制备过滤元件的方法及相应过滤元件与流程

本发明涉及制备过滤元件的方法及相应过滤元件。

技术背景

通常，过滤元件中过滤组件包括多孔基材和过滤片。其中，过滤片通过将形成过滤层的溶液施涂到背衬材料(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet))上制得，包括背衬层和过滤层。该背衬材料的平均孔隙度通常小于50微米。但是，该过滤组件的厚度较大，在相同过滤元件容积下过滤活性区域较少。

另外，现有的过滤元件很多时候也无法在高截盐率和高通量之间取得良好的平衡。美国专利申请公开第us20040222158a1号公开了用于水的软化的带有内部分级的螺旋缠绕式组件的纳米过滤系统。所述组件由分别具有高截盐率但低通量和高通量但低截盐率的膜片混合，用以提供介于所用两种膜片之间的截盐率和通量性能。

现有技术中已有的过滤元件并不能完全满足目前的应用需求。例如，对于某些应用来说，本领域技术人员仍希望降低过滤元件的厚度，简化过滤元件结构，及/或提供高通量和高截盐率。因此，需要提供一种新的方法来制备过滤元件及相应的过滤元件。

技术实现要素：

一方面，本发明一些实施方式涉及一种制备过滤元件的方法，所述方法包括：提供芯管；和，将膜卷绕到所述芯管上，所述膜包括多孔基材以及形成在多孔基材上的过滤层，所述多孔基材的平均孔隙度为50-1000微米。

另一方面，本发明一些实施方式提供一种过滤元件，包括：芯管；卷绕在该芯管上的膜，其中，所述膜包括多孔基材以及形成在多孔基材上的过滤层， 所述多孔基材的平均孔隙度为50-1000微米；进水隔片，该进水隔片卷绕在芯管上；

可选的，引导多孔基材，该引导多孔基材卷绕在所述芯管上；和

可选的，过滤片，所述过滤片包括背衬层和过滤层。

通过下面的详细描述、附图以及权利要求，本发明的其他特征和方面将更加清楚。

附图说明

通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1显示了本发明一些实施例中包含导水流道的多孔基材侧面的电子扫描显微(sem)图；

图2显示了图1所示多孔基材的包含多孔结构的另一侧面的sem图。

图3是本发明一些实施例中制备膜的方法的示意图；

图4是本发明另一些实施方式中制备膜的方法的示意图；

图5是本发明再一些实施方式中制备膜的方法的示意图；

图6是本发明一些实施例中制备过滤元件的方法的示意图；和

图7是本发明另一些实施例中制备过滤元件的方法的示意图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式。除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“结合”、“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

在文中，术语“芯管”是指用于过滤元件的管材，其通常中空，其管壁上 具有孔，供过滤液流通。

在本文中，术语“多孔基材”是指具有多孔结构的基材。在一些实施例中，所述多孔基材包括导水基材。在文中，术语“导水基材”是指一种具有多孔结构的聚合物基材。所述聚合物包括，但不限于，对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚四氟乙烯、聚烯烃、聚酯或它们任意的组合。

在一些实施例中，所述多孔基材1具有不对称结构，其中，该结构的一侧2包括许多导水流道3(见图1)，另一侧4包括多孔结构5(见图2)。

在一些实施例中，多孔基材的厚度为200-500微米，250-400微米或者300-350微米。在一些实施例中，所述多孔基材的平均孔隙度为50-1000微米、100-1000微米、150-800微米、150-400微米、150-300微米或者350-1000微米。平均孔隙度可以按照以下方式测量：当所述多孔基材为纤维多孔基材时，按gb/t2679.14-1996进行测量；当所述多孔基材为非纤维多孔基材时，使用光学或电子显微镜直接测量法进行测量。

纤维多孔基材的示例包括，但不限于，无纺布。非纤维多孔基材的示例包括，但不限于，编织物。

在文中，术语“进水隔片”是指一种具有多孔结构的聚合物基材。所述聚合物包括，但不限于，对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚四氟乙烯、聚烯烃、聚酯或它们任意的组合。

在一些实施例中，进水隔片可以和多孔基材具有相同的构造和材质，可以相互替换的使用。在一些实施例中，进水隔片的厚度为200-500微米，250-400微米或者300-350微米。在一些实施例中，所述进水隔片的平均孔隙度为50-1000微米、100-1000微米、150-800微米、150-400微米、150-300微米或者350-1000微米。

一些实施例中，进水隔片与多孔基材构造不同。一些实施例中，进水隔片相反两面的构造相同，都具有相同的多孔结构。

在一些实施例中，所述膜包括多孔基材以及在多孔基材的一个表面部分上形成的过滤层(即，单面膜)。所述膜的厚度可为100-1000微米、280-800微米、或者300-350微米。

在一些实施例中，所述膜包括多孔基材以及在多孔基材的两个表面部分上 形成的过滤层(即，双面膜)。所述膜的厚度可为100-1000微米、280-800微米、或者300-450微米。

本发明一些实施方式所涉及的膜可集中导水功能和过滤功能。相比已知的膜(如过滤片)，所述膜可降低过滤元件的厚度，并可具有良好的通量和截盐率的平衡。

在文中，术语“过滤层”一般是指可利用微滤(mf)、超滤(uf)、纳米过滤(nf)、反渗透(ro)、正向渗透(fo)和气体分离等原理进行过滤的层。一些实施方式中，所述过滤层包括，但不限于，微滤过滤层、超滤过滤层、纳米过滤层、反渗透过滤层、正向渗透过滤层和他们的任意组合。

在一些实施例中，所述过滤层使用溶液固化的方式形成。在一些实施例中，所述膜通过图3所示的方式制得。首先，提供具有许多孔隙的多孔基材。将该多孔基材放置在操作台上，且将多孔基材中具有导水流道的一面朝向该操作台。使用预填充溶液31来填充多孔基材。

在本文中，术语“预填充溶液”是指用于填充多孔基材中孔隙、便于后续施涂过滤层的一种填充性溶液。在一些实施例中，所述预填充溶液包括水、有机溶剂或它们的组合。在一些实施例中，所述有机溶剂包括醇、甘油、乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n-甲基吡咯啉(nmp)、二甲基亚砜(dmso)、二甲基乙酰胺(dmac)或者它们的组合。在一些实施例中，所述醇包括甲醇、乙醇、异丙醇或它们的组合。

在填充预填充溶液之后，将多孔基材上部多余的预填充溶液去除，由此，所述预填充溶液占据所述多孔基材的下部区域(见图3中的标记32)，形成在包含导水流道的一面负载有预填充溶液的多孔基材。然后，将形成过滤层的溶液浇铸到具有预填充溶液的多孔基材上，快速固化，在多孔基材上形成过滤层33。过滤层直接形成在多孔基材上，由此形成膜。在一些实施例中，所述形成过滤层的溶液包含，但不限于，聚砜(psu)、聚丙烯、聚偏氟乙烯(pvf)、聚醚砜(pes)、聚丙烯腈(pan)、聚氯乙烯(pvc)、聚乙烯醇(pva)、乙酸纤维素(ca)、聚酰亚胺(pi)、聚四氟乙烯、尼龙、聚乙烯醇缩甲醛或它们的组合。

在一些实施例中，所述膜通过图4所示的连续湿法方式制得。首先，提 供具有许多孔隙的多孔基材。该多孔基材的两端各自卷绕在一对滚筒41和43上，所述多孔基材可在滚筒41上解卷，并可在另一个滚筒43上重新卷起，从而在两个滚筒之间运行。在所述一对滚筒之间设置一排平行的喷嘴42，其中，所述喷嘴42与包含预填充溶液的容器(未显示)流体连通。该排喷嘴的宽度匹配多孔基材的宽度。

在操作中，所述多孔基材从滚筒41解卷，以适于喷涂预填充溶液的速度途径所述平行设置的喷嘴42，并在另一个滚筒43上重新卷起。在途径所述平行设置的喷嘴42时，喷嘴可以不同的流量将预填充溶液喷涂到所述多孔基材上，提供在导水流道一面上负载有预填充溶液的多孔基材。

之后，所述多孔基材经过涂布头(未显示)，将形成过滤层的溶液涂布到所述已经涂有预填充溶液的多孔基材表面部分。在另一个滚筒43上重新卷起之前，所述形成过滤层的溶液固化，在所述多孔基材形成光滑、均匀的过滤层，由此形成膜。

在一些实施例中，所述膜通过图5所示的连续湿法方式制得。如图5所示，首先提供具有许多孔隙的多孔基材。该多孔基材的一端卷绕在滚筒51上，且在操作时，所述多孔基材在滚筒51上解卷。解卷的多孔基材在包含预填充溶液的容器52中浸涂，使预填充溶液占据多孔基材。离开所述容器52之后，含预填充溶液的多孔基材经过一对夹辊53，将所述多孔基材表面多余的预填充溶液挤出，仅在多孔基材的中间部分中残留预填充溶液，形成仅占据多孔基材中间部分的预填充溶液层。

然后，将预填充溶液层仅占据多孔基材中间部分的所述多孔基材经过一对狭缝模头54和55。在此将形成过滤层的溶液喷涂到所述多孔基材的表面部分。所述形成过滤层的溶液部分渗入该含预填充溶液的多孔基材的表面部分，并在固化之后在所述多孔基材的两个表部部分上都形成光滑、均匀的过滤层。

在一些实施例中，本发明涉及的过滤元件通过以下方式制得：提供芯管61，并将膜(见，图6中的62、64，或图7中的72)卷绕到所述芯管上，所述膜包括多孔基材以及形成在多孔基材上的过滤层。在一些实施例中，在所述芯管上卷绕引导多孔基材的一端。该引导多孔基材可利于铺置膜，并方便将所 述膜卷绕到所述芯管上。

在一些实施例中，如图6所示，首先提供设置在旋转轴上的芯管61，所述芯管61上缠绕引导多孔基材65的一端。在一些实施例中，将膜62、64对折，使具有光滑、均匀的过滤层的表面部分朝内。然后，将进水隔片63插入所述对折的膜中，将所述对折的相邻膜的开口边胶合，提供膜的膜袋。将上述制得的膜袋层叠在所述引导多孔基材65上。在一些实施例中，所述膜袋的外侧边缘或靠近边缘的部分胶合，将膜袋固定在位。最后，将所述膜袋绕芯管卷起，形成包含芯管61、膜62、64、进水隔片63以及引导多孔基材65的过滤元件。

在一些实施例中，如图7所示，提供设置在旋转轴上的芯管71。在一些实施例中，所述芯管71上可缠绕引导多孔基材的一端。提供过滤片73和膜72。在一些实施例中，将膜72如上所述进行对折，使具有光滑、均匀的过滤层的表面部分朝内。在一些实施例中，将进水隔片插入所述对折的膜中。在一些实施例中，将所述对折的相邻膜的开口边胶合，提供膜的膜袋。以同样的方法制备过滤片袋。

过滤片通过将形成过滤膜的溶液施涂到背衬材料(例如，pet)上制得，包括背衬层和过滤层。该背衬层的平均孔隙度小于多孔基材的平均空隙度。一些实施例中，背衬层的平均孔隙度小于100微米，小于80微米，或者小于50微米。

将上述制得的膜袋与过滤片袋层叠卷绕到所述芯管上。在一些实施例中，将上述制得的膜袋与过滤片袋以非交替地方式层叠。在一些实施例中，将上述制得的膜袋与过滤片袋交替层叠。

在一些实施例中，所述膜袋、过滤片袋的外侧边缘或靠近边缘的部分胶合，将膜袋、过滤片袋固定在位。将所述膜袋、过滤片袋绕芯管卷起，形成包含芯管71、膜72、过滤片73，以及进水隔片的过滤元件。一些实施例中，所述过滤元件可包括引导多孔基材。

在一些实施例中，所述过滤元件包括：芯管61、卷绕在该芯管61上的一个或多个膜(见，图6中的标记62、64)、进水隔片以及可选的引导多孔基材。在一些实施例中，所述膜62、64包括一个或两个过滤层。在一些实施例中， 该引导多孔基材的一端卷绕在所述芯管上。在一些实施例中，该进水隔片夹在折叠的膜内。

在一些实施例中，所述过滤元件包括：芯管71、卷绕在该芯管71上的一个或多个膜(见，图7中的72)、进水隔片、可选的一个或多个过滤片73和可选的引导多孔基材。在一些实施例中，所述膜72包括一个或两个过滤层。在一些实施例中，该过滤片73与所述一个或多个膜72非交替地卷绕在芯管71上。在一些实施例中，该过滤片73与所述一个或多个膜72交替地卷绕在芯管71上。在一些实施例中，该引导多孔基材的一端卷绕在所述芯管上。一些实施例中，该进水隔片夹在折叠的膜或过滤片内。

一些实施例中，无需折叠膜和过滤片，将膜、过滤片和进水隔片依次堆叠后卷绕到所述芯管上。一些实施例中，将膜、过滤片拆切到合适尺寸后，无须折叠膜和过滤片，将若干膜、过滤片和进水隔片依次堆叠后卷绕到所述芯管上。

相比不包含本发明实施例所涉及的膜的过滤元件，本发明一些实施例中的膜并非传统的过滤片，省略了背衬层，直接在多孔基材上形成过滤层，消除了现有技术中需要将多孔基材焊接到过滤片上的步骤，简化了工艺步骤，并大大节省了材料成本。本发明一些实施例中，由于没有焊接过程，卷膜的时间可以比常规的过滤元件减少25％。

同时，相比不包含本发明实施例作涉及的膜的过滤元件，本发明一些实施例涉及的过滤元件的厚度较小。在相同容积下，本发明一些实施例所涉及的过滤元件可以容纳更多的膜，具有更多的过滤活性区域。因此，本发明一些实施例所涉及的过滤元件可以获得高通量和高截盐率。本发明一些实施例中所涉及的过滤元件还具有相当的耐压性。本发明一些实施例中，可以没有额外的导水用的多孔基材，或者只有引导导水基材，可以减少过滤元件厚度，提供更多过滤活性区。

实验例

例1制备膜

如图3所示，提供厚度为250微米的导水基材，该基材具有许多平均孔隙度约为150-400微米的孔隙。所述导水基材具有不对称结构(见图1和 2)，其一面具有导水流道，另一面具有多孔结构。将导水基材小心地放置在玻璃板上，且将导水基材中具有导水流道的一面朝向玻璃板。

使用水作为预填充溶液来填充导水基材；然后使用滤纸或吸收垫在橡胶辊的压力下与填充水的导水基材上部接触，将多余的水吸去。由此，水占据所述导水基材的下部区域，形成含水的导水基材。

将17重量％的聚砜(psu)溶液(溶剂为n,n-二甲基甲酰胺)浇铸到具有预填充溶液的导水基材上，然后快速转移到水凝胶浴中，以固化psu溶液形成过滤层。该过滤层直接形成在所述导水基材上。将所述包含psu超滤过滤层和导水基材的膜浸泡在水中保存。

经测量，该膜的厚度为～350微米，为由130微米uf过滤片和250微米导水基材相互贴合形成的过滤组件厚度的约90％。

另外，观察到，形成的膜具有均匀且光滑的膜表面，且没有肉眼可观察到的针孔缺陷。

例2制备双面膜

提供厚度为350微米的导水基材，该基材具有许多平均孔隙度约为150–400um的孔隙。所述导水基材具有不对称结构，其一面是导水流道，另一面是多孔结构。

将导水基材放置在玻璃板上，且将导水基材中具有导水流道的一面朝向玻璃板。使用水作为预填充溶液来填充导水基材；然后使用滤纸或吸收垫在橡胶辊的压力下与填充水的导水基材上部接触，将多余的水吸去。

将17重量％的聚砜(psu)溶液(溶剂为n,n-二甲基甲酰胺)浇铸到具有预填充溶液的导水基材上，然后快速转移到水凝胶浴中，以固化psu溶液来获得膜。

将获得的膜置于玻璃基板上，使导水流道侧向上，并将预填充溶液负载到所述导水流道侧。然后，使用滤纸或吸收垫在橡胶辊的压力下与填充水的导水基材上部接触，将多余的水吸去。

将17重量％的聚砜(psu)溶液(溶剂为n,n-二甲基甲酰胺)再次浇铸到具有预填充溶液的导水基材上，然后快速转移到水凝胶浴中，以固化psu溶液来获得膜。

经测量，制得的膜的厚度为～450微米。另外，观察到，形成的膜具有均匀且光滑的膜表面，且没有肉眼可观察到的针孔缺陷。

例3制备过滤元件

如图6所示，使用实施例1制备的膜，所述表面部分有光滑、均匀的psu过滤层。

首先提供设置在旋转轴上的芯管，所述芯管上缠绕pet引导导水基材的一端。将实施例1制备的膜对折，使具有光滑、均匀的psu过滤膜的表面部分朝内。然后，将进水隔片插入所述对折的膜中，将所述对折的相邻膜的开口边胶合，提供膜的膜袋。

将上述制得的膜袋层叠到所述引导导水基材上，其中，所述膜袋的外侧边缘或靠近边缘的部分胶合，将膜袋固定在位。最后，将所述膜袋绕芯管卷起，形成包含芯管、膜、pet引导导水基材以及进水隔片的过滤元件。

相比需要焊接导水基材的过滤元件，例3制得的过滤元件由于没有单独的焊接过程，卷膜的时间可以减少25％。同时，在相同容积情况下可以包含更多(约5％-10％)的膜。因此，在相同容积的元件中可以容纳更多的膜过滤活性面积。

例4制备过滤元件

如图7所示，使用实施例1-2制备的膜，所述表面部分有光滑、均匀的psu过滤层。

首先提供设置在旋转轴上的芯管，所述芯管上缠绕pet引导导水基材的一端。将实施例1制备的膜对折，使具有光滑、均匀的psu过滤膜的表面部分朝内。然后，将进水隔片插入所述对折的膜中，将所述对折的相邻膜的开口边胶合，提供膜的膜袋。以同样的方法制备过滤片袋。

将上述制得的膜袋与过滤片袋交替层叠到所述引导导水基材上，其中，所述膜袋的外侧边缘或靠近边缘的部分胶合，将膜袋固定在位。最后，将所述膜袋绕芯管卷起，形成包含芯管、膜、过滤片、pet引导导水基材以及进水隔片的过滤元件。

相比需要焊接导水基材的过滤元件，由于没有单独的焊接过程，卷膜的时间可以比常规的过滤元件减少25％。同时，在相同容积情况下可以包含 更多(约16％)的膜。因此，在相同容积的元件中可以容纳更多的膜过滤活性面积。

例5将实施例4制得的过滤元件进行性能测试。

使用2000ppm的nacl溶液，在220psi的压力下测试例4制得的过滤元件。例4制得的过滤元件呈现出高通量(约126gpd(gallonperday))和高截盐率(96.7％)。相比只包含过滤片的过滤元件，例4制得的过滤元件的通量高～18％。继续将该过滤元件测试180小时以检验过滤元件在压力下的稳定性，在测试结束时，过滤元件的通量为100gpd，截盐率为97.8％，显示该膜在压力下是耐久的。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了表明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。