所述腔的相反端。所述压力容器的方向没有特别的限制，例如可以使用水平和垂直定向二者。可适用的压力容器、组件排列和负载的例子描述于:US 6074595，US 6165303，US6299772 和 US 2008/0308504。压力容器的制造商包括 Minneapolis MN 的 Pentair，VistaCA的Bekaert,和以色列Beer Sheva的Bel Composite。单个压力容器或一起工作的一组容器，各自配备一个或多个组件，通常称为“列”或“程”。所述程内的容器可以排列成一级或多级，其中每级包含相对于进料流体并行操作的一个或多个容器。多个级串联排列，由此来自上游级的浓缩物流体用作所述下游级的进料流体，同时收集每级的渗透物，而不用在所述程内进一步再加工。多程超滤系统通过沿着流体路径将各个程互连而构成，如以下文献所述:US 4156645，US 6187200 和 US 7144511。
[0014]图2示出了多程过滤系统(38)，其包括沿着流体路径(40)串联布置的两程螺旋卷组件，第一程(42)沿着流体路径(40)位于相对于第二程(44)的上游。各程(42，44)包括容纳至少一个并优选至少三个串联连接的螺旋卷组件的压力容器，每个组件包含缠绕渗透物收集管的至少一个超滤膜封套和进料隔片，如前面参考图1所述。在运行中，加压的进料液体通过进料入口(46)进入第一程(42)。第一渗透液(滤出液)通过出口(48)离开并通过入口(50)进入第二程(44)。第二渗透液通过渗透物出口(52)离开第二程(44)。浓缩液通过浓缩物出口(56，56’ )离开两个程(42，44)。浓缩液可以丢弃、再循环、用于另外的级、或以其它方式处置。虽然显示为包括两程，但所述系统可以包括额外的程，包括任选的沿着流体路径平行的程。在图2示出的实施方式中，流体路径(40)包含入口(46，50)、出口(48，52)、第一和第二程(42，44)和其间的管道。所述系统还可以包括泵(58)、阀和本领域惯常的相关设备。
[0015]第一程(42)包括至少一个厚度大于0.65mm的进料隔片的螺旋卷组件，而第二程(44)包括至少一个厚度小于0.65mm的进料隔片的螺旋卷组件。在一种实施方式中，所述第一程的进料隔片的厚度是从0.7mm到1.2mm,并更优选从0.7到1mm。在另一种实施方式中，所述第二程的进料隔片的厚度是从0.3到0.6mm,并更优选0.4到0.56mm。虽然给定程的单个组件不需要相同，也不用具有相同的进料隔片，(例如参见Mickols的US2007/0272628)，但给定程的进料隔片优选符合前述标准。对于本说明书而言，进料隔片的厚度通过首先测量进料隔片和膜封套的总厚度来确定。这优选利用以干燥状态提供的完全组装的、无加压组件来进行。所述总厚度是辊轴的端面积与膜封套长度的商，垂直于所述渗透物收集管测量。从所述总厚度，减去由所述膜封套(例如膜片和如果存在的渗透物隔片)造成的厚度，剩余的厚度是进料隔片的厚度。
[0016]实施例
[0017]测试了若干个两程超滤系统。所述系统的总布局在图2中示出。第一程由包括厚度为0.71mm(28mil)的标准(90°流体动力角)进料隔片的螺旋卷组件组成。第二程由包括厚度为0.56mm(22mil)的标准进料隔片的螺旋卷组件组成。所述系统利用通过ASTMD4839-03(过硫酸盐氧化)测量具有大约7-8ppm TOC的加压预处理城市废水测试。经过60天连续运行(以大约5331/h)之后，第二程的螺旋卷组件出现测量不出的压力损失。
[0018]作为比较，在相同的运行条件和液体进料下测试了两个另外的系统。这两个比较系统都包括第一程超滤(ultrafiltrat1n) (SPF-2880加压超滤组件，可从The DowChemical Company商购)，后面是第二程超滤。在比较系统A中，第二程超滤与前段描述的第一程相同，在比较系统B中，第二程与前段描述的第二程相同，即利用厚度分别为
0.71mm(28mil)和0.56mm(22mil)的进料隔片。连续运行(UF为大约5371/h，超滤5331/h)大约60天之后，比较系统A出现58%的压力损失改变，而比较系统B出现161%的压力损失改变。如该结果指示，当利用TOC值超过Ippm的进料液时，利用超滤不足以阻止下游超滤系统的明显压力损失。
[0019]在本发明的优选实施方式中，所述进料液具有至少Ippm的TOC值，但是利用TOC值为至少3ppm、6ppm或7ppm的进料水,取得了更显著的益处。
[0020]已经描述了本发明的许多实施方式，并且在有些情况下，某些实施方式、选择、范围、成分或其他特征已经被表征为“优选的”。这种“优选”特征的指定决不应该解释为本发明的必要或关键的方面。表达的范围特别包括端点。
[0021 ] 前述的专利和专利申请各自的全部内容通过弓丨用并入本文中。
【权利要求】
1.多程超滤系统，其包括至少两程沿着流体路径串联布置的螺旋卷组件，其中: 第一程沿着所述流体路径位于相对于第二程的上游，使得来自所述第一程的渗透物沿着所述流体路径被引导到所述第二程，和 这两程都包括容纳至少一个螺旋卷组件的压力容器，所述组件包含缠绕渗透物收集管的至少一个超滤膜封套和进料隔片； 所述系统特征在于所述第一程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度大于0.65mm的进料隔片，以及所述第二程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度小于0.65mm的进料隔片。
2.权利要求1的系统，其中所述第一程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度大于或等于0.7mm (27.6mil)的进料隔片，和所述第二程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度小于或等于0.6mm(23.6mil)的进料隔片。
3.权利要求2的系统，其中所述第二程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度小于或等于0.56mm(22mil)的进料隔片。
4.权利要求1的系统，其中每程包含容纳至少两个串联连接的螺旋卷组件的压力容器。
5.过滤TOC值为至少Ippm的液体的方法，所述方法包括 加压进料液并引导所述进料液通过第一程超滤以产生第一渗透液， 引导所述第一渗透液通过第二程超滤以产生第二渗透液，其中: 这两程都包含容纳至少一个螺旋卷组件的压力容器，所述组件包含缠绕渗透物收集管的至少一个超滤膜封套和进料隔片，并且所述第一程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度大于0.65mm的进料隔片，且所述第二程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度小于0.65mm的进料隔片。
6.权利要求5的方法，其中所述第一程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度大于或等于0.7mm(27.6mil)的进料隔片，和所述第二程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度小于或等于0.6mm(23.6mil)的进料隔片。
7.权利要求6的方法，其中所述第二程包含螺旋卷组件，所述螺旋卷组件包括厚度小于或等于0.56mm(22mil)的进料隔片。
8.权利要求5的方法，其中每程包含容纳至少两个串联连接的螺旋卷组件的压力容器。
9.权利要求5的方法，其中所述进料液具有至少3ppm的TOC值。
【文档编号】B01D63/12GK104159656SQ201380012072
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年2月20日 优先权日:2012年3月2日
【发明者】J·E·约翰逊, M·布施, K·玛亚玛, S·罗森伯格, S·D·琼斯 申请人:陶氏环球技术有限责任公司