CN103167902A

CN103167902A - 膜分离模块

Info

Publication number: CN103167902A
Application number: CN2011800518693A
Authority: CN
Inventors: P·P·博尚; R·蒂亚贾拉延; A·库马; T·A·安德森
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Bl Technology Co ltd
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-08-15
Also published as: JP2013544642A; CN103167902B; EP2632574A1; BR112013008948A2; KR20140009159A; WO2012057902A1; AU2011320932A1; US20120103892A1

Abstract

提供了利用进料间隔件(404)的分离模块和用于形成这种分离模块的方法。包含柔性防水材料的垫片(406)设置在进料间隔件的一个或多个边缘的至少一部分上。膜层(410)设置在进料间隔件的第一表面上。渗透物载体(412)设置在膜元件的与进料间隔件相反的表面上。可选地，使用额外的热固性粘合剂(408)。

Description

膜分离模块

技术领域

本文提供的实施例涉及分离模块，并且更具体而言反向渗透、正向渗透和物理过滤模块。物理过滤可包括微滤过程、超滤过程和纳米过滤过程。

背景技术

膜模块广泛地用于分离流体与溶解和悬浮的有机和无机固体。用于这个目的的过程可包括反向渗透(RO)、正向渗透(FO)和物理过滤。在反向渗透中，进料溶液(诸如但不限于盐水或不纯的水、海水等等)在高于给水的渗透压力下传送通过半渗透膜。在半渗透膜的另一侧上获得渗透物(例如，纯化水)。

在正向渗透中，由于进料溶液和汲取溶液(draw solution)之间的渗透压力差的原因，来自进料溶液(诸如但不限于盐水或不纯的水、海水等等)的水穿过半渗透膜。由于水增加了百分比的原因，汲取溶液因此以减小的汲取化学品的浓度离开分离模块。

最后，对于物理过滤过程(诸如微滤、超滤和纳米过滤)，包含悬浮固体的进料溶液在比存在于模块的渗透物通道中的压力更大的压力下引入分离模块。水流过分离膜的小孔，并且通过渗透物通道离开分离模块。

在上面的关于反向渗透、正向渗透和物理过滤的过程中，进料通道典型地由模块的几何结构且更典型地由设置在进料间隔件材料的边缘上的粘合剂限定。虽然这个方法限定的通道已经显示，已经实现了稳定可靠的实现。例如，粘合剂粘附到膜面上，膜面在RO或FO的情况下典型地非常薄，大约100nm。当进料通道加压超过渗透物通道的压力时，在膜-粘合剂接头处形成应力集中，并且应力集中大体导致膜的撕裂。膜的撕裂然后导致降低的纯化。在其中进料压力未高到足以直接在该应力集中处撕裂膜的其它情况下，处理、压力波动或周期循环可对膜撕裂具有类似的作用。

在其它情况下，端盖或端灌封部可设置在模块的端部上，以限定进料溶液流路径。最后，层的化学连结还可用来限定进料通道内的进料溶液流路径。但是，这样的接头可容易在进料的高压下泄漏。另外，产生化学接头中涉及的过程可为昂贵的和费时的。各个进料通道的厚度沿着流方向的变化在这样的情况下也可能是不可能的。以化学的方式连结的边缘还可使膜元件的层受损。此外，化学接头不可对渗透物载体层提供额外的刚度。在螺旋地缠绕的模块中，还可能难以将以化学的方式连结的叶子绕在核心周围。

因此存在对克服现有技术的这些和其它缺点的进料间隔件垫片技术的需要。

发明内容

提供一种利用进料间隔件的分离模块和用于形成这种分离模块的方法。包含柔性防水材料的垫片设置在进料间隔件的一个或多个边缘的至少一部分上。膜层设置在进料间隔件的第一表面上。渗透物载体设置在膜元件的与进料间隔件相反的表面上。

提供了分离模块的若干实施例。膜模块包括至少一层渗透物载体、至少一层膜元件和至少一层进料间隔件。膜模块进一步包括至少一层进料间隔件，其中，进料间隔件的边缘至少部分地由一条或多条防水柔性材料覆盖。在膜元件和进料间隔件之间形成密封，其中，一条或多条防水柔性材料压靠在膜元件上而形成密封。可通过下者来将柔性防水材料压靠在膜元件上：将膜堆叠缠绕在中心核心周围；或者使用适当的框架和板组件来将柔性防水材料压靠在膜元件上。

提供了一种用于制造分离模块的方法。方法包括提供进料间隔件，以及用柔性防水材料浸渍进料间隔件的一个或多个边缘的至少一部分。方法进一步包括在进料间隔件的一侧提供膜元件，以及在膜元件的相对的侧提供渗透物载体。在若干实施例中，方法进一步包括将进料间隔件、膜元件和渗透物载体缠绕在核心周围。柔性防水材料压靠在膜元件上而在进料通道中形成密封。

附图说明

图1示出根据实施例的材料层的顺序；

图2示出根据若干实施例的防水垫片；

图3是根据一个实施例的分离模块的膜堆叠的横截面图；

图4是根据另一个实施例的分离模块的膜堆叠的横截面图；

图5示出根据一个实施例的分离模块的膜堆叠；

图6示出根据另一个实施例的分离模块的膜堆叠；

图7示出根据又一个实施例的分离模块的膜堆叠；以及

图8是根据多种实施例的垫片厚度-进料间隔件的长度的轮廓图。

具体实施方式

本文提供的多种实施例将在下面参照附图详细地描述。但是将显而易见的是，这些实施例可在没有这些具体细节中的一些或所有的情况下实践。在其它情况下，熟知的过程步骤或元件未详细描述，以便不会不必要地模糊实施例的描述。以下示例实施例和它们的各方面结合意图为说明性示例而非限制范围的设备、方法和系统来描述和示出。

本文提供的实施例描述进料间隔件和采用进料间隔件的分离模块。取决于特定实施例，分离模块可用于反向渗透、正向渗透或物理过滤应用。通过与附图一起提供的描述，用于本申请的示例性实施例将变得显而易见。

图1示出根据多种实施例的可应用于反向渗透、正向渗透和物理过滤的典型的螺旋缠绕的分离模块100中的材料的示例顺序。分离模块包括一层或多层膜元件102，其设置在一层或多层进料间隔件104和一层或多层渗透物载体106之间。成层的膜元件102、进料间隔件104和渗透物载体106缠绕在中心核心108周围。中心核心108可包括用于进料溶液、渗透物和滞留物的单独的通道。层的顺序可重复任何次数，这取决于分离模块的期望的几何结构。

用于反向渗透、正向渗透和物理过滤的螺旋缠绕的分离模块100的基本功能在以下段落中描述。

反向渗透

进料溶液可在高压(通常对于盐水为2–17巴(30–250PSI)，而对于海水为40–70巴(600–1000PSI))下泵送通过进料间隔件104。由于进料溶液的压力，流过进料间隔件104的进料溶液被迫进入膜元件102中。渗透物(例如，纯化水)可传送通过膜元件102和收集在渗透物载体106中。渗透物载体106将渗透物携带到渗透物排出端口。滞留物(例如，盐水)不传送通过膜元件102，而是保留在进料间隔件104中。进料间隔件104将滞留物携带到滞留物排出端口。

物理过滤

进料溶液可在高压下泵送通过进料间隔件104。由于进料溶液的压力，流过进料间隔件104的进料溶液被迫进入膜元件102中。滤出液可传送通过膜元件102和收集在渗透物载体106中。渗透物载体106将滤出液携带到滤出液排出端口。不纯进料溶液不传送通过膜元件102，而是保留在进料间隔件104中。进料间隔件104将不纯进料溶液携带到不纯进料排出端口。

正向渗透

进料溶液可泵送通过进料间隔件104，并且适当的汲取溶液可泵送通过渗透物载体106。由于跨过膜元件102的渗透压力梯度的原因，出现从进料间隔件104中的进料溶液到渗透物载体106中的汲取溶液的净渗透物流。渗透物可传送通过膜元件102和收集在渗透物载体106中。渗透物载体106将渗透物携带到渗透物排出端口。渗透物可然后可选地经受第二分离过程，诸如反向渗透或汲取溶质分离技术。滞留物不传送通过膜元件102，而是保留在进料间隔件104中。进料间隔件104将滞留物携带到滞留物排出端口。

图2示出根据若干实施例的柔性防水垫片，其浸渍在分离模块中的进料间隔件上。膜堆叠200可以若干不同的分离模块构造用于反向渗透、正向渗透和物理过滤过程。膜堆叠200包括一层或多层膜元件202，其设置在一层或多层进料间隔件204和一层或多层渗透物载体206之间。柔性防水垫片208设置在进料间隔件的垂直于圆柱形分离模块的轴线的横向边缘上。在组装膜堆叠200之前，柔性防水垫片208可优选设置在进料间隔件204上。成层的膜元件202、进料间隔件204和渗透物载体206缠绕在中心核心210周围。由于膜元件202、进料间隔件204和渗透物载体206缠绕在中心核心210周围的原因，由于挤压而在膜元件202和柔性防水垫片208之间形成密封。该密封因而在进料间隔件204附近的膜元件202之间限定进料溶液通道。

图3示出根据一个实施例的示例性膜堆叠的横截面图300。膜堆叠包括进料间隔件302。进料间隔件302包括开口网结构304。开口网结构304的横向边缘可至少部分地由一个或多个柔性防水垫片306覆盖。柔性防水垫片可由具有在分离模块的典型的运行温度(5-6摄氏度)以下的玻璃转化温度的橡胶材料制成。柔性防水垫片可由诸如包括热塑性材料和热固性材料的材料制成。示例材料包括(不限制)热熔性粘合剂，诸如乙烯-醋酸乙烯(EVA)共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物，诸如乙烯-醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐、乙烯-丙烯酸酯-顺丁烯二酸酐、三元共聚物、乙烯-丙烯酸正丁酯、乙烯-丙烯酸和乙烯-乙酸乙脂；聚烯烃，诸如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、聚丁烯-1、聚酰胺和聚酯、聚亚安酯，诸如热塑性聚亚安酯和高敏感乌拉坦(reactive urethane)；苯乙烯嵌段共聚物，包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯、苯乙烯-乙烯/丁基烯-苯乙烯、苯乙烯-乙烯/丙烯嵌段共聚物、聚已酸内酯、聚碳酸酯、含氟聚合物、硅橡胶和热塑性弹性体。具体而言，乙烯-醋酸乙烯(EVA)可用来形成柔性防水垫片306。在图3中示出的实施例中，开口网结构304的横向边缘可完全由一个或多个柔性防水垫片306覆盖。

可使用任何适当的技术来将柔性防水垫片306设置在开口网结构304上。在一个实施例中，开口网结构304用热的热塑性材料(诸如EVA)浸渍。进料间隔件302然后与一个或多个膜元件308和一个或多个渗透物载体310堆叠而形成用于分离模块的膜堆叠。将柔性防水垫片306压靠在膜元件308上有效地形成用于进料通道的密封。在用于螺旋缠绕且平坦的模块构造的若干实施例(诸如结合图5描述的实施例)中，在进料通道和应用的进料溶液的压力之间的压力差较小。在这样的实施例中，柔性防水垫片306容易地密封进料通道。

图4示出根据一个实施例的示例性膜堆叠的横截面图400。膜堆叠包括进料间隔件402。进料间隔件402包括开口网结构404。开口网结构404的横向边缘可至少部分地被一个或多个柔性防水垫片406覆盖。适于形成柔性防水垫片406的示例材料和技术结合图3来描述。图4的膜堆叠进一步包括应用在柔性防水垫片406和相邻的膜元件410之间的粘合剂408。粘合剂408可应用在柔性防水垫片406上和应用在柔性防水垫片406的外边缘周围，以改进密封。

在其中进料通道和应用的进料溶液的压力之间的压力差较大、用于螺旋缠绕且平坦的模块构造的实施例中，粘合剂408可进一步将进料间隔件402结合到膜元件410上。适于粘合剂408的材料与柔性防水垫片406以及与膜元件410形成结合。适当的粘合剂的一个示例是热固性乌拉坦。

虽然图2、3和4示出柔性防水垫片设置在开口网结构的横向边缘上，但是在多种其它实施例中，柔性防水垫片还可设置在开口网结构的轴向边缘上，具体而言远离中心核心的轴向边缘。这样的实施例结合图6和7来描述。

图5示出根据一个实施例的用于分离模块中的膜堆叠500。膜堆叠500可适于用于螺旋流分离模块中。膜堆叠500包括一层或多层膜元件502，其设置在一层或多层进料间隔件504和一层或多层渗透物载体506之间。柔性防水垫片508在进料间隔件504的横向边缘上设置在圆柱形分离模块的轴向端处。膜堆叠500可以若干不同的分离模块构造用于反向渗透和物理过滤过程。

进料溶液可螺旋地从设置在螺旋流分离模块的周向边缘上的入口向内流到中心核心510中。备选地，进料溶液可螺旋地从中心核心510向外流到设置在螺旋流分离模块的周向边缘上的出口中。随着进料溶液流过进料间隔件504，膜元件502回收渗透物。渗透物穿过膜元件502流到渗透物载体506中。渗透物然后螺旋地从渗透物载体506的周向边缘向内流到中心核心510中。

类似于设置在进料间隔件504上的柔性防水垫片508，渗透物载体506还可包括设置在其上的柔性防水垫片512。柔性防水垫片512可形成密封，该密封限定在渗透物载体506附近的膜元件502之间的渗透物通道。

图6示出根据一个实施例的用于分离模块中的膜堆叠600。膜堆叠600可适于用于交叉渗透物流分离模块中。膜堆叠600包括一层或多层膜元件602，其设置在一层或多层进料间隔件604和一层或多层渗透物载体606之间。进料间隔件604进一步包括柔性防水垫片608，柔性防水垫片608在进料间隔件604的横向边缘上设置在圆柱形分离模块的轴向端处。膜堆叠600可以若干不同的分离模块构造用于反向渗透、正向渗透和物理过滤过程。

进料溶液可螺旋地从设置在交叉渗透物流分离模块的周向边缘上的入口向内流到中心核心610中。备选地，进料溶液可螺旋地从中心核心610向外流到设置在交叉渗透物流分离模块的周向边缘上的出口中。随着进料溶液流过进料间隔件604，膜元件602回收渗透物。渗透物穿过膜元件602流到渗透物载体606中。渗透物然后流过渗透物载体606，沿轴向朝向交叉渗透物流分离模块的轴向端而流出。渗透物可通过一端或两端而沿轴向流出。在一个实施例中，交叉渗透物流分离模块可用于正向渗透过程。汲取溶液沿轴向流过渗透物载体606。

设置在渗透物载体606上的柔性防水垫片612可形成密封，这类似于柔性防水垫片608形成的密封。柔性防水垫片612限定在渗透物载体506附近的膜元件502之间的渗透物/汲取通道，并且引导渗透物/汲取溶液流沿轴向通过交叉渗透物流分离模块。

图6示出交叉渗透物流分离模块具有螺旋进料流和轴向渗透物/汲取溶液流。但是，应当理解渗透物/汲取溶液和进料溶液的流路径可反过来。换句话说，交叉渗透物流分离模块可具有螺旋渗透物/汲取溶液流和轴向进料流。在这样的实施例中，进料间隔件604可具有设置在其上的、沿着交叉渗透物流分离模块的平行的轴向边缘的柔性防水垫片，这类似于柔性防水垫片612。另一方面，渗透物载体606可具有设置在其上的、沿着交叉渗透物流分离模块的横向边缘的柔性防水垫片，这类似于柔性防水垫片608。

图7示出根据一个实施例的用于分离模块中的膜堆叠700。膜堆叠700可以若干不同的分离模块构造用于反向渗透、正向渗透和物理过滤过程。膜堆叠700包括一层或多层膜元件702，其设置在一层或多层进料间隔件704和一层或多层渗透物载体706之间。进料间隔件704进一步包括柔性防水垫片708，其设置在进料间隔件704的横向边缘和远侧轴向边缘上。进料间隔件704还包括柔性防水垫片710，其设置成垂直于圆柱形分离模块的轴线。柔性防水垫片710可设置在进料间隔件704的横向边缘之间的基本中间。柔性防水垫片710不可向上延伸到进料间隔件704的远侧轴向边缘。柔性防水垫片708和柔性防水垫片710限定用于进料溶液流的U形进料通道。

进料溶液可从中心核心712的一个轴向端处的入口流到中心核心712中。进料溶液流到进料间隔件704中，并且螺旋地向外流到进料间隔件704的端部。进料溶液转过柔性防水垫片710处的远侧端处的转角，并且螺旋地向内流到中心核心712。进料溶液然后排出中心核心712的相对的轴向端处的出口。

随着进料溶液流过进料间隔件704，膜元件702回收渗透物。渗透物穿过膜元件702流到渗透物载体706中。渗透物然后通过渗透物载体706，朝向交叉渗透物流分离模块的轴向端而沿轴向流出。渗透物可通过一个轴向端或两个轴向端而流出。在一个实施例中，分离模块可用于正向渗透过程。汲取溶液沿轴向流过渗透物载体706。

设置在渗透物载体706上的柔性防水垫片712可形成密封，这类似于柔性防水垫片708形成的密封。柔性防水垫片712限定在渗透物载体706附近的膜元件702之间的渗透物/汲取通道，并且引导渗透物/汲取溶液流沿轴向通过分离模块。

类似于图6中示出的实施例，渗透物/汲取溶液和进料溶液的流径可反过来。换句话说，分离模块可具有螺旋渗透物/汲取溶液流和轴向进料溶液流。在这样的实施例中，进料间隔件704可具有设置在其上的、沿着近侧和远侧轴向边缘的柔性防水垫片，这类似于柔性防水垫片712。另一方面，渗透物载体606可具有设置在其上的柔性防水垫片构造，这类似于柔性防水垫片708和710。

在一些实施例中，柔性防水柔性防水垫片可允许有可变高度进料通道。可变高度进料通道可有利于给水与半渗透膜的最佳相互作用，同时最大程度地减小通过进料通道的压降。

图8示出根据多种实施例的柔性防水垫片的厚度-进料间隔件的长度的轮廓图800。对于螺旋缠绕构造，进料间隔件的长度是从中心核心测量的螺旋长度。如对于本领域普通技术人员将显而易见的那样，进料流的方向将确定厚度梯度的方向。因此，进料通道的变化可针对图2、3、4、5和6中显示的进料流构造实施例中的任一个而定制。

轮廓802是直线，其指示柔性防水垫片的厚度在进料间隔件的整个长度上是恒定的。因而随着给水从入口流到核心，进料通道的高度保持不变。

轮廓804是直线，其指示柔性防水垫片的线性地增加的厚度。厚度在模块的滞留物出口附近的端部处最低，而在进料溶液入口附近的端部处最高。换句话说，随着给水从进料溶液入口横穿到滞留物出口，进料通道的高度线性地减小。

轮廓806是阶梯类型的轮廓，其指示柔性防水垫片的厚度随着进料间隔件的长度以阶梯的方式增大。在一个示例实现中，轮廓806可提供对于膜堆叠的每圈具有不同的高度的进料通道。对于其中进料溶液通过轴向入口端口进入的实现，进料通道的高度对于膜堆叠的最外圈将是最高的，而进料通道的高度对于膜堆叠的最内圈将是最低的。而对于其中进料溶液通过中心核心进入的实现，进料通道的高度对于膜堆叠的最内圈将是最高的，并且进料通道的高度对于膜堆叠的最外圈将是最低的。

轮廓808是曲线，其指示柔性防水垫片的厚度随着进料间隔件的长度而非线性地且逐渐地增大。在一个示例实现中，在进料间隔件的预先限定的长度之后，轮廓808可变得基本平坦。

柔性防水垫片的厚度轮廓可使用这样的因素来确定，即，诸如但不限于，由于给水在流过进料通道时的纯化而引起的进料体积的减小量。进料体积的这种减小会降低固定高度进料通道中的进料溶液速度。因而，在不改变用来对给水加压的泵的运行参数的情况下，可基于从进料溶液入口到滞留物排出端口的所需速度梯度来选择厚度轮廓。保持进料溶液速度还可降低浓度极化和保持穿过膜的质量传输，因而改进螺旋进料流RO元件的效率。

前述描述包括成螺旋缠绕构造的分离模块的多种实施例。但是，这些实施例的教导可同等地应用于平坦类型的分离模块。具体而言，结合图6描述的实施例可容易地实践于成平坦类型构造的分离模块中。平坦类型的分离模块包括类似于结合图1描述的膜堆叠的膜堆叠。但是，膜堆叠被摊平在框架或板组件上，而非缠绕在中心核心周围。多种布置的板和框架可用来将柔性防水垫片压靠在膜元件上，以有效地密封进料通道。另外，如结合图8描述的那样，柔性防水垫片可具有沿着进料间隔件的纵向长度而改变的厚度。平坦类型构造的分离模块典型地包括连接到进料载体上的进料入口端口和滞留物排出端口，以及连接到渗透物载体上的渗透物排出端口。

虽然结合本文提出的实施例来描述具体实现和应用领域，但是这样的描述仅用于说明的目的。根据这个描述，本领域技术人员将认可，这样的实施例可以仅由所附权利要求的精神和范围所限定的修改和变化来实践。

Claims

1. 一种分离模块，包括：

进料间隔件；

包含柔性防水材料的垫片，其设置在所述进料间隔件的一个或多个边缘的至少一部分上；

设置在所述进料间隔件的第一表面上的膜层；以及

渗透物载体，其设置在膜元件的与所述进料间隔件相反的表面上。

2. 根据权利要求1所述的分离模块，其特征在于，所述垫片包含热塑性聚合物。

3. 根据权利要求1所述的分离模块，其特征在于，另外包括核心元件，并且其中，所述进料间隔件、所述膜元件和所述渗透物载体沿径向设置在所述核心元件周围。

4. 根据权利要求1所述的分离模块，其特征在于，通过将所述垫片压靠在所述膜元件上来形成密封。

5. 根据权利要求1所述的分离模块，其特征在于，所述防水柔性材料至少一部分设置在所述进料间隔件的轴向边缘上。

6. 根据权利要求1所述的分离模块，其特征在于，所述柔性防水材料的厚度沿着所述进料间隔件的长度而改变。

7. 根据权利要求1所述的分离模块，其特征在于，进一步包括在所述垫片和所述膜元件之间的粘合剂材料。

8. 根据权利要求1所述的分离模块，其特征在于，所述进料间隔件包括开口网结构。

9. 一种反向渗透系统，包括根据权利要求3所述的一个或多个分离模块。

10. 一种正向渗透系统，包括根据权利要求3所述的一个或多个分离模块。

11. 一种物理过滤系统，包括根据权利要求3所述的一个或多个分离模块。

12. 一种用于制造分离模块的方法，所述方法包括：

提供进料间隔件；

用柔性防水材料浸渍所述进料间隔件的一个或多个边缘的至少一部分；

将膜元件设置在所述进料间隔件上；以及

将渗透物载体设置在所述膜元件的与所述进料间隔件相反的表面上。

13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，另外包括将所述进料间隔件、所述膜元件和所述渗透物载体沿径向缠绕在核心周围。

14. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，另外包括挤压所述柔性防水材料而形成密封。

15. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，另外包括将第二膜元件设置在所述渗透物载体的与所述第一膜元件相反的表面上。

16. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，另外包括在所述柔性防水材料和所述膜元件之间应用粘合剂。

17. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，另外包括将热固性聚合物设置在所述柔性防水材料和所述膜元件之间。