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CN110520210A - 用于螺旋卷绕元件的不嵌套、不变形图案 - Google Patents

用于螺旋卷绕元件的不嵌套、不变形图案 Download PDF

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CN110520210A
CN110520210A CN201880025621.1A CN201880025621A CN110520210A CN 110520210 A CN110520210 A CN 110520210A CN 201880025621 A CN201880025621 A CN 201880025621A CN 110520210 A CN110520210 A CN 110520210A
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凯文·罗德里克
罗德尼·赫林顿
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Aquamanbranis
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Aquamanbranis
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Abstract

本发明的实施例提供了用于螺旋卷绕元件的间隔元件的沉积，这些间隔元件防止在元件卷起期间相邻间隔件层的嵌套和供给空间的堵塞。

Description

用于螺旋卷绕元件的不嵌套、不变形图案
技术领域
本主题发明涉及一种用于流体组分分离的可渗透膜系统，具体地涉及螺旋卷绕可渗透膜元件。
背景技术
在本领域中已知的螺旋卷绕膜过滤元件包括层压结构，该层压结构包括密封到多孔渗透物载体上或围绕该多孔渗透物载体的膜片，该多孔渗透物载体产生了用于将穿过该膜到中心管的流体移除的路径，同时这个层压结构被螺旋地缠绕在该中心管周围并且用多孔供给间隔件与自身隔开，从而允许流体轴向流过该元件。在这个供给间隔件必须保持敞开以及在该层压结构之间均匀的轴向流动的同时，该供给间隔件还是在轴向流动通道内的流动限制和压降的来源并且还呈现出流动限制区域并且与膜发生接触，这由于生物滋长、结垢、和颗粒捕获而显著易于膜污染。
对螺旋卷绕元件的设计的改进已经由巴里耶(Barger)等人和布雷福德(Bradford)等人披露，这些改进用沉积或直接压印到膜的外侧或活性表面上的岛状物或突出物来代替供给间隔件。这种构型的有利之处在于它保持了用于轴向流过该元件的间距，同时使流动通道内的阻碍最小化。该构型还消除了作为分开部件的多孔供给间隔件，从而简化了元件的制造。标题为“改进的螺旋卷绕元件构造(Improved Spiral Wound ElementConstruction)”的专利公开号US 2016-0008763-A1教导了在膜片的活性表面的背侧或者直接在渗透物载体的表面上应用印刷图案。
以下参考文献(其中的每一个都通过援引并入本文)可以有助于理解本发明：US3962096；US 4476022；US 4756835；US 4834881；US 4855058；US 4902417；US 4861487；US6632357；以及美国申请2016-0008763-A1。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于在螺旋卷绕可渗透膜系统中使用的膜，该系统包括膜，该膜在其表面上布置有间隔特征，其中，这些间隔特征被构造成使得当螺旋卷绕时这些间隔特征阻止间隔件的嵌套。这些间隔特征可以被布置成使得当膜螺旋卷绕时这些间隔特征重叠。
在一些实施例中，这些间隔特征可以包括多个基本上平行的线段，这些线段按不均匀的间隔距离彼此间隔开。该多个线段的第一子集可以按不均匀的间隔距离彼此间隔开，从而形成图案，并且其中，该多个线段的其他子集包括该图案的重复。第一子集可以在从第一个线段到最后一个线段测量的至少6英寸上延伸。第一子集可以在从第一个线段到最后一个线段测量的至少12英寸上延伸。间隔的变化可以小于相邻间隔特征之间的平均距离的15％。
在一些实施例中，这些间隔特征可以包括彼此间隔开并且以不均匀的角度彼此不平行地定向的多个线段。该多个线段的第一子集可以相对于彼此以不均匀的角度定向，从而形成图案，并且其中，该多个线段的其他子集包括该图案的重复。该图案可以延伸达从第一个线段到最后一个线段测量的至少6英寸。该图案可以延伸达从第一个线段到最后一个线段测量的至少12英寸。角度的变化可以小于这些特征相对于该图案的平均角度的15％。
在一些实施例中，这些间隔特征可以包括彼此平行并在该表面上被布置成第一网格的第一多个线段、以及彼此平行并在该表面上被布置成第二网格的第二多个线段，其中，该第一多个线段中的线段不与该第二多个线段中的线段相交，并且其中，该第一多个线段中的线段与该第二多个线段中的线段布置成除了零度的角度。该角度可以至少为1度，但不超过45度。该角度可以是45度。该第一多个线段中的每个间隔特征可以与该第一多个线段中的相邻间隔特征分开不超过四分之一英寸。该第一多个线段中的每个间隔特征可以与该第一多个线段中的相邻间隔特征分开不超过十分之一英寸。
在一些实施例中，这些间隔特征可以包括多个曲线段，这些曲线段按如沿着横穿这些间隔特征的至少一条路径所确定的经测量的不均匀的间隔距离彼此间隔开。
在一些实施例中，这些间隔特征可以被构造成使得在该膜被制造成该可渗透膜系统时，这些间隔特征至少部分地支撑相邻层上的那些间隔特征。
在一些实施例中，这些间隔特征可以邻近该膜的边缘布置。
在一些实施例中，这些间隔特征可以被布置在该膜的整个表面上。
在一些实施例中，这些间隔特征在该膜的边缘附近比在该膜远离这些边缘的部分中更紧密地间隔。该膜的边缘可以被限定为该膜的边缘的三英寸内的区域。该膜的边缘可以被限定为该膜的边缘的一英寸内的区域。
在一些实施例中，这些间隔特征可以由热塑性塑料、反应性聚合物、蜡、或树脂中的一种或多种制成；直接沉积到该膜表面上。
在一些实施例中，这些间隔特征可以由高温热塑性塑料、金属、或陶瓷中的一种或多种制成；与该膜表面隔开形成，并且然后粘附到该膜表面上。
本发明的实施例提供了一种可渗透膜系统，该可渗透膜系统包括如本文所述的膜。
本发明的实施例提供了一种水处理设备，该水处理设备包括一个或多个如本文所述的可渗透膜系统。
本发明的实施例提供了一种处理水的方法，该方法包括提供如本文所述的可渗透膜系统，并使待处理的水穿过该可渗透膜系统。
本发明的实施例提供了一种制造可渗透膜系统的方法，该方法包括提供如本文所述的膜、以及螺旋卷绕该膜。
附图说明
图1是具有变化的间隔以防止在卷起螺旋卷绕元件期间嵌套的平行线段阵列的图示。
图2是处于各种角度以防止在卷起螺旋卷绕元件期间嵌套的线段阵列的图示。
图3A、图3B、图3C包括被设计成防止在卷起螺旋卷绕元件期间嵌套的紧密间隔的图案的几个构型的图示。
图4A、图4B、图4C、图4D包括另外的示例特征实施例的图示。
具体实施方式
与供给间隔网相比，将特征压印或沉积到膜片的表面上、或者压印或沉积到螺旋卷绕元件的渗透物载体片上、或者压印或沉积在渗透物载体片之中以在相邻膜片之间提供间距可以提供若干优点，这些优点包括更多开放的流动通道、更低的压降、减少的结垢、以及产生比使用网的实践的更薄的供给空间的能力。膜片本身可以由聚丙烯多孔层制成，结合到聚砜多孔层上，其中膜聚合物材料被铸造到聚砜层上。可以使用各种其他材料和方法来制造膜片。可以制造提供不同程度的去除效率的膜片。微过滤膜典型地可以去除小至约0.1微米的材料，典型的是细菌和原生动物，或者工业应用中的这种大小的其他污染物。超过滤膜可以具有小至约0.01微米的孔径，并且例如可以从流体源中去除病毒。纳米过滤膜可以具有小到足以去除二价离子的孔径，但将使一价离子通过，诸如钠和氯化物。纳米过滤的应用的实例是水软化以例如去除碳酸钙。反渗透典型地是最小的孔径，并且足以去除典型地在脱盐应用中使用的一价盐。巴里耶等人和布雷福德等人已经披露了这些间隔件特征的各种构型，PCT/US 14/18813(通过援引并入本文)披露了适合于将间隔特征沉积在膜片上的各种方法和材料。这些方法和材料可以用于实施本发明的实施例。
与常规的网状供给间隔件相比，直接压印或沉积在膜表面上的间隔件特征在螺旋卷绕元件的制造期间呈现出差异。与可以利用挤出或编织的网状材料来实现相比，间隔件特征可以由更多种形状和图案来制成，并且它们的间隔和取向可以同样地广泛变化。在使用压印或沉积特征的螺旋卷绕过滤元件的典型制造期间，在片材的二分之一上具有特征的膜片被折叠成页片，一侧包含特征而另一侧空白；两个面(现在彼此相对)是活性膜表面。间隔件允许供给溶液在活性膜表面之间流动，使得膜的所有活性表面都可用于过滤。在这两个膜片的外侧交错有渗透物载体片。流过活性膜片的流体与渗透物载体接触，渗透物载体中的流体被输送到中心管。在围绕中心管卷起以形成成品元件之前，施涂粘合剂。粘合剂线从中心管的一端处开始沉积到折叠膜页片的背(非活性)面或沉积到所述页片上方的渗透物载体网上，围绕这个片的周边的三个侧面，并返回与中心管接触。胶线用于密封渗透物载体并将其与供给流/排出流隔离。在用于形成元件的每个页片上重复这个过程。
印刷的特征在螺旋卷绕元件的入口区域和出口区域尤其重要，其中，这些特征之间的区域形成间隔，供给水流过该间隔进入元件并且排出水流过该间隔离开元件，并且其中，它们必须抵抗在元件卷起期间由粘性粘合线的压缩所产生的力。如果印刷的特征仅仅是线、线段或柱的规则间隔的重复图案，则它们可能在卷起期间由于粘合剂上的力而允许相邻的膜片变形到供给空间并堵塞流动通道。类似地，特征的一些图案和间隔可以允许膜、渗透物载体和粘合剂的整个相邻层变形以嵌套在特征之间。
本发明的示例性实施例可以通过提供防止薄膜和相邻层塌陷和变形的特征间隔和图案来防止在螺旋卷绕元件制造期间供给通道的堵塞。附加地，通过在卷起期间为膜片提供附加的支撑并防止嵌套，本发明的示例性实施例可以阻止供给通道的堵塞，而不需要改变用于卷起螺旋卷绕元件的标准工艺。
本发明实施例的优点在于，减少螺旋卷绕元件的各层之间的供给空间的堵塞降低了流动的阻力，并且因此降低了从元件的入口到出口的压降，这提高了过滤效率并降低了能量需求。
本发明的示例性实施例还可以提供以下优点：促进整个元件的更均匀的流动并且防止由于非均匀的流动而引起的潜在结垢。如果供给空间的某些段被不均匀地堵塞(这可能是由常规的特征之间相邻层的嵌套而造成的)，那么在元件内可能会出现不均匀的流动。众所周知，不均匀的流动会形成允许生物结垢和水垢沉积的滞流点。
参考图1，在本发明的一个示例性实施例中，相邻特征之间不是均一间隔，而是相邻特征之间的间隔在垂直于元件中的横流的方向上略微变化。这种变化的间隔可以是周期性的，其中所设定的变化的间隔规则地出现，其中较长的周期通常产生较少的嵌套机会。在一些螺旋卷绕元件构型中，优选地，图案重复之前的周期至少为6英寸(6”)，并且更优选地，周期至少为十二英寸(12”)。在一些螺旋卷绕元件构型中，优选地，间隔的变化小于相邻特征之间的平均距离的15％，以便不显著影响穿过元件的流动特性。特征间隔的变化降低了螺旋卷绕元件中的相继层之间图案嵌套的可能性。
参考图2，在本发明的另一示例性实施例中，提供间隔件特征的线段阵列使得它们的角度从相互平行度相对于彼此稍微变化。角度的这种变化可以是周期性的，其中所设定的变化的角度规则地出现，其中较长的周期通常产生较少的嵌套机会。在一些螺旋卷绕元件构型中，优选地，图案重复之前的周期至少为6英寸(6”)，并且更优选地，周期至少为十二英寸(12”)。在一些螺旋卷绕元件构型中，优选地，角度的变化小于整个间隔件特征阵列的平均角度的15％，以便不显著影响穿过元件的流动特性。特征角度方面的变化降低了螺旋卷绕元件中的相继层之间图案嵌套的可能性。
类似地，可以以其他形状(诸如曲线)实践特征或相对角度的变化，或者也可以以周期性变化的角度排列锯齿形图案的特征，以便防止相继层的嵌套。图4中展示了这种变化的实例：图4a是特征之间具有变化的内角的锯齿形图案的图示；图4B是彼此不平行布置的类似锯齿形元件的图示。图4C是特征之间具有变化的曲线形状的曲线特征的图示；图4D是具有相似形状但彼此不平行布置的曲线特征的图示。虽然图4中的特征之间的间隔被展示为一致的，但是类似于图1中的那些特征，这些特征也可以被布置为在特征之间具有变化的间隔。本发明设想了各种这样的特征形状和构型，每种特征形状和构型提供的特征使得在元件被卷起和粘合时，特征至少部分地支撑相邻层上的那些特征。
使用常规挤出网状间隔件的螺旋卷绕元件通常不会有相邻层嵌套的问题，因为网状细丝间隔得如此之近，以至于细丝不允许薄膜或整个膜层、渗透物载体和粘合剂变形并堵塞供给空间。典型地，最大的网状间隔是每英寸八根，对于较大的元件，更常见的是每英寸具有十至十二根，并且对于较小的元件，间隔更密集。因此，直到部署非常规的沉积间隔特征，本发明所解决的问题才变得明显。
参考图3，本发明的进一步的示例性实施例采用压印或沉积特征的图案，这些压印或沉积特征的间隔类似于常规的网状供给间隔件，并且以最小程度地阻碍供给流的图案布置。这些特征可以是规则的形状阵列，诸如圆形或多边形柱、人字形、曲线段或其他形状，并且可以包括彼此偏置的线段阵列，并且被设定为与流体横流的方向成两个不同的角度。这些角度可以相等但方向相反，例如+45°和-45°(图3A)，并且可以是从+/-1°至+/-45°的任何角度(图3A、图3B)。在一些螺旋卷绕元件构型中，优选地，这些特征的任何部分到最近的相邻特征的最大间隔小于或等于四分之一英寸(0.25”)，并且更优选地小于或等于十分之一英寸(0.10”)。在另一实施例中，特征包括偏置的和相对的成角度的线段阵列，其中圆形柱在特征之间隔开(图3C)。这种紧密间隔的特征可能是有利的，因为在其中粘合剂与薄膜接触的卷起过程期间，特征和围绕它们的膜片变得基本上不太容易变形，并且因此可能有利的是，即使当膜片上的其他地方采用不太密集间隔的图案时沿着膜片的施涂有粘合剂的周边具有这些密集间隔的图案以减少对流动的限制。
在每个示例性实施例中，特征可以以连续的方式压印或沉积在膜页片的整个印刷表面上；仅沿膜的入口和出口边缘区段压印或沉积(例如以一至三英寸的宽度)以便支撑施涂有粘合剂的区域；或者仅沿膜的入口和出口边缘区段和端部区段压印或沉积(例如以一至三英寸的宽度)以便支撑所有区域中的施涂有粘合剂的区域。
这些特征可以包括与分离的流体和渗透物载体相容的各种材料，包括但不局限于热塑性塑料、反应性聚合物、蜡、或树脂。附加地，与分离的流体相容但不与到渗透物载体的直接沉积物相容的材料(包括但不局限于高温热塑性塑料、金属、或陶瓷)可以被预成形、铸造、或切割成适当尺寸并且利用与渗透物载体相容的粘合剂粘附到渗透物载体的表面上。
已经结合各个示例性实施例描述了本发明。应当理解，以上描述仅用于说明本发明的原理的应用，本发明的范围将由参照说明书的权利要求来确定。本发明的其他变型和修改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。

Claims (30)

1.一种用于在螺旋卷绕可渗透膜系统中使用的膜，该系统包括膜，该膜在该膜的表面上布置有间隔特征，其中，这些间隔特征被构造成使得当螺旋卷绕时这些间隔特征阻止间隔件嵌套。
2.如权利要求1所述的膜，其中，这些间隔特征被布置成使得当该膜螺旋卷绕时这些间隔特征重叠。
3.如权利要求1所述的膜，其中，这些间隔特征包括多个基本上平行的线段，这些线段按不均匀的间隔距离彼此间隔开。
4.如权利要求3所述的膜，其中，该多个线段的第一子集按不均匀的间隔距离彼此间隔开，从而形成图案，并且其中，该多个线段的其他子集包括该图案的重复。
5.如权利要求4所述的膜，其中，该第一子集在从第一个线段到最后一个线段测量的至少6英寸上延伸。
6.如权利要求5所述的膜，其中，该第一子集在从第一个线段到最后一个线段测量的至少12英寸上延伸。
7.如权利要求4所述的膜，其中，间隔的变化小于相邻间隔特征之间的平均距离的15％。
8.如权利要求1所述的膜，其中，这些间隔特征包括彼此间隔开并且以不均匀的角度彼此不平行地定向的多个线段。
9.如权利要求8所述的膜，其中，该多个线段的第一子集相对于彼此以不均匀的角度定向，从而形成图案，并且其中，该多个线段的其他子集包括该图案的重复。
10.如权利要求9所述的膜，其中，该图案延伸达从第一个线段到最后一个线段测量的至少6英寸。
11.如权利要求10所述的膜，其中，该图案延伸达从第一个线段到最后一个线段测量的至少12英寸。
12.如权利要求9所述的膜，其中，角度的变化小于这些特征相对于该图案的平均角度的15％。
13.如权利要求1所述的膜，其中，这些间隔特征包括彼此平行且在该表面上被布置成第一网格的第一多个线段、以及彼此平行且在该表面上被布置成第二网格的第二多个线段，其中，该第一多个线段中的线段不与该第二多个线段中的线段相交，并且其中，该第一多个线段中的线段与该第二多个线段中的线段布置成除了零度的角度。
14.如权利要求13所述的膜，其中，该角度至少为1度，但不超过45度。
15.如权利要求14所述的膜，其中，该角度是45度。
16.如权利要求13所述的膜，其中，该第一多个线段中的每个间隔特征与该第一多个线段中的相邻间隔特征分开不超过四分之一英寸。
17.如权利要求16所述的膜，其中，该第一多个线段中的每个间隔特征与该第一多个线段中的相邻间隔特征分开不超过十分之一英寸。
18.如权利要求1所述的膜，其中，这些间隔特征包括多个曲线段，这些曲线段按如沿着横穿这些间隔特征的至少一条路径所确定的经测量的不均匀的间隔距离彼此间隔开。
19.如权利要求1所述的膜，其中，这些间隔特征被构造成使得在该膜被制造成该可渗透膜系统时，这些间隔特征至少部分地支撑相邻层上的那些间隔特征。
20.如权利要求1所述的膜，其中，这些间隔特征邻近该膜的边缘布置。
21.如权利要求1所述的膜，其中，这些间隔特征被布置在该膜的整个表面上。
22.如权利要求21所述的膜，其中，这些间隔特征在该膜的边缘附近比在该膜远离这些边缘的部分中更紧密地间隔。
23.如权利要求22所述的膜，其中，该膜的边缘被限定为该膜的边缘的三英寸内的区域。
24.如权利要求23所述的膜，其中，该膜的边缘被限定为该膜的边缘的一英寸内的区域。
25.如权利要求1所述的膜，其中，这些间隔特征由热塑性塑料、反应性聚合物、蜡、或树脂中的一种或多种制成；直接沉积到该膜表面上。
26.如权利要求1所述的膜，其中，这些间隔特征由高温热塑性塑料、金属、或陶瓷中的一种或多种制成；与该膜表面隔开形成，并且然后粘附到该膜表面上。
27.一种可渗透膜系统，包括如权利要求1至26中任一项所述的膜。
28.一种水处理设备，包括一个或多个如权利要求27所述的可渗透膜系统。
29.一种处理水的方法，该方法包括提供如权利要求27所述的可渗透膜系统，并使待处理的水穿过该可渗透膜系统。
30.一种制造可渗透膜系统的方法，该方法包括提供如权利要求1至26中任一项所述的膜、以及螺旋卷绕该膜。
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