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CN107155311A - 用于通过切向流进行分离且具有内置流动障碍部的元件及制造方法 - Google Patents

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CN107155311A CN201580043489.3A CN201580043489A CN107155311A CN 107155311 A CN107155311 A CN 107155311A CN 201580043489 A CN201580043489 A CN 201580043489A CN 107155311 A CN107155311 A CN 107155311A
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Abstract

本发明涉及一种用于通过切向流分离待处理的流体介质的单体式元件。所述元件包括具有三维结构的刚性且多孔的直线形支撑体(2)，该支撑体内部设有至少一个通道(3)以允许待处理的流体介质流动，以便在该支撑体的外周面上回收滤液。该刚性且多孔的单体式支撑体(2)包括从通道的内壁突出的多个障碍部(9)以影响待过滤流体的流动，这些障碍部在材料及多孔性结构方面与该支撑体相同，该支撑体与障碍部之间在材料和多孔性结构方面不存在突变。

Description

用于通过切向流进行分离且具有内置流动障碍部的元件及制 造方法
技术领域
本发明涉及用于对所要处理的流体介质进行切向流分离以便产生滤液和滞流物(retentate，渗余物)的元件的技术领域，这些元件通常被称为滤膜。更准确而言，本发明涉及用于减小乃至消除堵塞问题的多通道的多孔支撑体(support，载体)的新颖形状，且还涉及一种附加的制造该支撑体的制造方法，以及包括该支撑体的切向流分离元件。
背景技术
使用膜的分离方法用于多种行业，特别是用于生产饮用水(potable water，饮料水)和处理工业污水的情况，以及用于化学、石油化学、制药、农产品工业以及生物科技领域。
膜构成选择性屏障，且在传送力的作用下，其用于透过或挡止所要处理的介质的特定成分。这些组分的尺寸相对于膜中的孔的尺寸(的大小)导致其被透过或挡止，因而膜的作用类似于过滤器。根据孔尺寸的不同，这类技术被称为“微滤”、“超滤”、或“纳米过滤(纳滤)”。
现有的膜具有不同的构造和质地(texture，结构)。一般而言，该膜由多孔支撑体(载体)构成，该支撑体为膜提供机械强度且赋予其形状，进而决定了膜的过滤面积。在该支撑体上沉积有一个或多个分离执行层，每个分离执行层的厚度均为几微米且被称为“分离层”、“过滤层”或“作用层”。在进行分离的期间，被过滤的流体被传送经过分离层，且该流体随后通过支撑体的多孔结构而散布开以便朝向多孔支撑体的外表面行进。所处理的流体的已穿过分离层和多孔支撑体的部分被称为“渗透液”或“滤液”，其被围绕膜的收集室回收。其余的部分被称为“滞流物”，且按照一般规则，其经由再循环回路被再次注入到膜的上游的待处理流体中。
在传统方式中，支撑体初始通过挤塑(挤出成型)而被制造成所需形状，然后在一定温度下烧结足以确保所需强度的一段时间，同时在所得到的陶瓷中存留所需的开放且互连的多个孔的结构。该方法必然导致获得一个或多个直线形通道，此后依次地沉积和烧结多个上述分离层。支撑体通常呈管状，并具有与支撑体的中心轴线平行设置的一个或多个直线形通道。大体上，这些通道的内侧表面平滑且不存在任何不规则之处。
然而，已发现由此种形状的支撑体制造的滤膜面临着堵塞的问题，其结果是它们在流速上性能受限。具体而言，小颗粒和大分子可能被吸收在分离层的表面上，或者可能以溶胶或沉淀的形式沉积在其上，甚至可能穿入到孔中并阻塞其中一些孔。
所有使用过滤元件进行的切向分离都依赖于选择性转移的原理，其效率取决于膜(作用层)的选择性以及被视为一个整体(支撑体+作用层)的过滤元件的渗透性(流动)。选择性和渗透性是由(但并非仅由)作用层和过滤元件的特性决定，因为选择性和渗透性会由于浓差极化、沉淀和/或孔的阻塞而下降或受限。
在过滤操作期间当待处理的液体中存在的大分子在膜/溶液界面上变得浓密时，发生浓差极化现象，此时大分子施加与分离力相反的渗透背压，或者在菲克定律的作用下扩散回到待处理液体的中心。这种浓差极化现象的起因是由于溶剂的渗透而使残留的成分聚集在膜的附近。
当过滤操作期间膜的表面处的粒子浓度增加到足以导致出现呈溶胶或粘性沉淀形式的凝聚相(凝相)时，则出现沉淀，造成膜阻力之外的流体阻力上升。
当尺寸小于或等于孔的尺寸的粒子侵入时会发生孔的阻塞，由此造成过滤面积降低。
堵塞及其可逆性或不可逆性，是复杂的、取决于过滤元件的现象，特别是取决于其分离层、待处理液体以及操作参数。
堵塞是对于过滤的经济吸引力的主要阻碍，因为在设计过滤设施时，其首先导向增大安装区域以满足处理容量方面的需求，然后其需要使用特定技术手段来弥补后期堵塞，例如使用洗涤剂或回冲进行定期清洁循环。
在现有技术中已提出数种方案，以通过在过滤元件的通道内部产生湍流状况来减缓堵塞现象。
最初提出的是在管状过滤元件中引入湍流产生装置。具体可参见Journal ofMembrane Science(膜科学期刊)的第208期(2002)第303-314页，作者为D.M.Krstic等人。通过限制堵塞，这些装置起到改善渗透流动的作用，从而提升了过滤效率。尽管如此，在管状元件中安装和附接这样的装置是困难且复杂的操作。而且，它们引发有害的振动，对于设备的可靠性是不利的。
M.Y.Jaffrin在Journal of Membrane Science的第324期(2008)第7-25页还提出其它更为复杂的系统，它们使用相对于彼此转动的圆形膜和中心模块以便产生湍流(turbulence，紊流)。尽管如此，这种工作展示了利用所产生的大剪切速率来减少堵塞。
其它方案包括更改管状元件的形状。专利FR 2503615描述了用于过滤在压力下注射的气体混合物的柱形管，管的内壁具有压痕用以产生湍流，其防止气相之一聚集在管壁上且通过气态扩散来促进分离。这些压痕是通过使正在离开挤塑模具的管从多个辊或工具之间穿过，使管在管壁的整个厚度上局部形变而形成的。专利FR 2503616描述了基于相同原理的方法，包括采用在管的两侧彼此面对设置或在交错位置设置的滚花轮，在(管)离开挤塑模具时使管壁形变。
在这两份专利文献中，在挤塑单通道管的先期步骤之后，随即通过塑性形变来进行最终成形步骤，以便通过使用旋转式冲压机或类似装置在管的外表面上施压而在单通道内部获得压痕。得到这样的“压痕”是较容易还是较困难取决于材料的延展性，即其经受永久形变而不断裂的能力属性。然而，用于制造陶瓷膜的化合物并不具有良好延展性：它们容易被挤塑成形，但它们的断裂伸长率通常小于5％。而且，通过这样的技术，仅能够得到小尺寸的压痕。最后，在管的整个厚度上造成形变会导致材料中的高水平应力且导致碎裂的风险，因而使机械强度大幅退化。还可以参照专利申请FR 2736843，其提出具有单通道的多孔管，其管壁包括压痕，但支撑体的周边的壁是平滑的。为此，该多孔管是借助包括沿其轴线设置的柱形销的挤塑模具而成形的，该挤塑模具的销或出口被安装为能转动并且具有非圆形的截面。制造技术仍然被限制于特定类型的压痕，即从分离元件的一端到另一端连续延伸的压痕，且其不能在通道的流动截面(flow section)中产生任何变化。而且，其不能被转用于制造具有一系列的内部通道的分离元件。尽管如此，对多通道分离元件的需求却不断增长，因为其能够增大过滤表面积进而提升性能。
以同样的方式，专利文献EP 0813445描述了一种具有一个或多个通道的过滤元件，每个通道均包括螺旋槽，该螺旋槽可以是单起始槽、双起始槽或三起始槽。该过滤元件存在着与文献FR 2736843中描述的过滤元件相同的缺陷。
在这样的背景下，本发明旨在提供新颖的过滤元件以及适于制造这些过滤元件的制造技术，所述过滤元件具有单通道或多通道结构以及适合降低乃至消除堵塞现象的形状。本发明的一个目的是提供新颖的过滤元件，其形状可以被调整为具有规则(order)，以在通道内部产生高表面剪切应力和强烈的湍流，但不存在现有技术方案的缺陷。
发明内容
为实现这样的目的，本发明提供了一种整体式切向流分离元件，用以将待处理的流体介质分离成滤液和滞留物，所述分离元件包括三维结构的直线形刚性多孔支撑体，该多孔支撑体中设有至少一个通道以供待处理的流体介质流过，以便从支撑体的外表面回收滤液，该支撑体的外表面具有固定的轮廓。
根据本发明，该整体式刚性多孔支撑体在通道的内壁上或内壁中包括作用于待过滤的流体的流动的多个障碍部，这些障碍部与支撑体在材料和多孔性结构方面具有同一性和连续性，这些障碍部通过出现在沿通道的纵向轴线选取的第一位置与第二位置之间而迫使流体围绕这些障碍部流动，进而妨碍或扰乱流体的流动。
此外，本发明的元件还可结合有至少一个和/或另外多个下列附加特征：
·通道的至少一个障碍部在所述通道中在待处理流体的流动方向上产生陡然缩窄部或渐缩喷嘴部；
·通道的至少一个障碍部在所述障碍部的位置处产生局部较窄的流动正截面，所述流动正截面垂直于所述通道的纵向轴线且其形状与位于障碍部的上游和下游的通道的部分的形状不同；
·在通道的位于最窄流动正截面的上游的部分与最窄流动正截面之间，从下列各项中选取的条件(criteria，标准)之一保持不变而其它的条件变化，该条件选自：通道的流动正截面的形状、面积、湿周(wetted perimeter，润湿周长)和液压直径(hydraulicdiameter，流体力学直径)；
·在通道的位于最窄流动正截面的上游的部分与最窄流动正截面之间，从下列各项中选取的所有条件，即：形状、面积、湿周和液压直径，均保持不变。
·通道的至少一个障碍部具有垂直于所述通道的纵向轴线的流动正截面，所述流动正截面在沿通道的纵向轴线选取的两个位置之间绕所述通道的纵向轴线旋转(转向)；
·通道的至少一个障碍部的流动正截面在所述通道的端部之间以不连续的方式绕所述通道的纵向轴线旋转；
·该元件包括至少一个分离层，该分离层连续地沉积在通道的内壁上并完全覆盖障碍部；
·多孔支撑体由有机或无机材料制成；
·分离层或中间层由有机或无机材料制成；以及
·多孔支撑体的三维结构具有能通过光学显微镜或通过扫掠电子显微镜观察到的多个不同的叠层(ply，层片)。
本发明还提供一种制造根据本发明的整体式分离元件的方法。
本发明的制造切向流分离元件的方法包括：通过形成多个单独的叠层来制成支撑体的三维结构，这些单独的叠层被叠置并相继地彼此结合，以便渐次地构建期望的三维形状。
而且，本发明的方法还可结合有至少一个和/或另外多个下列附加特征：
·通过重复下列步骤来制成上述三维结构：
·制造用于形成多孔支撑体的材料的连续基底(bed)，该基底在大于多孔支撑体的上述叠层处的截面的区域上具有固定的厚度；
·局部地固结一些上述材料以形成为每个叠层所确定的图案(pattern，样式)，以便在产生单独的叠层的同时将以此方式制成的单独的叠层结合到前一叠层上；
·制成呈粉末形式的固体材料或者诸如光聚合性树脂的液体材料的连续基底；
·制成呈有机或无机粉末形式的固体材料的连续基底；
·制成其中沉积有无机粉末的光聚合性液态前体形式的介质的连续基底；
·通过连续或不连续地熔化热熔性固态前体的料线(string)而制成每个叠层，该热熔性固态前体或者是本身用于制备有机支撑体和有机层的热熔性有机聚合物，或者是用于制备热熔性有机聚合物和陶瓷无机粉末的混合物(支撑体为无机属性)；以及
·通过喷射在激光束中熔化的粉末来产生连续的材料串(bead，珠)。
通过在本发明的上下文中限定的方法获得的切向流分离元件允许形成支撑体的三维结构。应看到的是，通过光学显微镜或通过扫掠电子显微镜观察上述各个不同的叠层而使这种结构被显现。当然，期望各叠层之间的边界尽可能细薄。
附图说明
通过以下参照附图的描述可显现其它多种特征，这些附图示出作为非限制性示例的本发明的多个实施例。
图1A是支撑体的纵截面图，示出障碍部的一个实施例。
图1B和图1C为分别在与障碍部同水平的位置截取以及在障碍部的相对于流体的流动方向的上游处截取的支撑体的横截面。
图2是示出了产生陡然缩窄部和渐缩喷嘴部的障碍部的支撑体的纵截面。
图3A和图3B是分别在障碍部的上游处及障碍部处截取的支撑体的横截面，示出了通道的流动截面的变化(其面积不变)。
图4A和图4B是分别在障碍部的上游处及障碍部处截取的支撑体的横截面，示出通道的流动截面的变化(其湿周不变)。
图5A和图5B是分别在障碍部的上游处及障碍部处截取的支撑体的横截面，示出通道的流动截面的变化(其液压直径不变)。
图6A和图6B分别是支撑体的纵截面图和横截面图，示出在通道的尺寸变化的同时其流动截面的形状不变的性质。
图7A和图7B分别是支撑体的纵截面图和横截面图，示出尺寸不变的通道的流动截面的形状不变的性质。
图8是支撑体的部分纵截面图，示出局部不变的流动截面的转动。
具体实施方式
首先，给出在本发明的上下文中使用的一些术语的定义。
术语“平均粒径”用于表示体积分布(volume distribution，容量分布)的d50值，在该体积分布中，50％的颗粒的总容量对应于直径小于该d50值的颗粒的容量。该体积分布为以颗粒容量频率作为颗粒直径的函数而绘制的曲线(分析函数)。该d50值对应于位于通过激光衍射粒度尺寸获得的频率曲线下方的区域的两个相等部分之间的中值，其是在本发明的上下文中用于测量颗粒的平均直径的参考技术。关于d50的测量技术，具体可参见：
·ISO标准13320：2009，关于激光粒度尺寸测量技术；
·ISO标准14488：2007，关于对所分析的粉末进行取样的技术；以及
·ISO标准14887：2000，关于在通过激光进行粒径测量之前将粉末样品可再现地分散在液体中。
术语“平均孔径”用于表示容量分布的d50值，其中孔的总容量的50％对应于直径小于该d50值的孔的容量。该容量分布为以颗粒体积频率作为孔直径的函数绘制的曲线(分析函数)。该d50值对应于位于频率曲线下方的区域的两个相等部分之间的中值，对于几纳米(nm)的数量级的平均直径，该频率曲线是通过压汞(mercury penetration，汞渗透)获得，或者对于较小直径的孔，通过吸附气体，特别是吸附N2(来得到频率曲线)，这两种技术在本发明的上下文中用作参考，以供测量孔的平均直径。
特别地，可以使用以下文献中描述的技术：
·ISO标准15901-1：2005，关于压汞测量技术；以及
·ISO标准15901-2：2006和15901-3：2007，关于气体和吸收测量技术。
本发明提出了用于将待处理的流体介质分离为滤液和滞流物的切向流分离元件，这种元件包括单通道或多通道的整体式多孔支撑体，其形状被选择为在通道的内侧壁上限定多个障碍部以便阻碍待过滤流体的流动。如下文将描述的，具有障碍部(其形成与整体式多孔结构的一体的部分)的这种整体式支撑件通过添加技术(additive technique，附加技术)制成。
在本发明的上下文中，分离元件用于通过切向过滤来分离流体介质，并且它们通常被称为滤膜。这种分离元件包括多孔支撑体，该多孔支撑体中设有用于待过滤流体的一个或多个流动通道。传统上，该支撑体呈管状。每个流动通道都有入口和出口。一般而言，流动通道的入口位于支撑体的一端部，该端部作为待处理的流体介质的入口区，而出口位于支撑体的另一端部，该端部为浓缩液的出口区。
在这种分离元件中，构成支撑体的主体具有多孔性结构。这种多孔性结构的特征在于孔的平均直径，如由通过压汞测孔法测得的孔的分布导出的平均直径。
支撑体的多孔性结构是开放性的并且形成互连的孔阵列，从而使得被过滤分离层过滤的流体能够穿过多孔支撑体并在其周缘被回收。通常的做法是测量支撑体的水渗透性，以便证明支撑体的流体阻力。具体而言，在多孔介质中，不可压缩粘性流体的稳态流由达西定律决定。借助被称为“渗透性”的特性参数，流体的速度与压力梯度成比例，而与流体的动态粘度成反比，例如，可以根据1996年12月的法国标准NFX45-101来测量渗透性。
渗透物由此从多孔支撑体的外周面被回收。通道的壁被至少一个过滤分离层连续覆盖，该过滤分离层用于过滤待处理的流体介质。作为限定，过滤分离层的平均孔径必须小于支撑体的平均孔径。这些分离层限定了切向流动分离元件的如下表面：该表面与待处理流体接触，且待处理流体在该表面上流动。
图1示出了其中设置有通道的这种管状的切向流分离元件1的示例，然而，使用本发明的方法还可构造许多其它的形状。切向流分离元件1包括多孔支撑体2，多孔支撑体2被制造为呈沿着纵向中心轴线A延伸的长形，这就是为何称多孔支撑件的结构为“线形”的原因。图1所示的多孔支撑体2具有圆形的正截面(right cross-section，直截面)，且因此具有圆柱形外表面5，然而该正截面可以呈任何形状或多边形。术语“截面”表示体积被平面截切而限定的形状，其中圆柱体的正截面是圆柱体被垂直于纵向中心轴线的平面截切而限定的形状。
根据本发明的特征，支撑体的外表面或周面5具有固定的轮廓。应领会的是，该轮廓对应于多孔支撑体2在包含纵向中心轴线A的横向平面中截取的外部形状。在所示的示例中，支撑体2的轮廓呈线形且从入口到出口不变。换言之，不变(固定)的轮廓意指平行于支撑件的中心轴线的所有外部母线都是彼此平行的直线。
换言之，除了由材料本身的孔隙产生的、或者对于合适的成形方法而言固有表面粗糙度产生的不规则性之外，外表面5不存在任何表面不规则性。因此，外表面5不具有任何形变或压痕。
多孔支撑体2被设置为包括至少一个通道3，在图1所示的示例中其具有一个通道3，而在图2所示的示例中其具有两个通道3。每个通道3均平行于沿纵向轴线T延伸的支撑体的轴线A，在单通道支撑体中有利的是纵向轴线T与支撑体的轴线A重合。每个通道3均具有被至少一个分离层4覆盖的表面，该分离层4与在通道3内部流动的待处理流体介质接触。流体介质的一部分穿过分离层4和多孔支撑体2，使得这部分被处理的流体(称为“渗透物”)流过该多孔支撑体的外表面5。待过滤的流体沿箭头f表示的流动方向在入口区域和出口区域之间流动。在所示的示例中，入口区6位于管状支撑体的一端，而出口区7位于另一端。
通常，过滤分离层的厚度介于1微米(μm)至100μm的范围内。当然，为了能够执行其分离功能并且作为作用层(有效层)，分离层的平均孔径小于支撑体的平均孔径。通常，过滤分离层的孔径小于支撑体的平均孔径至少3倍(即至多为支撑体的平均孔径的三分之一)，优选为至少5倍(至多五分之一)。
用于微滤、用于超滤和用于纳滤的分离层的概念是本领域技术人员公知的。一般认为：
·微滤分离层的平均孔径介于0.1μm至2μm的范围内；
·超滤分离层的平均孔径介于0.1μm至0.01μm的范围内；以及
·纳滤分离层的平均孔径介于0.5nm至2nm的范围内。
这种所谓的“作用(有效)”微滤层或超滤层能够被直接沉积在多孔支撑体上(对于单层分离层)，或者其甚至被沉积在具有较小平均孔径的中间层上，其自身被直接沉积在多孔支撑体上(对于单层分离层)。
举例而言，分离层可基于一种或多种金属氧化物、碳化物或氮化物，或者陶瓷，或者可仅由这些材料构成，其中术语“陶瓷”涵盖所有非金属无机材料。特别地，分离层可基于TiO2，Al2O3和ZrO2，或者可仅由TiO2，Al2O3和ZrO2单独地或以混合物方式构成。
举例而言，分离层还可基于沉积在有机属性的多孔支撑体上的聚合物的胶棉，或者仅由沉积在有机质的多孔支撑体上的聚合物的胶棉构成。例如，分离层还可基于沉积在金属质的多孔支撑体上的金属沉积物，或者仅由沉积在金属质的多孔支撑体上的金属沉积物构成。
根据本发明的基本特征，支撑体成形为具有从通道的内壁31起始(延伸)的至少一个障碍部9，更一般而言具有一系列障碍部9，这些障碍部适于对流动产生干扰，并适于产生其幅度足以引起回流发生的剪切力，从而限制堵塞现象，甚至完全消除之。障碍部形成整体式多孔支撑体的一体的部分，即，它们由多孔支撑体本身给定的形状来形成，而不是由装配到支撑体的任何方式的单独元件。支撑体和障碍部一起形成单件的多孔整体式元件，而不存在任何种类的连接，界面或接合部。
障碍部9和多孔支撑体2的材料和多孔性结构是相同的，障碍9与多孔支撑体2之间的材料和多孔性结构是连续的。因此，障碍部9与支撑体机械地集成为一体，并且障碍部9与支撑体具有相同的化学抗性。障碍部9被分离层完全覆盖，使得它们不减小反而增大分离元件的过滤面积。
障碍部9与支撑体2之间的材料的相同性质意味着它们的所有部分在化学性质上均相同，即它们在多孔支撑体中和障碍部中都是相同的。
相同的多孔性结构包括孔隙率、弯曲度以及孔隙的尺寸和分布，其在元件的所有部分，即在障碍部中和多孔支撑体中均相同。
材料连续性意味着元件的所有部分在化学性质上相同，即在障碍部与多孔支撑体之间不存在化学不连续。
多孔性结构的连续性意味着孔隙率、弯曲度以及孔隙的尺寸和分布在元件中的所有部分相同，使得在障碍部与多孔支撑体之间不存在多孔性结构的不连续性。
障碍部的作用是布置于在通道内流动的流体的路径上。障碍部9阻碍或干扰待处理的流体的通过，使流体不得不围绕它们流动，因为它们位于沿着通道的纵向轴线T选取的第一位置P1与第二位置P2之间。因此，如由通道的截面图C-C(图1C)所限定的，第一位置P1是在由箭头f表示的待处理流体的流动方向上的障碍部9的紧上游选取的，同时，如通道的截面图B-B(图1B)所限定的，第二位置P2是在障碍部9的位置处选取的，位于第一位置P1沿待处理流体的流动方向f的下游。因此，这些障碍部9引起与分别朝向它们流动的液体的流速增加，由此产生高水平的表面剪切应力和湍流区域，该区域中堵塞现象减少或甚至被消除。这些障碍部起到促进湍流的作用。
大体上，障碍部9具有沿着通道的纵向轴线A的长度L，并且具有沿着垂直于纵向轴线A的方向并且始于通道的内壁31的高度h。在图1所示的示例中，通道3在障碍部9的上游和下游具有相同的直径D。
这些障碍部9可具有规则或不规则的间隔。本发明中所构想的新颖的支撑体的形状呈现从障碍部所设置在的每个通道的壁起始的一个或多个障碍部的重复设置。
特别地，包含有障碍部的通道的内壁可具有凹凸状(relief，浮雕)的部分，例如凹部、凸起、凹槽、条纹和/或适于作为相应数量的障碍部的任何其它形状，以便当流体在所述通道内流动时促进湍流。
一般而言，应理解的是障碍部9产生一流动正截面，该流动正截面在其形状、其面积、其湿周或其流体直径方面被局部地改变，或者被局部地偏移，或者甚至在通道3中相对于位于所述障碍部的上游和下游的通道部分的位置处经历旋转，流体的该流动正截面是与所述通道的纵向轴线T垂直地截取的。
如在图2中可以更清楚地看到的，在箭头f所示的通道中的流体流动方向上，障碍部9能产生陡然缩窄部或者渐缩喷嘴部，如图2中的顶部和底部的通道分别表示的那样。陡然缩窄部具有从通道的内壁垂直于纵向轴线T延伸的径向壁9a。渐缩喷嘴部具有相对于纵向轴线T以严格大于0°且小于90°的角度α倾斜的壁9a。当然，该径向壁或倾斜壁9a可以可选择地经由连接圆角(fillet)连接到通道的内壁。
当然，障碍部9可具有能够阻碍或干扰流体流动的许许多多种形状。下文的多个示例描述了出现在位于通道的最小或最窄流动正截面上游的通道部分与所述最小或最窄正截面部(分别对应于第一位置与第二位置)之间的障碍部9的各种形状。
图3A和图3B示出了第一变型实施例，其中，在第一位置与第二位置之间通道的流动截面的形状改变，而流动截面的面积保持不变。
在第一位置，通道的正截面是边长为a的正方形，从而该正截面的面积等于a2(图3A)。在该位置，通道的液压直径Dh＝4A/P，其中A是通道的流动截面的面积，而P是流动截面的湿周。在该示例中，面积A等于a2，湿周等于4a，从而液压直径Dh＝a。
在第二位置，通道具有边长为a/2的方形障碍部91和互补的凹形障碍部92(图3B)。此第二位置处流动正截面的面积为A＝a2-(a/2)2+(a/2)2＝a2。通道的正截面的面积不变。相反，其液压直径改变，因为该液压直径等于Dh＝4a2/6a＝2/3a，其中湿周P＝6a也改变了。
图4A和图4B示出了第二变型实施例，其中，通道的流动截面的形状改变，同时湿周P保持不变，而通道的流动截面的液压直径Dh和面积A改变。在该示例中，处于如图4A所示的第一位置的通道3的正截面是边长为3a的正方形，得出面积A等于9a2，湿周P＝12a，而液压直径Dh＝3a。
第二位置，通道3具有由四个部分91构成的障碍部，这些部分91构成的正截面形状是位于通道的截面的每个角落中边长为a的正方形(图4B)。在该第二位置，湿周P等于12a并且不变，而面积A＝5a2改变，液压直径Dh＝5/3a也改变。
图5A和图5B示出了第三变型实施例，其中，通道的流动截面的形状改变，而且尽管通道截面的面积A和湿周P改变，但其液压直径Dh不变。在该示例中，在图5A所示的第一位置处，通道的正截面的形状是边长为a的正方形，得出面积A＝a2，湿周P＝4a和液压直径Dh＝4a2/4a＝a。
在第二位置(图5B)，通道的正截面是半径为r＝a/2的圆形，使得其面积A＝πr2＝πa2/4，其湿周P＝πa，液压直径Dh＝πa2/πa＝a。
因此，其液压直径保持不变，而通道的截面的形状改变。应当看到，在第一位置与第二位置之间，尺寸改变，同时该截面不旋转并且相对于支撑体件的中心轴线不偏移，然而，显然也可以规定截面能被旋转并且/或者相对于支撑体的中心轴线偏心。
图6A和图6B示出了第四变型实施例，其中通道的截面形状不变，而通道的截面的面积、湿周和液压直径变化。在第一位置P1，通道的形状为矩形，而在第二位置P2，其正截面的形状仍为矩形但是较小。应当看到，在第一位置与第二位置之间，尺寸是变化的，但截面不旋转并且相对于支撑体件的中心轴线不偏移，然而，显然也可以规定截面能被旋转并且/或者相对于支撑体的中心轴线偏心。
在前述实施例中，取自下列各项的条件之一者保持不变，而其它条件变化，该条件取自：形状、面积、湿周和液压直径。
在图7A、图7B所示的示例中，通道3的流动截面的形状保持不变，该通道的流动截面的湿周和液压直径也保持不变。在第一位置P1，该通道的形状为圆形，而在第二位置P2，其形状为相同尺寸的圆形，但是相对于第一位置中的流动截面是偏移的。通过使圆形流动截面偏移而形成障碍部9。当然，该流动截面可以是任何形状。障碍部9因而产生陡然缩窄部。应当看到，在偏移的流动部段的两个部分之间的相交处，流动截面的面积是变化的。因此，除了流动截面的两个上述部分之间的相交处之外，通道3的流动截面的面积保持不变。在所示的示例中，通道的流动截面呈盘形。
应当看到，通过旋转非圆形的流动截面可以获得与产生障碍部9的相同功能。举例而言，这适用于被形成为形状保持不变的等腰三角形的通道3的流动截面，且通道的流动截面的面积、湿周和液压直径也不变。在第一位置，通道汇流排(channel bus，总线)的形状为三角形，而在第二位置中，其同样为三角形，但是角度偏移了一给定值，该值例如等于90°。
图8示出涉及障碍部9在通道3内的取向设置的另一个实施例的示例。在该示例中，障碍部9的流动正截面垂直于通道的纵向轴线T，该流动正截面在沿着通道的纵向轴线T选取的两个位置P1和P2之间绕该纵向轴线T旋转。该流动正截面在通道的端部之间以不连续的方式旋转，即，障碍部的长度比通道的长度短。例如，障碍部9呈至少一个表面螺旋的形状，使得多个螺旋部段存在于通道的入口和出口之间。在该实施例中，通道3的正横截面的形状和面积特别地在通道3的入口和出口之间变化。因此，至少一个这样的障碍部在待处理流体的流动方向上产生陡然缩窄部。
在本发明的上下文中，多孔支撑体(或者甚至作为整体的切向流分离元件)是通过附加技术(additive technique，添加技术)制造的。本发明的方法包括通过形成多个单独的叠层来制成支撑体的三维结构，这些单独的叠层被相继地彼此叠置和结合，以渐次地构建支撑体的三维结构。
与现有技术相比，本方法的优点是在单个生产步骤中制成支撑体而不需要任何工具或机械加工，因此能够获得支撑体形状的更大范围，并且能够改变通道内的障碍部的形状和尺寸。
当使用诸如粉末之类的固体材料时，粉末基底的厚度相对较小，因此相继固结的每个叠层的厚度相对较小，宜宾能够通过施加能量或通过喷射液体使其结合到下面的叠层上。特别地，粉末按照介于20μm至200μm范围内的厚度被沉积，该厚度取决于所选择的附加技术。
通过二进制序列的重复可以一个叠层接一个叠层地来构建期望的三维形状。一个叠层到另一叠层的固结图案(样式)可以是变化的。沿着所选择的构建轴线来构建期望的三维形状。
沉积的粉末的粒度尺寸是决定每个粉末基底的最小厚度的因素之一，也是决定最终获得的孔的平均直径的因素之一。特别地，所使用的粉末是构成支撑体的材料的粉末，例如金属氧化物粉末，或其前体之一的粉末。举例而言，沉积的粉末的平均粒度可以为约35μm，以在陶瓷支撑体内获得约10μm的平均孔径。
申请人已发现，通过调节多种参数，例如所选择的材料；并且对于给定的材料，调节所用的粉末的平均粒径；而对于给定的材料和给定的粒度尺寸，调节一层接一层重复的粉末基底的厚度；还可以通过调节为固结所选择的技术专用的各种参数，能够以良好受控的方式在固结的整体内获得残余互连孔构造。这种残余孔构造是在粉末颗粒受控烧结以在颗粒之间留有互连空隙的结果。
当使用能量束时，可以起作用的主要参数是其焦点，即冲击(作用于)粉末基底的能量束的直径，还有粉末基底被光子束或电子束扫掠的速度，以及甚至在构造叠层的同时能量束的各碰撞区域之间的百分比重叠率。
当使用液体喷雾时，可以起作用的主要参数是液滴的重量，其频率，粉末基底被液滴的“喷射”扫掠的速度，以及甚至在相继通过期间的百分比重叠率。
申请人还观察到，通过调控上述各种参数，可以调节孔的尺寸分布，并且对于每个给定的孔群，可以控制孔的数量和弯曲度。
一旦粉末已在选定的区域中聚集(结块)，可通过任何适当的技术消除非聚集的材料。所用的粉末的初始流动性促进了这种操作。还可使用水喷射技术或振动以去除残留在已制成的形状的表面上的最后残留的粉末。
通常通过一个或多个后续的热处理来获得过滤元件的最终固结和多孔性结构的最终状态，旨在消除粘结剂(脱粘)和/或使材料经受适当的烧结。选择用于这种最终烧结的温度取决于所使用的无机材料的性质和所使用的粉末的平均粒度。
这样，支撑体(或甚至整个切向流分离元件)被一个叠层接一个叠层地构建。为此，在开始细分将被分片制造的支撑体或切向流分离元件的三维结构之前，使用计算机辅助设计(CAD)软件。由此，所要制造的虚拟三维对象被细分为厚度非常小的二维切片。随后，将这些薄片一个一个地制成单独的叠层的形式，这些叠层被叠置并粘合在一起，以渐次构建所期望的三维形状。
这种三维结构是这样制成的：
·或者通过重复以下步骤：
·制造形成多孔支撑体的固体材料(有机或无机粉末)或液体材料(其中散布有粉末的有机前体或液体，该粉末可以为有机或无机的)的基底，在比于叠层的水平高度处截取的所述多孔支撑体的截面更大的区域上，该基底的厚度是固定的；以及
·局部地固结一些材料，以形成为每个叠层所确定的图案，以便产生单独的叠层，同时将以这种方式制成的此单独的叠层结合到前一叠层上
·或者，通过熔化被喷射到激光束中的有机或无机粉末以产生连续的材料串，从而形成用于每个层的预定图案；
·又或者，通过连续或不连续地(逐滴)熔化一热熔性固态前体的料线。当该前体为本身所使用的热熔性有机聚合物时，支撑体为有机属性并且可直接用于沉积有机属性的层。当前体是热熔性有机聚合物和陶瓷或金属无机粉末的混合物时，则在用作粘合剂的聚合物已被除去之后并且在无机粉末的颗粒已被烧结之后，支撑体为无机属性。
大体上，在第一种情况下，使用的材料是固体或液体，并且通过输送能量或通过以细微液滴形式喷射液体来固结多个单独的叠层。可通过以下方式来以局部方式输送能量：通过使用定向光束(通过发光二极管(LED)或通过激光器)，或者通过使用定向电子束，或者甚至使用可以按照由CAD选择的图案被聚焦和扫掠在粉末基底上的任何能量源。随后能量和材料之间的相互作用造成烧结，或者造成材料熔融和固化，或者甚至造成材料经历光聚合或光交联，这取决于其性质和所使用的能量源的性质。
可使用借助压电系统产生的微液滴以局部方式输送液体，该液滴可选择地使用静电场进行充电和引导。该液体应是粘合剂或者用于使先前已添加到陶瓷粉末中的粘合剂活化的试剂。
与现有技术相比，使用本发明上下文中所阐示的附加技术，首先能够获得生产可靠性和速率方面的改进，其次能够获得支撑体形状的大的范围以及能在支撑体内部的通道中形成的凹凸部的形状的大的范围。
在本发明的上下文中，可使用各种附加技术来设计三维形状，如下文所述。
选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化(SLM)
使用该技术，构成支撑体或切向流分离元件的材料的粉末被沉积以形成连续基底，该粉末为有机粉末或者优选由金属或氧化物、氮化物或碳化物类型的陶瓷制成的无机材料的粉末，或者甚至是其前体的粉末。随后，在所选择的图案中局部地施加强大的激光束，用以使粉末聚集以便形成对应于支撑体或切向流动分离元件的叠层，并通过烧结将其结合到前一叠层上。在局部能量输送的作用下，粉末颗粒部分地熔化并且被焊接在一起从而使该叠层粘结，进而执行所制成的形状的预烧结。此后，展开新的粉末基底并再次开始该过程。
激光束扫掠粉末的表面，以便按照期望的图案一个叠层一个叠层地固结材料。通过使激光沿着多个平行路径移动来执行扫掠。有利的是，激光器的冲击区域在两个接连的平行路径之间重叠。粉末基底在激光束的冲击位置处接收的能量的量必须使粉末颗粒保持部分地熔化，或者在任何情况下，使每个颗粒充分熔化以便与其最邻近的颗粒结合，但同时不使多孔性结构封闭。
因此，机器的调节特别地取决于粉末基底的固有特性以及限定光子与材料之间的相互作用的效果的材料性质。
作为说明，可以使用对应于下表1中列出的范围的条件：
表1
通过局部调节激光束的焦点和/或光束的行进速度，可以调节粉末基底所接收的能量的量，从而调节所得到的陶瓷材料的致密度，进而调节其多孔性结构。因此，在某些特定位置可以获得对应于过滤分离层所需的多孔性结构，并且在其它位置获得对应于支撑体所需的多孔性结构。
尽管在应用激光构建支撑体或切向流分离元件的同时渐次地执行烧结，但有利的是在已完全构建支撑体或切向流分离元件之后再采用最终烧结步骤，以便释放残余机械应力并使多孔性结构更为均一。所选择的用于这种最终烧结的温度应当取决于所用的无机材料本身的性质和所用的粉末的平均粒度，例如当使用氧化钛时，应使用介于1300℃至1500℃范围内的温度。
应看到的是，可以通过电子束以类似的方式获得上文所述的粉末的选择性熔化，其对应于电子束熔化(EBM)技术。
3D打印
原理保持不变，但是通过打印可使所沉积的叠层对应于可以为有机或无机、陶瓷或金属的粉末混合物，该粉末可以是构成支撑体的材料，或者是该材料的前体并具有粘合剂，该粘合剂自身可以为粉末或涂在无机粉末本身上的涂层的形式。优选地，该混合物是均匀的，并且构成支撑体的材料的粉末颗粒或者该材料的前体以及粘合剂的颗粒均具有相似的颗粒尺寸。作为粘合剂的示例，可提到的是呋喃、酚醛树脂和氨基树脂。粘合剂的重量百分比应介于1％至25％的范围内，这取决于其本身的性质和所用于的粉末的平均直径。此后，按照选定的图案以非常细微的液滴的形式喷射用以使粘合剂活化的试剂，并使粉末局部聚集。活化剂可以是用于粘合剂的溶剂，其在几乎瞬时地干燥之后用于将无机颗粒粘合在一起或将它们封闭在固体晶格(lattice，格架)内。
也可以仅沉积构成支撑体的材料的有机或无机、陶瓷或金属粉末或者其前体的粉末，以便形成连续的基底，然后局部地喷涂粘合剂，该粘合剂应当是快干型液体粘合剂或热固性液体树脂。
通过使用任何合适的装置来喷射液体形式的粘合剂或活化剂，特别是在喷墨型打印机中使用的那种类型的压电系统，通过沿着多个平行的路径移动打印头而实施扫掠(喷射)。可能有利的是，液滴的冲击区域在接连的两个平行路径之间重叠。
在除去未聚集的粉末之后，在烧结热处理期间粘合剂被消除，这种脱粘过程通常在达到500℃之前结束。
在陶瓷粉末的颗粒的平均尺寸介于30μm至100μm范围内的情况下，3D印刷可以使粉末基底的厚度介于80μm至300μm的范围内，并且能够使获得期望形状的直线形构造的速度介于25毫米每小时(mm/h)至100mm/h的范围内。
基于光刻的陶瓷制造(LCM)
LCM是这样的技术，其中将陶瓷粉末与可光聚合性树脂预混合，使用LED或激光光源获得借助聚合作用的固化。如在上述技术中那样，在用于除去粘合剂的烧结热循环之前必须除去非交联粉末，即消除可光聚合性树脂，随后进行合适的烧结。
LCM的使用受到以下因素的限制：为了在光的冲击点下方和周围实现整体聚合(bulk polymerization，本体聚合)，粉末颗粒在所考虑的波长下必须是透明的。
熔融沉积成型(FDM)
FDM是使用热熔性固体有机聚合物的技术，该热熔性固体有机聚合物可选择地被添加有无机粉末。该技术旨在由料线或料带形成相继沉积的材料串。通过软化或熔化料线或料带的端部而以连续(挤出)或不连续(滴落)方式制成材料串。与上文所述的技术不同的是，没有材料基底的前期成形(预成形)。通过加热使材料叠层或材料串固结。
在该技术的一个变型中，可通过喷射无机粉末以产生连续的材料串，将粉末喷射到激光束中以便在冲击之前熔化。
使用立体光刻设备(SLA)的立体光刻
这种技术在原理上与上述的技术类似，使用液体材料作为含有无机粉末的可光固化性液态前体。光子束(LED或激光)扫掠液体层并使其局部聚合。
通过3D打印或LCM，在最终烧结操作之后，在制成支撑体之后沉积过滤分离层。通过在支撑体上沉积含有至少一种可烧结组合物(其在烘烤后构成过滤层)的悬浮液，分离层被沉积，特别是沉积在通道的表面上和支撑体的通道中的障碍部上。这种组合物具有常规地在无机滤膜生产中使用的成分。该组合物包含至少一种氧化物、氮化物、碳化物或其它陶瓷材料或其混合物，优选为金属氧化物、氮化物和碳化物。将可烧结组合物置于悬浮液中(例如水中)。为了消除所存在的聚集(凝聚)的风险并且为了优化颗粒在液体中的分布，将所得到的悬浮液研磨以破坏聚集并获得基本上由分开的颗粒构成的组合物。然后利用有机添加剂调节悬浮液的流变性，以满足渗入到支撑体的通道中所需的流体动力学要求。一旦该层已被沉积，则将其干燥，然后在一定温度下烧结，该温度取决于其性质、其颗粒的平均尺寸以及所需的截止阈值。
借助SLS或SLM，可以在构建支撑体的同时产生分离过滤层，或者可随后利用膜生产中使用的常规沉积方法来使其沉积。同样地，可以从待沉积的无机材料的颗粒或其前体的悬浮液来沉积分离过滤层。这种悬浮液传统上用于生产陶瓷过滤元件。在干燥后，该层或多个这种层均经历烧结操作，该烧结操作用于使多个层固结并将这些层粘结到它们所沉积到的表面。存在于悬浮液中的颗粒的粒度尺寸取决于最终的分离过滤层所需的多孔性结构。
以下通过多个示例说明本发明，但它们不具有限制性。
根据本发明来制造图中所示类型的用于切向流分离的管状元件。支撑体呈管的形状，其长度介于300mm至1200mm范围内，具有圆形正截面，其直径介于10mm至42mm范围内，并且其中形成有平行于管的轴线的多个直线形通道。
示例1：SLS/仅支撑体
示例2：SLS/支撑体+层
示例3：SLS/仅支撑体
在这种情况下，不必进行最终烧结。
示例4：3D打印
材料 氧化钛
陶瓷粉末的平均粒径 30μm-35μm
粉末基底的厚度 80μm
粘合剂的类型 呋喃树脂
粘合剂的百分比 20％
形状的直线形构造速度 30mm/h
最终烧结温度 1500℃
在1500℃停留的时间 6h
得到的孔的平均直径 10μm-12μm
在示例1、3和4中，通过使用以下悬浮液在通道的表面上沉积分离层来完成切向流分离元件的制造：
通过在球磨机中研磨来制备悬浮液
材料 氧化钛
研磨之前的粉末的平均粒径 3.6μm
氧化钛/水的比率 0.4
研磨时间 5h
研磨后的粉末的平均粒径 1μm
添加水以调节流变性 200厘泊(cps)至400cps
在以如下方式执行在支撑体上的直接沉积之后，获得截止阈值为1.4μm的微过滤分离层。
通过泵送使悬浮液渗入到通道中，以使其与通道的表面接触。驱动沉积的机制为：来自悬浮液的液体被吸引而通过多孔支撑体的孔。
氧化钛颗粒在该表面上沉积的厚度、进而每单位面积上沉积的重量均取决于悬浮液在支撑体的通道中经历的时间。
悬浮液在支撑体的通道中经历的时间 30秒
沉积重量 50g/m2至60g/m2
该操作被重复两次，以达到约110g/m2的最终沉积重量。
用于烧结层的烘培循环
可通过在与合适的热处理循环关联地使用越来越细的悬浮液的同时，在这样的第一层上进行相继的多次沉积，来制造截止阈值小于1.4μm的切向流微过滤分离元件以及切向流超滤和纳滤分离元件。
本发明不限于所描述和示出的示例，因能够对这些示例做出多种修改且不超出本发明的范围。

Claims (18)

1.一种整体式切向流分离元件，用以将待处理的流体介质分离为滤液和滞留物，所述分离元件包括三维结构的直线形刚性多孔支撑体(2)，所述多孔支撑体中设有至少一个通道(3)以供待处理的流体介质流过，以便从所述支撑体的外表面(5)回收滤液，所述支撑体的外表面(5)具有固定的轮廓，且所述元件的特征在于，所述整体式刚性多孔支撑体(2)在所述通道的内壁上或内壁中包括针对待过滤的流体流动设置的多个障碍部(9)，所述障碍部(9)与所述支撑体在材料和多孔性结构方面具有同一性，并且与所述支撑体在材料和多孔性结构方面具有连续性，所述障碍部(9)通过出现在沿所述通道的纵向轴线(T)选取的第一位置与第二位置(P1，P2)之间而在所述通道中在待处理的流体的流动方向上产生陡然缩窄部或渐缩喷嘴部，以便阻碍或扰乱流体的流动。
2.根据权利要求1所述的整体式切向流分离元件，其特征在于，设有障碍部(9)的至少一个通道(3)，在其入口(6)与其出口(7)之间截取的流动正截面在形状和/或面积和/或湿周和/或液压直径上是变化的。
3.根据权利要求1或2所述的整体式切向流分离元件，其特征在于，通道(3)的至少一个障碍部(9)在所述障碍部的位置处产生局部较窄的流动正截面，该流动正截面与所述通道的纵向轴线(T)垂直且其形状与位于所述障碍部的上游和下游的部分通道的形状不同。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的整体式切向流分离元件，其特征在于，在所述通道(3)的位于最窄流动正截面的上游的部分与所述最窄流动正截面之间，从下列各项中选取的条件之一保持不变而其它的条件变化，所述条件选自：通道的流动正截面的形状、面积、湿周和液压直径。
5.根据权利要求3所述的整体式切向流分离元件，其特征在于，在所述通道的位于最窄流动正截面的上游部分与所述最窄流动正截面之间，从下列各项中选取的所有条件，即：形状、面积、湿周和液压直径，均保持不变。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的整体式切向流分离元件，其特征在于，所述通道(3)的至少一个障碍部(9)具有与所述通道的纵向轴线(T)垂直的流动正截面，所述流动正截面在沿所述通道的纵向轴线选取的两个位置之间绕所述通道的纵向轴线旋转。
7.根据权利要求6所述的整体式切向流分离元件，其特征在于，所述通道(3)的至少一个障碍部(9)的流动正截面在所述通道的端部之间以不连续的方式绕所述通道的纵向轴线旋转。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的整体式切向流分离元件，其特征在于，所述元件包括至少一个分离层(4)，所述分离层(4)连续地沉积在所述通道(3)的内壁(31)上并完全覆盖所述障碍部(9)。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的整体式切向流分离元件，其特征在于，所述多孔支撑体(2)由有机或无机材料制成。
10.根据权利要求8或9所述的整体式切向流分离元件，其特征在于，所述分离层或中间层由有机或无机材料制成。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的整体式切向流分离元件，其特征在于，所述多孔支撑体(2)的三维结构具有能通过光学显微镜或通过扫掠电子显微镜观察到的不同的材料叠层。
12.一种制造根据权利要求1-11中任一项所述的整体式切向流分离元件(1)的方法，其中，通过形成多个单独的叠层来制成所述支撑体的三维结构，所述单独的叠层被叠置并且相继地彼此结合，以便渐次地构建期望的三维形状。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过重复以下步骤来制成所述三维结构：
·制造用于形成多孔支撑体的材料的连续基底，所述基底在大于所述多孔支撑体的所述叠层处的截面的区域上具有固定的厚度；
·局部地固结一部分所述材料以形成为每个叠层所确定的图案，从而产生单独的叠层，与此同时将以此方式制成的单独的叠层结合到前一叠层上。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括制造呈粉末形式的固体材料或者诸如光聚合性树脂的液体材料的连续基底。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括制备呈有机或无机粉末形式的固体材料的连续基底。
16.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括制备其中设置有无机粉末的光聚合性液态前体形式的介质的连续基底。
17.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，通过连续或不连续地熔化热熔性固态前体的料线而制成每个叠层，所述热熔性固态前体或者是本身用于制备有机支撑体和有机层的热熔性有机聚合物，或者是用于制备无机属性的支撑体的热熔性有机聚合物和陶瓷无机粉末的混合物。
18.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，该方法包括通过喷射在激光束中熔化的粉末来产生连续的材料串。
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