螺旋型膜元件及其製造方法
2023-05-14 03:42:21 2
專利名稱：螺旋型膜元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種螺旋型膜元件(spiral membrane element)，其包括圓筒狀卷繞體和密封部分，所述圓筒狀卷繞體包括穿孔的中心管以及，以疊層狀態圍繞著穿孔的中心管螺旋卷繞的分離膜、供給側通道材料和滲透側通道材料；所述密封部分用於防止供給側流體和滲透側流體混合在一起。
背景技術：
作為在反滲透、超濾、微濾、透氣、排氣等中所使用的流體分離元件，已知例如螺旋流體分離元件，其包括中心管和螺旋卷繞該中心管的單元，該單元包括供給側通道材料和滲透側通道材料，其中所述供給側通道材料將供給側流體導向分離膜的表面，所述分離膜分離供給側流體；所述滲透側通道材料將滲透側流體導向所述中心管，所述滲透側流體通過滲透穿過所述分離膜而與供給側流體分離。
這種螺旋型膜元件通常如下製造，即交替層壓供給側通道材料和滲透側通道材料，所述供給側通道材料固定在摺疊的分離膜的兩個對半之間；將粘合劑塗敷在分離膜的邊緣(沿該分離膜的3條邊)，以防止供給側流體與滲透側流體發生任何混合，從而製造出分離膜部件；圍繞中心管螺旋卷繞一個或多個這樣的部件，以形成圓筒狀卷繞體；然後修剪所述卷繞體的兩端(修飾那些端部)。如此製造出來的螺旋型膜元件具有這樣的結構，即分離膜、供給側通道材料和滲透側通道材料以疊層狀態圍繞著穿孔的中心管螺旋卷繞，並且提供了密封部分，該密封部分用於防止供給側流體和滲透側流體混合在一起。
在這種螺旋型膜元件中，供給側通道材料具有兩個主要功能(1)固定供給側通道；以及(2)攪拌供給側流體以防止在分離膜附近出現濃度兩極分化。當功能(2)被展現出來時，供給側流體通道會發生壓力損失。
為了減少在分離膜元件中供給側通道發生任何壓力損失，已知的一種方法是改變供給側通道材料中網孔的孔距或角度，或者增加供給側通道材料的厚度(例如，參見日本專利JP 3230490和JP-A-11-235520)。
然而，前一種方法使得供給側通道材料不能有效地攪拌供給側流體，從而就不能有效地防止在分離膜附近發生濃度兩極分化，並且會降低螺旋型膜元件的分離性能。後一種方法使得螺旋型膜元件僅由較少量的分離膜填充而成，且會降低其滲透性能。
另一方面，到目前為止，通常使圓筒狀卷繞體的軸向長度相對於中心管的長度而言儘可能地長，這是因為當將螺旋型膜元件放置在膜模塊容器(membrance module container)中時，螺旋型膜元件的圓筒狀卷繞體(膜部分)較大的長度有利於增大膜的表面積。
然而，圓筒狀卷繞體朝其兩端沿著一定寬度螺旋密封(如粘合)，除非每個這樣的密封部分具有至少一定的軸向寬度，否則便不可能形成任何可靠的密封，並且即使圓筒狀卷繞體的軸向長度可能接近於中心管的長度，也不可能使任何無效膜表面積保持低於一定的值。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種螺旋型膜元件，其具有增大了的有效膜表面積而沒有降低其分離性能，並同時保持了圓筒狀卷繞體的任何密封部分的密封性能。
本發明的另一個目的是提供該螺旋型膜元件的製造方法。
為了實現上述目的，對元件的兩個端部進行密封的方法和結構進行了廣泛的研究，結果發現，不是起初就形成具有較小寬度的任何密封部分，而是在形成任何密封部分之後，通過切削和除去任何密封部分的一部分，可以形成具有小寬度的密封部分，同時也保持了兩端的密封性能。
因此，本發明的螺旋型膜元件包括圓筒狀卷繞體和密封部分，其中所述圓筒狀卷繞體包括穿孔的中心管以及，以疊層狀態繞著穿孔的中心管螺旋卷繞的分離膜、供給側通道材料和滲透側通道材料；所述密封部分用於防止供給側流體和滲透側流體混合在一起；其中，在所述圓筒狀卷繞體的兩端的每一端形成的密封部分是通過粘合劑以基本恆定的寬度螺旋而形成的，並且所述密封部分的修剪部分形成在其整個端表面上，並且圓筒狀卷繞體的長度與中心管的長度之比為0.96至1.00，無效膜表面積與整個膜表面積之比為0.02至0.10。
本發明的螺旋型膜元件具有寬度減小了的密封部分，但仍保持了其密封性能，因此，該元件具有降低比例的無效膜表面積，並同時使圓筒狀卷繞體保持了至少一定的長度，這是因為在圓筒狀卷繞體的兩端形成的各個密封部分的外部部分被切除，並且使修剪過的截面暴露在其整個端表面上。這種螺旋型膜元件具有增大了的有效膜表面積，而且並未因厚度的增大而降低它的攪拌作用或降低它的分離性能，這是由於它的供給側通道材料無需特別改變的緣故。有效膜表面積是除下列部分之外的整個膜表面積，上述部分是儘管有分離膜也不能表現出任何分離性能的一些和所有無效部分的總膜表面積，例如圓筒狀卷繞體兩端的密封部分、通過將粘合劑塗敷於分離膜的邊緣而形成的任何粘合劑密封的部分以及具有與分離膜的摺疊處粘接的保護帶的任何部分。
由於並不增加所使用的材料，因此密封部分寬度的減小也使得可以減小螺旋型膜元件每單位有效表面積的壓力損失，並且可以抑制生產成本的增加，同時也減少了任何浪費，這是因為通過修剪減小了所切除的部分。
粘合劑優選為觸變流體。由於工作安排而導致經常不可避免的情況是使塗敷於分離膜邊緣的粘合劑靜置一段時間，直到將膜等圍繞著中心管卷繞，並且在這種情況下，任何普通粘合劑都會因其自身的重量而鋪展開，從而形成具有大寬度的密封部分。另一方面，當施加外力時具有粘性降低性能的觸變流體，如果塗敷後沒有對其施加外力，容易保持其塗敷的狀態，因此有利於形成具有控制寬度的密封部分。
優選地，其兩端粘合在密封部分上的分離膜的多孔層的孔是封閉的。分離膜通常具有多孔結構，從而允許流體在垂直於和平行於膜的兩個方向上流動。然而，只有當流體在垂直於分離膜的方向上流動時，所述膜才能展現出它的分離性能。因此，在螺旋型膜元件中，需要抑制任何平行於分離膜的流體流動。然而，有時，塗敷於分離膜邊緣的粘合劑不可能完全地抑制平行的流體流動，有時需要擴大各個密封部分的寬度，從而增大任何平行流體流動通道的長度，並對任何平行的流體流動產生更大的阻力，從而抑制平行方向上的流動。在這些情況下，封閉上述分離膜的每一粘合劑塗敷部分的多孔層中的這些孔，就可以抑制流體平行於所述膜流動，從而可減小每個密封部分的寬度。
根據本發明，製造螺旋型膜元件的方法包括步驟以疊層狀態圍繞著穿孔的中心管螺旋卷繞分離膜、供給側通道材料和滲透側通道材料，以形成圓筒狀卷繞體；形成密封部分，該密封部分用於防止供給側流體和滲透側流體混合在一起，其中，所述密封部分是通過粘合劑在所述圓筒狀卷繞體的各端附近以基本恆定的寬度形成的，並且所述密封部分的20-60％的寬度被切去。
本發明的製造方法可以獲得這樣一種螺旋型膜元件，即這種螺旋型膜元件在沿著每個密封部分方向上的寬度小，並同時保持了其兩端的密封性能，並且有效膜表面積大，而且並未降低其分離性能，這是由於這種方法並不是起初就形成小寬度的密封部分，而是在密封之後切去每個密封部分的一部分。
圖1A和圖1B均為步驟圖，其說明了本發明製造螺旋型膜元件的方法。
圖2是另一步驟圖，其說明了本發明製造螺旋型膜元件的方法。
圖3是另一步驟圖，其說明了本發明製造螺旋型膜元件的方法。
圖4是本發明螺旋型膜元件的分解圖。
101分離膜102供給側通道材料103滲透側通道材料105中心管300圓筒狀卷繞體(修剪以前)302密封部分(在兩端)303密封部分(在外部邊緣)304圓筒狀卷繞體(修剪之後)A中心管的長度B圓筒狀卷繞體的長度U分離膜單元具體實施方式
下面參照附圖詳細地描述本發明。圖1至圖3是說明根據本發明製造螺旋型膜元件的方法的步驟圖。
如圖1至3所示，本發明螺旋型膜元件包含圓筒狀卷繞體304和密封部分302和303，其中所述圓筒狀卷繞體304包括穿孔的中心管105；以疊層狀態圍繞著穿孔的中心管螺旋卷繞的分離膜101、供給側通道材料102和滲透側通道材料103；所述密封部分302和303用於防止供給側流體和滲透側流體混合在一起。
在圓筒狀卷繞體304兩端形成的密封部分302各自是通過粘合劑以基本恆定的寬度螺旋而形成的，並且具有暴露在圓筒狀卷繞體304的整個端表面上的修剪過的截面。沿著圓筒狀卷繞體304的最外緣形成的密封部分303也可以由粘合劑形成，或者通過使用熱熔膠粘劑、可熱熔膠帶、可熱焊薄片等形成，但為了簡化製造過程，優選採用與密封部分302相同的粘合劑來形成密封部分303。
本發明的螺旋型膜元件的無效的膜表面積與其整個膜表面積之比為0.02至0.10。在本發明的上下文中，有效的膜表面積是指螺旋型膜元件中表現出其分離性能的那部分分離膜的表面積，無效的膜表面積是指不能表現出任何分離性能的那部分分離膜的表面積，整個膜表面積是指通過計算有效的和無效的膜表面積之和所得到的分離膜的表面積。
如果無效的膜表面積與整個膜表面積之比小於0.02，則通過將粘合劑塗敷於分離膜的邊緣而形成的密封部分的寬度就會太窄，以致於不能令人滿意地執行其防止供給側流體和滲透側流體混合在一起的功能。另一方面，如果無效的膜表面積與整個膜表面積之比超過0.10，則無效的部分將在供給側通道中產生較大的壓力損失，從而增大了螺旋型膜元件的每單位有效膜表面積的壓力損失。
根據本發明，圓筒狀卷繞體304的長度與中心管105的長度之比為0.96至1.00。如果該比率小於0.96，則通過切削大量的分離膜101的除去引起了有效膜表面積的減小，從而導致每單位有效膜表面積的壓力損失增大，並且還導致被當作廢料切去和除掉的材料的量增大。這樣對環境產生了不利的影響。另一方面，如果該比率超過1.00，則中心管105的端部就會被嵌入到螺旋型膜元件的端表面中，從而使其難以處理。
圓筒狀卷繞體304可適當的方法來製造，例如，如圖1和圖2所示的製造方法。圖1A是分離膜單元U的頂視圖，圖1B是所述分離膜單元U的前視圖。
如圖1和圖2中所示，根據本發明，製造螺旋型膜元件的方法包括這些步驟以疊層狀態圍繞著穿孔的中心管105螺旋卷繞分離膜101、供給側通道材料102和滲透側通道材料103，以形成圓筒狀卷繞體300；以及形成用於防止供給側流體和滲透側流體混合在一起的密封部分302和303。
首先製造分離膜單元U，其可如下製造即通過將摺疊成對半的分離膜101和滲透側通道材料103互相層壓在一起，其中供給側通道材料102夾在摺疊成對半的分離膜101之間；然後將粘合劑層104和106塗敷於所述滲透側通道材料103的相反縱向邊緣上以及卷繞結束處的邊緣上，以形成用於防止供給側流體和滲透側流體混合在一起的密封部分302和303，如圖1中所示。
圖1A說明了粘接至所述分離膜101的摺疊部分上的保護帶107，但是可以不使用保護帶107。由粘合劑層104和106密封的部分和由保護帶107防止展現出分離膜101功能的部分構成了所述無效膜表面積。
儘管已將本發明的實施方式描述成在摺疊成兩個對半的分離膜101上層壓滲透側通道材料103，其中供給側通道材料102夾在摺疊成對半的分離膜101之間，然後將粘合劑層104和106塗敷至其上；也可以將摺疊成對半的分離膜101層壓在滲透側通道材料103上，然後將粘合劑層104和106塗敷至其上。還可以利用以交替方向摺疊的連續膜來代替摺疊成對半的分離膜101，或者對分離膜101進行定位以使其卷繞可以在其摺疊處終止。
反滲透膜、超濾膜、微濾膜、氣體分離膜、脫氣膜等均可用作分離膜101。網狀物等材料可用作供給側通道材料102。網狀物、編織物等材料可用作滲透側通道材料103。
任何已知的粘合劑，如氨基甲酸酯(urethane)、環氧樹脂(epoxy)或者熱熔膠粘劑，可用作粘合劑層104和106。根據本發明，為了容易控制由粘合劑形成的密封部分302和303的寬度，使用觸變流體形式的粘合劑是有效的。這種類型的常用粘合劑是通過將觸變物質添加至液態粘合劑成分中而製成的，這種粘合劑的實例為向其中加入了二氧化矽微細顆粒的不飽和聚酯和氨基甲酸酯粘合劑。
根據本發明，分離膜101的粘合劑塗敷部分中多孔層的孔是封閉的，使得可以抑制任何平行於該部分的流體流動，從而縮小了各密封部分302或303的寬度。多孔層的孔能夠被封閉，例如通過由粘合劑填充多孔層、在壓力下壓碎多孔層、或者通過加熱來熔化。
將一層或多層分離膜單元U層壓並圍繞著穿孔的中心管105螺旋卷繞，以及通過加熱等固化粘合劑層104和106，以獲得至少在滲透側通道的相反端鄰近處密封的圓筒狀卷繞體300。該實施方式還在卷繞末端處密封滲透側通道的邊緣以及密封中心管105的外圍。
層壓的分離膜單元U內的層數取決於滲透的流體所需的量，儘管至少一層就已經足夠了，但是為了處理方便，設定的上限為約50層。層壓的分離膜單元U的層數越多，每個分離膜單元U卷繞的圈數就會越小。
根據本發明，具有基本恆定的寬度的密封部分302是通過粘合劑在圓筒狀卷繞體300的兩端附近形成的，並且通過切削修剪或除去各個密封部分302的一部分，該部分在寬度上相當於每個密封部分的20％到60％，優選為30％到50％，如圖3中所示。因此，形成了圓筒狀卷繞體304，該圓筒狀卷繞體304在兩端處都具有密封部分302以及具有暴露在其整個端表面上的修剪過的截面，各個密封部分302是通過粘合劑以基本恆定的寬度螺旋而形成的。該實施方式表示這樣的實施例，在該實施例中，各個具有固定不變寬度的修剪部分301是從軸向長度基本與中心管105的軸向長度相同的圓筒狀卷繞體300上切除的。在圖3中，A是中心管的長度，B是圓筒狀卷繞體304修剪之後的長度。
修剪可通過切削並去除各個修剪部分301，並同時使中心管105保持完整無缺的方法來完成，例如利用帶有旋轉式刀片的切削器具等，當圓筒狀卷繞體300相對於切削器具進行轉動時，可沿著圓筒狀卷繞體300的整個圓周來切割所述圓筒狀卷繞體300的方法；或者利用固定刀片，當轉動圓筒狀卷繞體時，切割圓筒狀卷繞體300的方法。
圖4顯示分解形式的修剪之後的圓筒狀卷繞體。有效分離膜部分401的表面積為所述的有效膜表面積，樹脂密封部分402和膠帶粘接的部分403的總表面積為所述的無效膜表面積，有效分離膜部分401、樹脂密封部分402和膠帶粘接的部分403的總表面積為所述的整個膜表面積。
如果需要，本發明的螺旋型膜元件可進一步包括位於圓筒狀卷繞體304表面上的外部裝飾材料。所述外部裝飾材料可由卷繞在圓筒狀卷繞體304表面上的一片或多片來形成。聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙稀、玻璃纖維布等都可用作所述外部裝飾材料。
根據需要，本發明的螺旋型膜元件可進一步包括防止其變形(例如，縮短)的穿孔的邊緣組件；密封材料；加強材料等。
以下將描述本發明的其它實施方式。
(1)儘管上述實施方式描述了修剪圓筒狀卷繞體兩端的實例，但是本發明並不排除僅一端被修剪的圓筒狀卷繞體。另外，在附圖中顯示的實施方式為兩端寬度相等的修剪部分，但是也可以使左端和右端修剪的部分的寬度不同。
(2)儘管將上述實施方式描述成從軸向長度與中心管軸向長度基本相等的圓筒狀卷繞體上除去一定寬度的修剪部分，但是也可以在形成軸向長度大於或小於中心管軸向長度的圓筒狀卷繞體之後，切除恆定寬度的修剪部分，包括密封部分。
(3)儘管將上述實施方式描述成切除一定寬度的修剪部分，同時使中心管保持原狀不變，但是也可以切除修剪部分和中心管，然後連接其它組件以延長中心管。
下面將參照實施例來更詳細地描述本發明，但是，應理解本發明不應解釋為局限於此。
實施例1根據本發明的製造方法，製造螺旋型膜元件，所使用的中心管的長度為1016毫米；修剪之後的圓筒狀卷繞體的長度為975毫米；粘合劑密封部分的寬度(鄰近每個修剪部分)為15毫米；粘合劑密封部分的寬度(鄰近分離膜的終端)為25毫米；保護帶的寬度為25毫米；分離膜為NTR-759HR(NittoDenko Corporation的產品)；分離膜的長度為1460毫米；分離膜的寬度為1016毫米；分離膜單元的數目為26；供給側通道材料的厚度為0.72毫米；供給側通道材料的網狀物的交角為90°。使用的粘合劑是一種觸變粘合劑(UR-3501，H.B.Fuller Co.的產品)。通過加熱熔化使待塗敷粘合劑的分離膜的部分中的多孔膜的孔封閉。
將如此獲得的螺旋型膜元件放置在內直徑為202毫米和長度為1280毫米的圓筒形不鏽鋼容器中，並且在20℃的溫度、以每分鐘100升的流量來供應水，檢測所述水的壓力損失。結果是，每單位有效膜面積的壓力損失為0.49kPa/m2。
比較例1以與實施例1中相同的方法來製造螺旋型膜元件，並且所使用的中心管的長度為1016毫米；修剪之後的圓筒狀卷繞體的長度為938毫米；粘合劑密封部分的寬度(鄰近每個修剪部分)為34毫米；粘合劑密封部分的寬度(鄰近分離膜的終端)為50毫米；保護帶的寬度為50毫米；分離膜為NTR-759HR(Nitto Denko Corporation的產品)；分離膜的長度為1460毫米；分離膜的寬度為1016毫米；分離膜單元的數目為26；供給側通道材料的厚度為0.72毫米；且供給側通道材料的網狀物的交角為90°。
利用如此製造出來的元件，在與實施例1相同的測量條件下測量流體分離膜的壓力損失。結果是，每單位有效膜面積的壓力損失為0.54kPa/m2。
表
從表中所示結果來看，很明顯，實施例1中的元件每單位有效膜面積的壓力損失要小於比較例1中的元件每單位有效膜面積的壓力損失約10％。在實施例1和比較例1中所使用的分離膜單元的數目是相同的，並且所使用的原材料的總量沒有變。通過修剪除去的分離膜的寬度為41mm，這幾乎是比較例1的結果78mm的一半。
比較例2以與實施例1中相同的方法來製造螺旋型膜元件，不同之處在於粘合劑塗敷的分離膜部分沒有將孔封閉。所得的結果與表中所示的實施例1中得到的結果相同，但滲透側壓力保持試驗的結果表明在兩端處密封部分的密封性能低於實施例1中的密封性能。
比較例3以與實施例1相同的方法來製造螺旋型膜元件，不同之處在於將粘合劑以15mm寬度塗敷於每個端部的密封部分。所得的結果與表中所示的實施例1中得到的結果相同，但滲透側壓力保持試驗的結果表明在兩端處密封部分的密封性能低於實施例1中的密封性能。
對於本領域普通技術人員進一步顯而易見的是，可以對以上所描述和顯示的發明的形式和細節作出各種變化。這些變化旨在包括在權利要求書的精神和範圍內。
本申請基於2003年10月2日提交的日本專利申請2003-344303，在此引用其全部公開內容作為參考。
權利要求
1.一種螺旋型膜元件，其包括圓筒狀卷繞體和密封部分，所述圓筒狀卷繞體包括穿孔的中心管，以及以疊層狀態圍繞著穿孔的中心管螺旋卷繞的分離膜、供給側通道材料和滲透側通道材料；所述密封部分用於防止供給側流體和滲透側流體混合在一起；其中，在所述圓筒狀卷繞體兩端的每一端形成的密封部分是通過粘合劑以基本恆定的寬度螺旋而形成的，並且所述密封部分的修剪部分形成在其整個端表面上，並且圓筒狀卷繞體的長度與中心管的長度之比為0.96至1.00，無效膜表面積與整個膜表面積之比為0.02至0.10。
2.權利要求1所述的螺旋型膜元件，其中所述粘合劑包含觸變流體。
3.權利要求1所述的螺旋型膜元件，其中通過粘合劑兩端粘接於密封部分上的分離膜的多孔層中的孔是封閉的。
4.一種製造螺旋型膜元件的方法，其包括下述步驟以疊層狀態圍繞著穿孔的中心管螺旋卷繞分離膜、供給側通道材料和滲透側通道材料，以形成圓筒狀卷繞體；形成密封部分，該密封部分用於防止供給側流體和滲透側流體混合在一起，其中所述密封部分是通過粘合劑在所述圓筒狀卷繞體的兩端附近以基本恆定的寬度而形成的，並且所述密封部分的20-60％的寬度被切去。
全文摘要
本發明披露了一種螺旋型膜元件以及製造方法，該螺旋型膜元件具有增大的有效膜表面積而沒有降低螺旋型膜元件的分離性能，同時還保持了圓筒狀卷繞體的密封部分的密封性能。該螺旋型膜元件包括圓筒狀卷繞體和密封部分，所述圓筒狀卷繞體包括穿孔的中心管，以及以疊層狀態圍繞著穿孔的中心管螺旋卷繞的分離膜、供給側通道材料和滲透側通道材料；所述密封部分用於防止供給側流體和滲透側流體混合在一起；其中，在所述圓筒狀卷繞體兩端的每一端形成的密封部分是通過粘合劑以基本恆定的寬度螺旋而形成的，並且所述密封部分的修剪部分形成在其整個端表面上，並且圓筒狀卷繞體的長度與中心管的長度之比為0.96至1.00，無效膜表面積與整個膜表面積之比為0.02至0.10。
文檔編號B01D63/08GK1676203SQ200410103298
公開日2005年10月5日 申請日期2004年9月30日 優先權日2003年10月2日
發明者石井勝視 申請人:日東電工株式會社