CN1781585B - 具有优化几何特性用于流体介质的无机过滤载体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为了回收滤液而分离流体介质的无机元件的多孔载体，该多孔载体以具有特定容积和截面的拉长的刚性元件的形式存在，具有纵向中心轴，至少两个通道，每个通道有确定的液力直径和通流截面，并且以平行于其中心轴形成在载体中，通道共同具有过滤表面积，它被设计成被至少一层用于流体介质的分离层所覆盖。根据本发明：液力直径和过滤表面积除以载体的体积的乘积大于或等于2000；对于载体，它的过滤表面积与体积的比值大于或等于340，在载体截面上的通道的通流截面的总和与液力直径的比值大于或等于8m²/m²·mm。

Description

具有优化几何特性用于流体介质的无机过滤载体

技术领域

本发明的技术领域是利用通常被称为膜的分离元件的切向分离，分离元件由无机材料制成，并且包括多孔载体，多孔载体中在至少一个分离层沉积于其上的表面上形成用于流体介质的一系列流通通道(circulation channel)，其性质和形态适合于分离包含在被处理流体介质中的分子或颗粒。

背景技术

本发明的目的更确切的说是这类多孔载体的制造方法。

本发明的目的是以特别有益的用途使用于纳滤、超滤、微滤、过滤和反渗透领域。

传统上，分离膜或分离元件被定义为：由无机材料如陶瓷制成的多孔载体、和一个或多个由沉积在每个流通通道的表面上的无机材料制成的分离层的结合体，分离层通过烧结互相连接且连接到该载体之上。由于载体的机械强度，该载体的作用是使制造薄分离层成为可能。

在管状膜的领域，刚性多孔载体呈现具有多边或圆截面的拉长的形状。多孔载体布置成包括一系列互相平行以及平行于多孔载体的纵轴的通道，每一个通道呈圆柱形。这些通道一端与带有待处理流体介质的进口室连通，另一端与出口室之间连通。通道的表面被至少一个分离层所覆盖，该分离层分离存在于在通道中按照给定方向从一个所谓进口通道端至另一个所谓出口通道端流通的流体介质中的分子或颗粒。这类膜通过筛分效应，分离待处理产品中的分子或颗粒种类，条件是直径大于膜孔径的所有颗粒或分子被阻隔。在分离过程中，流体移动通过分离层时发生，然后流体向着多孔载体的外表面扩散进渗透性载体。流过分离层和多孔载体后的被处理的流体部分被称为超滤液，并且被环绕在膜周围的收集室回收。

过滤载体的主要性能参数是它的过滤表面积，所述过滤表面积相当于一个通道的内表面与通道数目的乘积。能最好地表明过滤载体效率的特性就是S/V的比值，该比值表明过滤表面积S与载体的体积V之比，因为显而易见的是如果过滤载体的过滤表面积大，则过滤载体的流出量也特别大。

因此，提高S/V比值的一个方法就是增加过滤载体中通道的数量。为了增大过滤载体的过滤表面积，为每个通道选择了非圆形截面(non-circular cross-section)。

然而，过滤载体的另外一个重要性能参数是它的机械强度。当过滤表面积增大时，过滤载体的机械强度降低。

发明内容

因此，本发明的目的是确定多孔载体的特性，在使它具有高性能的机械强度的同时，使得它的过滤表面积最优化。

为了实现这个目的，为了回收滤液，本发明涉及用于流体介质的无机分离元件的多孔载体，所述多孔载体以具有有给定体积和截面的拉长的刚性元件的形式存在，具有纵向中心轴，至少两个通道，其中每个通道具有确定的液力直径(hydraulic diameter)和通流截面(throughcross-section)，并且以平行于其中心轴形成在载体中，这些通道共同具有过滤表面积，它被设计成被至少一层用于流体介质的分离层覆盖。

根据本发明：

-液力直径和过滤表面积除以载体体积的乘积大于或等于2000，

-对于载体，它的过滤表面积与体积的比值大于或等于340，在载体截面上的通道的通流截面的总和与液力直径的比值大于或等于8(m²/m²·mm)。

因此，本发明的目的是确定包含最大可能通道数目的多孔载体。认为多孔载体有对应于它总截面与它长度乘积的体积V，并具有过滤表面积St，它对应于所有通道内表面积总和，或者如果所有通道都具有相同的截面时，它等于单个通道内表面积与通道数目的乘积。如此，已经观察到，当通道的液力直径减小时，如果比值St/V增大，这两个特性的比值就能用于定义一个数值，从它开始过滤载体是高效率的。如此，已经观察到，只有St/V比值和通道的液力直径的乘积大于或等于2000，过滤载体才变得真正有效。采用的组合件(unit)是本领域技术人员常用的组合件，换句话说，St/V比值被表示为m²/m³，并且通道的液力直径是毫米。如果通道不是全部都有相同的液力直径值，采用的通道的液力直径是所述通道的平均液力直径。

根据本发明的另一个特性，依照本发明的过滤载体的机械强度选择为优化选用使之具有最大可能的通道数量。应当考虑到，机械强度的概念与过滤载体的质量相关。对于每一个过滤载体，透明度的概念被用来描述过滤载体的质量的特性，它被定义为流体通路总截面与多孔载体总截面的比值。例如，对于外径为25mm的一个过滤载体，包括19个单个直径为3.5mm的过滤通道，透明度等于一个通道截面与通道数目的乘积除以等于25mm直径的载体的截面。因此，由于它代表了载体总截面中空的表面积的比例，透明度是过滤载体中材料的性质指标。材料表面积的这个比例乘以长度对应于过滤载体材料的体积，并由此得到质量。因此，优良的透明度相当于低质量过滤载体，而低透明度相当于高质量(mass)过滤载体。已经证明，如果透明度(换句话说是通道的通流截面总和比载体截面)和液力直径的比值等于或大于8mm^-1(m²/m²·mm)，过滤载体的机械性能真正变得高效。注意，该数量级的比值仅影响到对于那些过滤表面积St与体积V的比值大于或等于340的过滤载体。

根据本发明，多孔载体包括至少两个通道，当至少一个通道是非圆形截面时其中至少一个是圆形截面(circular section)。显然，多孔载体可能包括至少两个的通道，所述通道每一个具有非圆形截面。同样，多孔载体可包括具有中心在载体中心线上的圆形截面的通道，并且在其周围，具有非圆形截面的通道沿着一个或多个圆周进行分布。

本发明的另一个目的是为了优化过滤元件的性能而优化多孔载体中具有非圆形截面的通道的形状。换言之，过滤元件的性能也依赖于从悬浮液或溶胶一凝胶开始、控制沉积在通道表面的分离层的厚度。

因此，依照本发明的一个特性，每一个具有非圆形截面的通道包括多个圆角半径，该弯曲的半径总是大于2mm。因为圆角半径值小，当排空用来制备分离层沉积物的悬浮液或溶胶—凝胶时，观察到弯液面的形成。对于小于2mm的壁圆角半径，在悬浮液或溶胶—凝胶的流动时形成的弯液面最小并且没有形成任何缺陷。

依照本发明的另一个特性，因为每一个通道具有非圆形截面，多孔载体的形状有助于控制过滤层的厚度。必须考虑到，具有非圆形截面的通道包括平面部分和圆形部分。按惯例，如果其弯曲半径大于或等于20mm，则认为表面呈平面；相应地，如果其弯曲半径小于20mm，则认为表面呈圆形的。

应当考虑到，由于这些表面引起多孔容积的最大不均一性，在通道的形状中圆形部分不应当占优势。相反，介于邻近的两个通道的平面之间的多孔载体的厚度可能是不变的，在这些条件下，多孔容积不会变化。因此，根据本发明，非圆形通道的周边中圆形表面所占比例应该低于或等于85％，并且优选大于30％。在这些条件下，过滤层的沉积性质均匀。表1清楚地表明了这个特性的优点。表1显示应用于300KD类型层时，作为通道中圆形的表面积的百分数的函数，过滤层中沉积的质量以及Dextran 180 KD分子的滞留比例(retention ratio)的变化。因此，当表面较多圆形时，由于大的多孔储层与每一个曲面相关，沉积的质量增加。在完全圆形表面(100％)的情况下，这个质量变得非常大，以致出现裂缝。当表面变得更平坦时，过滤层的沉积物厚度在非圆形部分减小，这解释了滞留与圆形表面积百分数一起减小的原因。

表1

％圆形表面积	16	30	61	85	100
						沉积质量(g/m<sup>2</sup>)	7	8.2	9.1	10.3	15
滞留比例％	28	48	52	54	32

由于可以进行各种变化而不远离本发明的范围，所以，本发明不局限于所记述和描绘的实例。

Claims (7)

1.一种用于分离流体介质以回收滤液的无机元件中的多孔载体，该多孔载体呈具有体积(V)和截面(S)的拉长的刚性元件的形式，具有纵向中心轴，至少两个通道，每个通道有确定的液力直径和通流截面(Si)，并且以平行于其中心轴形成在载体中，通道共同有过滤表面积(St)，它被设计成被至少一层用于流体介质的分离层所覆盖，其特征在于：

-液力直径和过滤表面积(St)除以载体的体积(V)的乘积大于或等于2000，

-对于载体，它的过滤表面积(St)与体积(V)的比值大于或等于340，在载体截面(S)上的通道的通流截面(Si)的总和与液力直径的比值大于或等于8m²/m²·mm。

2.根据权利要求1所述的多孔载体，其特征在于至少一个通道有圆形截面，同时，至少一个通道有非圆形截面。

3.根据权利要求1所述的多孔载体，其特征在于至少两个通道有非圆形截面。

4.根据权利要求3所述的多孔载体，其特征在于具有非圆形截面的通道环绕分布在具有中心在载体中心线的圆形截面的通道周围。

5.根据权利要求2-4任一项所述的多孔载体，其特征在于每个具有非圆形截面的通道包括：首先，弯曲半径的圆角半径总是大于2mm，第二，弯曲半径小于20mm的表面在通道的周边中所占比例小于或等于85％。

6.根据权利要求5所述的多孔载体，其特征在于对每个具有非圆形截面的通道，弯曲半径小于20mm的表面在通道的周边中所占比例大于30％。

7.无机分离元件，其特征在于它包括根据权利要求1-6任一项所述的具有表面积被至少一层分离层所覆盖的通道的多孔载体。