CN118922241A - 产生增强的能力的螺旋元件构造 - Google Patents

Abstract

印刷间隔膜元件提供了在膜表面上施加任何图案以充当供给间隔材料的独特优点。这与在整个网上厚度和密度均匀的常规供给间隔网状材料形成对比。可以利用较开放的供给空间，从而实现供给空间中的膜片之间的较紧密的间距，这允许较多膜片围绕膜元件缠绕——从而引起较大渗透物流量，同时减少从元件的供给端到截留端的压力损失。与现有技术中的常规供给间隔网状元件相比，印刷间隔件的独特设计特征显著地改进了膜元件的性能。

Description

产生增强的能力的螺旋元件构造

技术领域

本主题发明涉及一种用于流体组分分离的膜系统，具体地涉及螺旋卷绕膜元件。

背景技术

在错流过滤中，供给流体流动穿过螺旋卷绕过滤器并且在另一端处释放，而流体的某一部分通过穿过平行于流体流动方向的膜表面的过滤而移除。存在各种形式的错流过滤，包括板框系统、匣式系统、中空纤维系统或螺旋卷绕系统。板框过滤模块、匣式过滤模块和螺旋卷绕过滤模块通常依赖于堆叠的膜层，这些膜层在相邻过滤膜层之间提供间距，并且本发明适用于这种系统。

螺旋卷绕膜过滤元件在本领域中是众所周知的，由叠层结构组成，该叠层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密封的膜片，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相对于中心管的轴线纵向地移除的路径，同时这个叠层结构围绕该中心管螺旋地缠绕并且通过多孔供给间隔件与自身隔开，从而允许流体从该元件的供给端到截留(reject)端轴向流动穿过该元件。传统上，使用供给间隔网以允许给水流动到螺旋卷绕元件中，并且允许废水沿平行于中心管并且关于元件构造为轴向的方向离开元件，给水的某一部分将穿过膜。

对螺旋卷绕元件的设计的改进已经在Barger等人的美国专利6,632,357、Bradford等人的美国专利7,311,831以及Herrington等人在澳大利亚(2014223490)、日本(6499089)、中国(CN105163834B)、以色列(240883)和韩国(10-2196776)的名为“ImprovedSpiral Wound Element Construction[改进的螺旋卷绕元件构造]”的专利中进行了披露，这些改进用岛状物或突起物来代替供给间隔件，这些岛状物或突起物直接印刷、沉积或压印到膜的内侧或外侧表面上或渗透物载体上。Roderick等人的名为“Graded spacers forfiltration wound elements[用于过滤卷绕元件的分级间隔件]”的美国专利11,090,612描述了用于改变螺旋卷绕元件中的供给流动特性的高度分级间隔特征的使用。Roderick等人的名为“Interference Patterns for Spiral Wound Elements[用于螺旋卷绕元件的干涉图案]”的美国专利申请PCT/US17/62424描述了螺旋卷绕元件中的图案，这些图案保持膜供给空间开放，但也在卷曲期间为膜包封胶区域提供支撑。Roderick等人的名为“BridgeSupport and Reduced Feed Spacers for Spiral-Wound Elements[用于螺旋卷绕元件的桥支撑件和减少的供给间隔件]”的美国专利申请PCT/US18/55671描述了支撑特征，这些支撑特征应用于膜包封的远端(离中心管最远的端部)以在螺旋卷绕元件的胶合和卷曲期间提供支撑。Herrington等人的名为“Variable Velocity Patterns in Cross FlowFiltration[错流过滤中的可变速度图案]”的美国临时申请号63,051,738描述了支撑图案，这些支撑图案在平行于中心管的供给流动路径中从膜供给空间的供给端到截留端在大小上变化，以便随着供给溶液的浓度从螺旋卷绕元件的供给端到截留端增大而控制供给溶液的速度。Roderick等人的名为“Non-Nesting,Non-Deforming Patterns in SpiralWound Elements[螺旋卷绕元件中的不嵌套、不变形图案]”的美国专利11,083,997描述了在膜供给空间的供给端和截留端中较密集的图案以及在中间较开放的图案，以便避免在元件制造期间印刷图案在粘合线处嵌套。

发明内容

本发明描述了一种制造螺旋卷绕膜元件的新颖方法，与使用常规网状供给间隔件的现有技术中可用的元件相比，这些螺旋卷绕膜元件提供增大的渗透物流量，同时减少能量消耗。

本发明的实施例提供了一种螺旋卷绕元件，该螺旋卷绕元件包括一个或多个膜片，每个膜片在折叠线处自身折叠，从而提供面向彼此的第一膜半部和第二膜半部，其中，每个折叠膜片在折叠线靠近中心管的情况下围绕中心管螺旋卷绕，并且第一膜半部相对于第二膜半部形成内卷，每个膜片具有设置在第一半部和第二半部中的至少一个的表面上的多个间隔特征，其中，在折叠线靠近中心管的情况下，从折叠线到第一间隔特征的距离大于或等于中心管的直径除以膜片的数量。

在一些实施例中，间隔特征设置在第一膜半部上而不设置在第二膜半部上。在一些实施例中，间隔特征设置在第二膜半部上而不设置在第一膜半部上。一些实施例进一步包括在每对相邻折叠膜片之间的可渗透渗透物载体，其中，渗透物载体被安装成与折叠膜片的非作用侧相邻。在螺旋卷绕元件中可以存在一个或多个折叠膜片。

在一些实施例中，元件中的膜的面堆积密度大于33in2/in3。在一些实施例中，元件中的膜的面堆积密度大于35in2/in3。在一些实施例中，元件中的膜的面堆积密度大于39in2/in3。在一些实施例中，元件中的膜的面堆积密度大于41in2/in3。在一些实施例中，元件中的膜的面堆积密度大于43in2/in3。

在一些实施例中，间隔特征具有在对应膜上方延伸的高度，其中，靠近折叠线的间隔特征的高度小于远离折叠线的间隔特征的高度。在一些实施例中，与折叠线相距大于中心管的半径的间隔特征具有恒定的高度，并且比中心管的直径靠近折叠线的间隔特征具有随着距折叠线的距离而增大的高度。在一些实施例中，与折叠线相距大于中心管的直径的间隔特征具有恒定的高度，并且比中心管的直径靠近折叠线的间隔特征具有随着距折叠线的距离而增大的高度。在一些实施例中，与折叠线相距大于中心管的周长的间隔特征具有恒定的高度，并且比中心管的直径靠近折叠线的间隔特征具有随着距折叠线的距离而增大的高度。

在一些实施例中，间隔特征占据膜半部之间的体积不到7％。在一些实施例中，间隔特征占据膜半部之间的体积不到5％。在一些实施例中，间隔特征占据膜半部之间的体积不到2％。在一些实施例中，间隔特征占据间隔特征沉积在其上的膜的面积不到7％。在一些实施例中，间隔特征占据间隔特征沉积在其上的膜的面积不到5％。在一些实施例中，间隔特征占据间隔特征沉积在其上的膜的面积不到2％。

本发明的实施例提供了一种组件，该组件包括(a)多个折叠膜，每个折叠膜包括膜片，该膜片具有作用表面以及与作用表面相反的非作用表面，膜片在作用表面面向彼此的情况下沿着折叠线对半折叠，其中，膜片上设置了多个间隔特征，距该折叠线小于0.1英寸的区域不具有间隔特征；(b)多个可渗透渗透物载体片；(c)中心管；(d)其中，渗透物载体片围绕中心管螺旋卷绕并且在折叠膜处于每对渗透物载体片之间的情况下焊接在一起。

在一些实施例中，渗透物载体片在每个相继的渗透物载体片的前缘与前一渗透物载体片的前缘分开不超过中心管的周长除以渗透物载体片的数量的情况下焊接在一起。在一些实施例中，第二渗透物载体片在至少为中心管的周长的距离处焊接到第一渗透物载体片，并且第三渗透物载体片在不超过中心管的周长除以渗透物载体片的数量的距离处焊接到第二渗透物载体片。

本发明的实施例提供了一种螺旋卷绕流体处理元件，该螺旋卷绕流体处理元件包括：(a)收集管；(b)一个或多个膜片，每个膜片具有适合于接触要处理的流体的第一表面以及与第一表面相反的第二表面，膜片围绕收集管螺旋卷绕；(c)设置在每个膜片的第一表面的第一半部上的多个间隔特征，其中，每个间隔特征具有垂直于收集管的轴线的截面，该截面具有第一端和第二端并且从第一端延伸到第二端，其中，第一端比第二端宽。

在一些实施例中，间隔元件的第一端与对应膜片的第一半部接触，并且其中，膜片的第一半部的第一表面背向收集管。在一些实施例中，间隔元件的第一端与对应膜片的第一半部接触，并且其中，膜片的第一半部的第一表面面向收集管。

在一些实施例中，第二端宽度与第一端宽度的比值小于0.98。在一些实施例中，第二端宽度与第一端宽度的比值小于0.95。在一些实施例中，第二端宽度与第一端宽度的比值小于0.85。在一些实施例中，间隔元件包括热塑性塑料、反应性聚合物、蜡或树脂中的一种或多种。

本发明的实施例提供了一种螺旋卷绕流体处理元件，该螺旋卷绕流体处理元件包括：(a)收集管；(b)多个膜片，每个膜片具有作用表面以及与作用表面相反的非作用表面，其中，每个膜片沿着折叠线折叠，使得作用表面面向彼此，并且其中，每个膜片被设置成折叠线靠近收集管；(c)其中，每个膜片在其作用表面上设置了多个间隔特征，其中，每个间隔特征具有垂直于收集管的轴线的截面，该截面具有第一端和第二端并且从第一端延伸到第二端，其中，第一端比第二端宽。

本发明的实施例提供了一种螺旋卷绕元件，该螺旋卷绕元件包括设置在膜上的印刷特征，其中，膜表面处的特征的宽度R不同于特征的在特征的顶部处的宽度S，其中S<R并且膜片被定向成使得对于给定特征，宽度R的位置比宽度S的位置远离中心管。

在一些实施例中，间隔特征从对应膜延伸0.003”到0.050”的距离。

附图说明

图1是螺旋卷绕膜元件的分解视图。

图2是部分组装的螺旋卷绕膜元件的分解视图。

图3是螺旋卷绕元件在多个膜片围绕中心管卷曲之前的端视图。

图4是示出了具有相同高度供给通道的现有技术的网状元件和印刷间隔元件的单位截面面积的两个视图。

图5是示出了现有技术的网状元件和具有较短高度供给通道的薄印刷间隔元件的有效流动截面的两个视图。

图6是印刷膜片的视图，该膜片在膜片的入口区域和出口区域上具有密集的胶支持线，并且在中心具有较不密集的区域。

图7A和图7B是中心管的两个视图，其中在中心管(7A)中具有较不密集的孔图案并且在中心管(7B)中具有较密集的孔图案。

图8是两个膜叶通过梯形供给间隔元件围绕中心管卷曲的端视图。

图9是两个膜叶通过梯形供给间隔元件围绕中心管卷曲的端视图。

具体实施方式

需要螺旋卷绕过滤元件中的供给间隔件来维持供流体从供给通道的供给端流动到截留端的通道，但是间隔件设计还影响从该元件的供给端到截留端的压差损失、局部流速、湍流、停滞区以及其他流体流动条件。挤出的网状供给间隔件传统上已经用于膜制造中，但是根据其设计的性质，它们的许多流体动力学特性取决于间隔件的厚度。常规网状间隔件还在从中心管的远端一直到中心管附近的膜片的近端的供给空间中提供均匀的支撑特性。印刷的供给间隔件实现了无法通过常规的挤出或织造的网状间隔件获得的独特的设计特性。印刷间隔件的厚度和几何形状可以独立地改变以产生宽范围的构型，这些构型可以针对螺旋卷绕膜元件应用中发现的具体应用或具体挑战来定制。印刷间隔件技术的关键特征之一是供给通道的开放架构。常规网状间隔件由两层桁条组成，这些桁条彼此十字交叉并且在这两个桁条的相交处焊接或结合以向网提供结构。就其本身性质而言，所有流体必须经过桁条中的一个，围绕该桁条，并且返回到相对桁条。贯穿供给空间延伸的网状桁条即使不垂直于流动路径，也会对流动通道的高度产生固有限制。印刷供给间隔件没有固有限制。印刷间隔件上的通道高度可以是常规网状间隔件的高度的一半，从而提供与网状间隔件相同的质量流动特性和相同的供给到截留的压降。40英寸长的元件中的常规网状间隔件典型地在26至32密耳(.026至.032英寸)的范围内，但是对于独特的应用可以更高或更低。印刷间隔件技术允许间隔件高度低得多，典型地15至20密耳(.015至.020英寸)，并且提供与40”长的元件中的网状间隔件相同的质量流动特性以及相等的供给到截留的压降。在12”长或更短的元件中，间隔高度可以低至.003”，但典型地.006”至.008”高。通常表示为优点的网状间隔件的主要特性之一是网在流动流中产生了显著的混合，这有助于降低浓度极化。浓度极化是当流体分子穿过膜并且增大膜表面处总溶解固体(TDS)的浓度时，流体流中的离子在膜表面处堆积的趋势，并且由此增大驱动流体分子穿过膜表面所需的渗透压。浓度极化的其他缺点是转移穿过膜表面的TDS的增加，因此降低了产物水的质量(另外被称为截留损失)。浓度极化在高TDS水(如海水)中可以具有更明显的效果，其中，渗透压的增大由于在元件的截留端处的较高TDS而较显著。对于淡水，高截留典型地不是那么重要的。然而，在一些工业应用(比如半导体加工)中，即使在低TDS应用中，高截留也是令人期望的。对于含有微溶性物质的水，系统回收和极化的组合效应还可能导致在元件的截留端或在多元件压力容器中的最后一个元件处沉淀。这些特性可能限制反渗透系统的回收。在任何情况下，印刷间隔件技术都可以具有多种多样的印刷特征，以产生使浓度极化最小化所需的混合。

错流过滤就其性质来说依赖于供给流体的某一部分穿过过滤器并且成为滤出物的一部分，因此产生了供给流体的量随着供给流体穿过过滤器而不断减少的情形。所产生的滤出物的部分越高，保持流动穿过过滤器的供给/浓缩物流体的部分越低。当流体流动穿过该元件时，该流体的一部分穿过该膜。简单地建模，当供给溶液从元件中的供给空间的供给端到截留端流动时，通过膜的恒定通量产生逐渐减小的供给溶液流量。实际上，沿着供给流动路径穿过任何位置的流体的量取决于局部流动条件和溶质或悬浮材料的局部浓度，以及局部压力，该局部压力也取决于供给空间中的任何背压以及局部来自元件的渗透物侧的背压。

印刷间隔件技术的重要优点是可以产生较开放的供给间隔通道。本发明提供了一种手段，用于最大化渗透物流量、增大回收率或减少从元件的供给端到截留端的压差损失、减少结垢形成潜力、简化清洁方案、或所有这些益处的组合。

所采用的供给成形特征可以具有多种形状中的任一种，包括圆点、卵形、具有倒圆端的条、双凸形式、拉伸多边形、圆弧、线或其他几何形状。由于这些特征的形状以及流体必须围绕这些特征的外部横穿的事实，流体流速将从膜元件的供给端到截留端在供给间隔特征之间的区域中局部改变。

图1是卷曲之前的常规螺旋卷绕膜元件的示意图，示出了常规螺旋卷绕膜元件100的重要元件。渗透物收集管12在收集管12中具有孔14，在这些孔中从渗透物载体22收集渗透物流体。在制造中，膜片36是在中心线30处折叠的单个连续片，包括在一个面28上的非作用多孔支撑层，例如聚酯、聚砜或其组合，以及结合或铸造到支撑层上的作用聚合物膜表面24。在组装元件中，当围绕渗透物收集管12卷曲时，作用聚合物膜表面24与供给间隔网26相邻，并且非作用支撑层28与渗透物载体22相邻。在优选实施例中，供给间隔网26被作用聚合物膜表面24上或替代地非作用支撑层28上的印刷特征代替，以在作用聚合物膜表面28上产生压印特征。供给溶液16进入作用聚合物膜表面24之间并流动穿过供给间隔网26中的开放空间。当供给溶液16流动穿过供给间隔网26时，被膜排除的颗粒、离子或化学物质在作用聚合物膜表面24处被截留，并且渗透物流体的分子(例如，水分子)穿过作用聚合物膜表面24并且进入多孔渗透物载体22。当供给溶液16沿着作用聚合物膜表面24通过时，被膜排除的材料的浓度由于本体供给溶液16中渗透物流体的损失而增大，并且此浓缩流体作为截留溶液18离开作用聚合物膜片24的截留端。渗透物载体22中的渗透物流体在中心管12的方向上从渗透物载体22的远端34流动，其中，渗透物流体穿过中心管入口孔14进入中心管12并作为渗透物溶液20离开中心管12。为了避免渗透物流体被供给溶液16污染，非作用聚合物膜层28穿过渗透物载体22用粘合剂沿着粘合线32密封，由此产生密封的膜包封，其中渗透物溶液20的唯一离开路径是穿过中心管12。典型地，在卷曲过程期间粘合剂已经被压缩之后，粘合线32的宽度是1”至3”。

在现有技术中，图2中示出了部分组装的螺旋卷绕膜元件200。如结合图1所描述，膜包封40包括膜片36，该膜片在渗透物载体22设置在膜片之间并沿边缘用合适的粘合线32(图1)密封的情况下在一端折叠。在膜元件一旦卷曲的常规设计中，供给间隔网26放置成与包封40相邻，以允许供给流体16流在膜包封40层之间流动，并将膜片的所有作用聚合物表面24向供给流体暴露。渗透物或产物流体被收集在膜包封40内部的渗透物载体22中并且螺旋向下行进到中心管12，在该中心管处，产物或渗透物流体20被收集，而截留流18离开该元件。单个螺旋卷绕元件可以包括单个膜包封和供给间隔层，或者可以包括堆叠并卷曲在一起以形成元件的多个膜包封和供给间隔层。对于多个膜片元件，渗透物载体组件(Trico包装)由多个渗透物载体片组成，这些渗透物载体片以偏移距离超声(或以其他方式)焊接在一起，该偏移距离典型地是中心管周长的距离除以元件中的叶片数量。第一渗透物载体片典型地较长，使得它可以围绕中心管缠绕一次或两次，以便产生供来自所有叶片的渗透物进入中心管中的孔的容积，而不在单独渗透物叶片中引起不适当的背压。

图3描绘了施加到膜片36的作用聚合物表面24的印刷间隔件50的重要优点。印刷间隔件50可以印刷在常规网26的高度的50％或更小的高度处(图2)。因为使用印刷间隔件50的膜包封40(图2)的厚度显著小于常规网26的厚度，所以膜包封40(图2)的更多层可以围绕中心管12缠绕，以获得由常规网26构成的膜元件200的相等外直径。在实践中，膜包封40中的每一个都应当始于折叠线30(图1)，其中渗透物载体22已经在附接点23处附接到中心管12。包括供给间隔件的厚度的膜包封40的厚度确定了中心管12周围每层的总厚度。这个总厚度进而确定了渗透物载体22可以附接到中心管12的最小间隔X，假设所有膜叶都从中心管开始，并且当它们在第一层上围绕中心管缠绕时，不在其他叶片的顶部上分层。在40英寸(1016mm)长且8英寸(203.2mm)直径的元件中，中心管12典型地具有1.5英寸(39.1mm)的外直径，但可以更小或更大。当然，中心管12的直径越大，在外直径超过8英寸(203.2mm)之前，可以围绕中心管12缠绕的膜就越少。中心管12的周长由πD给出，其中D是中心管12的外直径。在1.5英寸(39.2mm)中心管的情况下，周长为4.71英寸(119.6mm)。在实践中，对于细的网状供给间隔件，约25个膜包封40可以围绕中心管12缠绕。使用常规制造技术的供给间隔网26典型地具有低至.028英寸(.71mm)的厚度，并且由于膜元件中供给到截留的供给压力损失而被限制在此最小厚度。这意味着间距间隔X的距离为4.71英寸除以25个叶片或.188英寸(4.79mm)。对于高度为.017英寸(.43mm)的印刷间隔件50，在达到8英寸(203.2mm)的外直径之前，可以在常规网状间隔元件的相等叶片长度下使用多达35个膜片。这导致膜表面积增大40％(渗透物流量增大40％)但具有与网状元件相等的供给到截留的压力损失。在1.5英寸(39.2mm)的中心管上使用35个叶片，间隔距离X可以小至.135英寸(3.43mm)。本文的说明和描述假设渗透物载体直接附接到中心管。在一些实施例中，一层渗透物载体材料围绕中心管缠绕，作为独立元件或作为渗透物载体之一的延伸部。出于本讨论的目的，这种缠绕物被认为是中心管的一部分。

对于4”(101.6mm)的元件，中心管的外直径典型地为.84英寸(21.34mm)。具有网状间隔件的4英寸直径的元件典型地具有5个膜叶。典型的4”直径元件的中心管的外直径为.84英寸，周长为2.64英寸(67mm)。围绕中心管的渗透物载体叶片之间的间距是.528英寸(13.41mm)。对于印刷间隔元件，7个叶片可以围绕中心管缠绕，以获得相等长度的膜片。这导致渗透物载体间距在中心管处片对片为.377英寸(9.58mm)。

为了经济和易于制造，使用网状间隔件的1.8英寸(45.7mm)直径×12英寸(304.8mm)长的家用元件典型地只具有一个叶片。因为元件只有12英寸长，所以网厚度可以比40英寸长的元件薄得多，因为供给到截留的压差损失是短得多的距离。然而，在任何情况下，印刷间隔件供给空间高度可以是网状间隔件的高度的一半，并且与网状元件中的一个叶片相比，可以使用两个或更多个叶片。12英寸的元件中心管的典型直径是.67英寸(17mm)，或周长是2.1英寸(53.46mm)。有时，在网状元件上使用较短的叶片，并且接着将两个叶片围绕中心管缠绕。很少使用三个叶片。对于两个叶片和.67英寸的直径的中心管，渗透物载体间距是1.05英寸。针对相同的供给到截留的压降，印刷间隔元件可以具有较多叶片，因此渗透物载体与中心管的间距可以小于1.05英寸。三英寸直径×12英寸长的元件也受到欢迎，因为它们可以具有大得多的渗透物流量，并且可能消除家庭系统中对压力罐的需要。在任何情况下，中心管上的渗透物间距X针对相等印刷间隔元件是网状间隔元件的距离的一半。

为了防止膜片被迫离开附接点23，优选具有窄的总宽度。特别地，优选的是，从折痕到第一印刷特征的距离V大于渗透物载体间距X。这具有在卷曲过程中将叶片保持在位的效果，从而防止在插入点处形成泄漏。由于从折痕到第一印刷特征的距离由于较低的通道高度而具有改变的混合特性，因此期望此距离小于4”，并且更优选小于3”，并且更优选小于2”，甚至更优选小于1”。

总之，对于40英寸长的元件，可以使用多百分之四十的膜叶，这意味着间距可以比网型元件小了约30％(5个叶片对7个叶片＝.71)，并且在12英寸长的元件中叶片的数量是两倍，或间距小了50％(1个叶片对2个叶片＝.5)。当然，存在间隔件宽度、叶片数量、元件长度以及允许的供给到截留的压降的许多组合。然而，在每种情况下，针对相等的供给到截留的压力损失，与网型元件相比，印刷间隔件的间隔高度可以较短，并且叶片的数量较大。

图4A和图4B示出了印刷间隔件技术的关键优点之一。图4A表示宽度为Y的供给通道的视图，该供给通道在供给空间中具有网状间隔件26。网状间隔件26包括彼此垂直对准的桁条26a和26b。实际上，桁条26a和26b可以彼此成小于90度的非法向角。并且，网状间隔件26将具有与流动路径成45度定向的桁条。然而，图4A示出了桁条26a的有效堵塞，从而允许流52a被阻塞达流动路径宽度(供给通道宽度Y)的一半。印刷间隔件50允许流体52b在供给通道高度Y的整个高度中流动。显然，这是大得多的截面面积的流动路径，该流动路径提供了较小的流动阻力和从元件100的供给端到截留端的较低的压降(图1)。图5A和图5B表示网状间隔件中的真实有效流52a以及在高度减小的印刷供给间隔元件中的流52c。两个元件中的流动截面面积实际上是相同的。已经使用工业标准40英寸长×4英寸直径的膜元件(即具有常规的28密耳供给间隔网的4040个元件)进行了测试。相比之下，还对13密耳印刷间隔元件进行流动测试以确定从元件的供给端到截留端的压降。在这些测试中没有收集针对通量和截留的性能数据。测试的目的是证明印刷间隔件针对较低压差的显著优点。流动速率从4加仑/分钟(GPM)以2GPM的增量测试直到18GPM，并且测量从元件的供给端到截留端的压差。即使印刷间隔件供给通道高度(13密耳)小于网状间隔元件高度(28密耳)的一半，在印刷间隔元件中，从元件的供给端到截留端的压差较低。

表1

此外，作为供给流量的函数的压差最好被描述为幂律，其中，

压差＝a*供给流量^b

其中，b对于网状元件为约1.4，而对于印刷元件为1。这提供了显著较低的能量损失，其中随着供给流率增大，节省增大。本发明的螺旋卷绕元件优选具有小于1.35、更优选小于1.2、甚至更优选小于1.1并且甚至更优选约1的指数b。

使用13密耳的印刷间隔件高度，可以将多40％的膜面积构建到40”长的元件中。4”直径的28密耳的网状间隔元件包括围绕中心管缠绕的5个叶片，以获得刚好小于4英寸的最终外直径。在13密耳高度的印刷间隔元件中，相同长度的7个叶片可以围绕中心管缠绕，并且仍保持刚好小于4英寸的直径。在网状元件和印刷间隔元件两者中使用相同的膜片材料，在相同操作条件下，印刷间隔元件中的附加膜材料表面积提供多40％的渗透物流量。实际上，由于以下事实，多40％的表面积是上限：印刷间隔特征50直接印刷到膜片36上并且阻挡3％左右的作用表面积。即使如此，相比具有相同的供给到截留的压降的网状间隔元件，在40英寸长的印刷间隔元件中可以使用多37％平方英尺的作用膜面积。这可以被描述为膜元件的面堆积密度[元件的作用面积(in2)/体积(in3)]。使用网状间隔件的常规元件具有高达31in2/in3的面堆积密度。本发明的示例螺旋卷绕元件能够实现大于33in2/in3、并且大于35in2/in3、并且甚至更优选大于39in2/in3、并且大于41in2/in3并且大于43in2/in3的面堆积密度。

图6是示出了印刷作用膜表面24的入口和出口上的较高密度边缘图案46的视图。这种较高密度边缘图案46是优选的，以便支撑膜元件的边缘，因为当粘合剂被迫流动穿过渗透物载体22(图1)时，胶线32(图1)推靠在膜片28的背侧(图1)上，以在卷曲期间使粘合剂与膜片28(图1)的相反非作用表面接触。入口和出口边缘图案46的宽度W具有由粘合剂制造技术、粘合剂的粘度和其他因素确定的宽度W。在使用手动胶合和卷曲技术的40英寸长的元件中，边缘图案46的宽度W典型地为3英寸至3.5英寸(76mm至89mm)。W的长度需要足够宽以向胶线提供压力并且通过图案化区域发生元件修整，但是这个区域导致较大的作用面积损失并且导致从元件的供给端到截留端的压降增大，并且因此W应该被最小化。使用自动化卷曲和胶合技术，在印刷时(切割前)边缘图案46的宽度W可以最小化到2.0英寸(50.4mm)、但更优选1.5英寸(38.1mm)的宽度。

图7A和图7B是中心管12的视图，该中心管具有孔14，这些孔提供来自渗透物载体22(图1)的流体流动。利用较短高度的印刷间隔特征50(图3)，较多的膜包封40(图2)可以与由常规网状间隔件26(图1)构成的任何相等外直径的元件一起使用。当较多渗透物流动到中心管12时，孔14的直径必须较大，或者孔必须间隔得更近，以便容纳附加的渗透物流量而不增大渗透物流载体22中的背压。对于12英寸长的元件，多达两倍多的薄膜包封40可以围绕中心管缠绕。因此，在12长的元件的情况下，间距密度必须增大两比一，以便避免渗透物载体22中的背压问题。对于40英寸长的元件，多40％的叶片可以围绕中心管12缠绕。在这种情况下，与常规网状制造元件中心管中的孔的数量和/或大小(直径)相比，孔14的数量必须增加40％，或者孔14的截面面积必须增加40％。这对于高流量超过滤器(UF)和微过滤器(MF)螺旋卷绕元件是特别重要的。

图8示出了本发明的如下实施例：在该实施例中，从螺旋卷绕元件100(图1)的供给端16(图1)到截留端18(图1)的流动路径由于间隔特征50的形状而使流动路径最大化。例如，当印刷膜36在间隔特征50施加到膜36的情况下围绕中心管12缠绕时，间隔特征50可以例如形成为梯形形状或具有特征50的不同宽度的其他形状，其中S在顶部较窄，而其中特征与膜接触的底部为R。这对于边缘特征46(图6)特别重要，其中当流体通过时，流动路径较窄且较长，这有助于较大压差。当膜36围绕中心管12缠绕时，梯形的顶部靠近在一起，使得间隔特征50的侧面形成平行的壁P，从而为流体进入或离开螺旋卷绕元件100(图1)提供较开放的供给流动路径。作为卷曲之后的平行壁的替代方案，间隔特征50和边缘特征46(图6)的侧壁可以不是平行的，但是可以形成大于零度的圆弧，使得供给间隔件路径比仅具有平行壁的路径开放。较开放的流动路径的净结果是从元件的供给端到截留端的压力损失较小，由此在膜过滤过程中节省了能量。为了改进流动通道压差特性，已经发现，折叠膜片28可以被定向，其方式使得对于给定特征50，该特征的由宽度S描述的位置比其在组装的螺旋卷绕元件中的R描述的特征的侧面靠近中心管。

已经结合不同示例性实施例描述了本发明。应当理解的是，以上描述仅仅是对本发明原理的应用的说明，本发明的范围将由根据说明书所考虑的权利要求来决定。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 (22)

1.一种螺旋卷绕元件，该螺旋卷绕元件包括两个或更多个膜片，每个膜片在折叠线处自身折叠，从而提供面向彼此的第一膜半部和第二膜半部，其中，每个折叠膜片在该折叠线靠近该中心管的情况下围绕该中心管螺旋卷绕，并且该第一膜半部相对于该第二膜半部形成内卷，每个膜片具有设置在该第一半部和该第二半部中的至少一个的表面上的多个间隔特征，其中，在折叠线靠近该中心管的情况下，从该折叠线到第一间隔特征的距离大于或等于该中心管的直径除以膜片的数量。

2.如权利要求1所述的元件，其中，这些间隔特征设置在该第一膜半部上而不设置在该第二膜半部上。

3.如权利要求1所述的元件，其中，这些间隔特征设置在该第二膜半部上而不设置在该第一膜半部上。

4.如权利要求1所述的元件，进一步包括在每对相邻折叠膜片之间的可渗透渗透物载体。

5.如权利要求1所述的元件，其中，该膜片的面堆积密度大于33in2/in3。

6.如权利要求5所述的元件，其中，该膜片的面堆积密度大于35in2/in3。

7.如权利要求6所述的元件，其中，该膜片的面堆积密度大于39in2/in3。

8.如权利要求7所述的元件，其中，该膜片的面堆积密度大于41in2/in3。

9.如权利要求8所述的元件，其中，该膜片的面堆积密度大于43in2/in3。

10.如权利要求1所述的元件，其中，这些间隔特征具有在对应膜上方延伸的高度，其中，靠近该折叠线的间隔特征的高度小于远离该折叠线的间隔特征的高度。

11.如权利要求1所述的元件，其中，与该折叠线相距大于该中心管的直径的这些间隔特征具有恒定的高度，并且比该中心管的直径靠近该折叠线的间隔特征具有随着距该折叠线的距离而增大的高度。

12.如权利要求11所述的元件，其中，与该折叠线相距大于该中心管的周长的这些间隔特征具有恒定的高度，并且比该中心管的直径靠近该折叠线的间隔特征具有随着距该折叠线的距离而增大的高度。

13.如权利要求11所述的元件，其中，与该折叠线相距大于该元件的直径的这些间隔特征具有恒定的高度，并且比该元件的直径靠近该折叠线的间隔特征具有随着距该折叠线的距离而增大的高度。

14.如权利要求1所述的元件，其中，这些间隔特征占据这些膜半部之间的体积不到7％。

15.如权利要求14所述的元件，其中，这些间隔特征占据这些膜半部之间的体积不到5％。

16.如权利要求14所述的元件，其中，这些间隔特征占据这些膜半部之间的体积不到2％。

17.如权利要求1所述的元件，其中，这些间隔特征占据这些间隔特征沉积在其上的膜的面积不到7％。

18.如权利要求17所述的元件，其中，这些间隔特征占据这些间隔特征沉积在其上的膜的面积不到5％。

19.如权利要求18所述的元件，其中，这些间隔特征占据这些间隔特征沉积在其上的膜的面积不到2％。

20.一种组件，包括：

(a)多个折叠膜，每个折叠膜包括膜片，该膜片具有作用表面以及与该作用表面相反的非作用表面，该膜片在这些作用表面面向彼此的情况下沿着折叠线对半折叠，其中，该膜片上设置了多个间隔特征，距该折叠线小于0.1英寸的区域不具有间隔特征；

(b)多个可渗透渗透物载体片；

(c)中心管；

(d)其中，这些渗透物载体片围绕该中心管螺旋卷绕并且在折叠膜处于每对渗透物载体片之间的情况下焊接在一起。

21.如权利要求20所述的组件，其中，这些渗透物载体片在每个相继的渗透物载体片的前缘与前一渗透物载体片的前缘分开不超过该中心管的周长除以渗透物载体片的数量的情况下焊接在一起。

22.如权利要求20所述的组件，其中，第二渗透物载体片在至少为该中心管的周长的距离处焊接到第一渗透物载体片，并且第三渗透物载体片在不超过该中心管的周长除以渗透物载体片的数量的距离处焊接到这些第二渗透物载体片。