具有集成式滲透物流量控制器的螺旋卷繞組件的製作方法

2023-10-27 02:27:12 1

本發明是針對適用於液體分離的螺旋卷繞組件。

背景技術：

螺旋卷繞膜組合件在廣泛多種流體分離中使用。在一個常規住宅實施例中，單個螺旋卷繞反滲透(RO)膜組件(「元件」)容納在壓力容器內，該壓力容器包括進料(水)入口、濃縮物(廢料)出口和滲透物出口。在運行期間，加壓進料流體經由進料入口被引入到容器中，穿過組件，且在至少兩個流：濃縮物和滲透物中離開容器。螺旋卷繞膜組合件典型地被設計成在通量和回收(其中兩者理想地限於基於運行條件的最大滲透物流量)的特定範圍內運行。在較大的RO系統中，施加的壓力和廢料流量通常被分開控制，以得到優化運行，並且常規清潔和維持運行進一步促成較長系統壽命。相比之下，住宅RO系統遇到運行條件的大範圍進料壓力和品質，並且最小系統維持由終端用戶執行。另外，為了適應可變進料條件(特別是壓力和滲透強度)和終端用戶對高流量的大體希望兩者，系統可經配置成在高並且不可持續初始通量(「超通量」)下運行。這繼而導致早期膜積垢和結垢。當在高回收率下運行時，這些問題可加劇。

已經描述了多種技術以通過提供對滲透物流量的限制來改性在容器內的RO組件的流量分布。例如：US 4046685提供了在容器的滲透物路徑內的限流器，以使區分的流從容器的兩端獲得。US 2007/0272628利用具有不同標準通量比值的元件的組合，以較好管理整個容器的運行條件的差異，並且實施例利用在滲透物收集管內的限流器以使液體與不同類型的元件隔離。WO 2012/086478利用固定在上遊元件的滲透物收集管內的阻力管道，以降低滲透物流量。US 7410581描述了可沿互連組件的滲透物收集管移動到替代的位置的限流器的使用。

技術實現要素：

本發明包括適用於反滲透(RO)和納米過濾(NF)系統的螺旋卷繞組件和相對應的組合件，並且特別地適於在寬範圍的運行條件(例如，從100kPa到500kPa的進料壓力)上提供更均勻的流量。在一個優選實施例中，本發明包括至少一個圍繞滲透物收集管卷繞的膜包封，並且流量控制器位於滲透物收集管內或固定到滲透物收集管，並且提供隨滲透物流量變化而變化的流動阻力。描述了許多不同的實施例。

附圖說明

圖並未按比例繪製並且包括理想化視圖以便於描述。在可能的情況下，已在整個圖式和書面描述中使用相同的編號來指示相同或相似的構件。

圖1是螺旋卷繞組件的透視部分剖視圖。

圖2為目標組合件的實施例的部分橫截面圖。

圖3示出定位在三個不同滲透物收集管中的流量控制器。

圖4為通過流量控制器的流量(l/hr)與壓差(kPa)的曲線。

具體實施方式

反滲透(RO)和納米過濾(NF)為基於膜的分離方法，其中在半滲透膜的一側對進料溶液施加壓力。所施加的壓力導致「溶劑」(例如水)穿過膜(即形成「滲透物」)，而「溶質」(例如鹽)不能穿過膜並且在剩餘進料中濃縮(即形成「濃縮物」溶液)。一旦濃縮超出其溶解度極限，殘留的鹽(例如CaCO3)開始在膜上形成結垢。此類結垢對於住宅RO系統在高回收率下長期運行而言尤其成問題。

本發明包括一種適用於反滲透(RO)和納米過濾(NF)系統的螺旋卷繞組件。此類組件包括一個或多個RO或NF膜包封和圍繞滲透物收集管卷繞的進料間隔片。用以形成包封的RO膜相對不可滲透幾乎全部溶解鹽，並且通常阻擋超過約95％的具有單價離子的鹽，例如氯化鈉。RO膜還通常阻擋超過約95％的無機分子以及分子量大於約100道爾頓的有機分子。NF膜比RO膜更可滲透並且通常阻擋小於約95％的單價離子鹽，同時阻擋大於約50％(並且常常大於90％)的二價離子鹽，這取決於二價離子的種類。NF膜還通常阻擋在納米範圍內的粒子以及分子量大於約200到500道爾頓的有機分子。出於此說明書的目的，術語「超濾」涵蓋RO和NF兩者。

代表性螺旋卷繞膜組件一般示出在圖1中的2處。組件(2)通過繞滲透物收集管(8)同心地卷繞一個或多個膜包封(4)和任選的(一或多個)進料間隔片(「進料隔片」)(6)而形成。滲透物收集管(8)具有在相對的第一與第二端(13'、13)之間延伸的長度，並且包括沿其長度的一部分的多個開口(24)。每一膜包封(4)優選地包含膜片的兩個基本上矩形區段(10，10')。膜片的每個區段(10，10')具有膜或前側面(34)以及支撐或背側面(36)。膜包封(4)是通過上覆膜片(10，10')且對準其邊緣而形成。在一個優選的實施例中，膜片的區段(10，10')包圍滲透物間隔片(12)。此夾層型結構沿著三個邊緣(16、18、20)例如通過密封劑(14)而固定在一起以形成包封(4)，同時第四邊緣、即「近端邊緣」(22)緊靠滲透物收集管(8)以使得包封(4)的內部部分(以及任選的滲透間隔件(12))與沿滲透物收集管(8)的長度的一部分延伸的多個開口(24)流體連通。組件(2)可包括單個包封或多個膜包封(4)，每個包封由進料間隔片(6)分隔開。在所示出的實施例中，膜包封(4)通過接合鄰近定位的膜片葉包的背側(36)表面而形成。膜片葉包包含自身摺疊以界定兩個膜片「葉」的基本上矩形膜片(10)，其中每個葉的前側面(34)彼此面對，且所述摺疊與膜包封(4)的近端邊緣(22)軸向對準，即與滲透物收集管(8)平行。示出的進料間隔片(6)位於摺疊的膜片(10)的面對的前側面(34)之間。進料間隔片(6)有助於進料流體流經組件(2)。雖然未示出，但組合件中也可包括額外的中間層。膜葉包和其製造的代表性實例進一步描述在Haynes等人的US 7875177中。

在組件製造期間，滲透物間隔片(12)可圍繞滲透物收集管(8)的圓周附接，其中膜葉包在其間交錯。鄰近定位的膜葉(10，10')的背側(36)圍繞其周邊的部分(16、18、20)密封以封閉滲透間隔片(12)從而形成膜包封(4)。用於將滲透物間隔片附接到滲透物收集管的合適的技術在Solie的US 5538642中描述。(一或多個)膜包封(4)和(一或多個)進料間隔片(6)圍繞滲透物收集管(8)同心地卷繞或「輥壓」，以形成兩個相對的卷表面(入口卷表面(30)和出口卷表面(32))。所得螺旋束通過帶或其它裝置保持在適當位置。然後可修整組件的卷表面(30、32)，並且如在Larson等人的US 7951295中所描述，密封劑可任選地施加在卷表面(30、32)與滲透物收集管(8)之間的接合點處。如在McCollam的US 8142588中所描述，不可滲透的層如膠帶可圍繞卷繞組件的圓周卷繞。在替代實施例中，多孔膠帶或玻璃纖維塗層可施加到組件的周邊。

在運行中，加壓的進料液體(水)在入口卷表面(30)處進入組件(2)，並且在大體軸向方向上流動通過組件並在出口卷表面(32)處作為濃縮物離開-通過箭頭(26)。滲透物沿由箭頭(28)大體示出的滲透物流動路徑流動，其延伸通過膜(10、10')，並進入膜包封(4)，其中它通過滲透物收集管(8)流入開口(24)，並且在出口卷表面(32)處離開管(8)的第二端(13)。優選地密封滲透物收集管(8)的第一端(13')，以防止流體通過其流動。

用於構造螺旋卷繞組件的各種部件的材料是本領域中眾所周知的。用於密封膜包封的合適的密封劑包含氨基甲酸酯、環氧樹脂、矽酮、丙烯酸酯、熱熔粘合劑和UV可固化粘合劑。雖然較不常用，但也可以使用例如施加熱、壓力、超聲波焊接和帶等其它密封方式。滲透物收集管通常由塑性材料製成，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚氯乙烯、聚碸、聚(伸苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等。經編織聚酯材料常用做滲透物間隔件。在一些組件中，滲透物收集管包含多個部分，並且這些部分可如通過粘合劑或旋轉焊合接合在一起。另外的滲透物間隔件在US 8388848中描述。

膜片不受特定限制並且可以使用各種材料，例如醋酸纖維素材料、聚碸、聚醚碸、聚醯胺、聚磺醯胺、聚偏二氟乙烯等。優選的膜為三層複合材料，所述三層複合材料包含1)非編織背襯纖維網(例如可購自阿波紙業公司(Awa Paper Company)的非編織物如聚酯纖維織物)的背襯層(背側面)，2)包含典型厚度為約25μm至125μm的多孔載體的中間層以及3)包含厚度通常小於約1微米(例如0.01微米到1微米，但更通常約0.01μm到0.1μm)的薄膜聚醯胺層的頂部區別層(前側面)。背襯層不受特定限制，但優選地包含包括可經定向的纖維的非編織織物或纖維網。替代地，可使用例如帆布等編織織物。代表性實例描述於US 4,214,994，US 4,795,559，US 5,435,957，US 5,919,026，US 6,156,680，US 2008/0295951和US 7,048,855中。多孔載體通常是聚合物材料，其孔徑具有足夠大小以準許滲透的基本上不受限制的通過，但並不足夠大以便幹擾形成於其上的薄膜聚醯胺層的橋接。舉例來說，載體的孔徑優選在約0.001到0.5μm的範圍內。多孔載體的非限制性實例包括由聚碸、聚醚碸、聚醯亞胺、聚醯胺、聚醚醯亞胺、聚丙烯腈、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚乙烯、聚丙烯以及各種滷代聚合物如聚偏二氟乙烯製備的那些。區別層優選在微孔聚合物層的表面上通過多官能胺單體與多官能醯基滷單體之間的界面聚縮合反應形成。

用於反滲透的原典型膜為由間苯二胺和均苯三甲醯氯的反應製備的FilmTec'公司的FT-30TM型膜。這種和其它界面聚縮合反應描述在若干來源(例如US 4277344和US 6878278)中。聚醯胺膜層可以通過在多孔載體的至少一個表面上使多官能胺單體與多官能醯基滷單體(其中每個術語旨在涉及使用單一物質或多個物質)界面聚合而製備。如本文所用，術語「聚醯胺」是指醯胺鍵(-C(O)NH-)沿著分子鏈存在的聚合物。多官能胺和多官能醯基滷單體最常藉助於塗布步驟由溶液施用到多孔載體，其中所述多官能胺單體通常由水基或極性溶液塗布並且所述多官能醯基滷由有機基或非極性溶液塗布。

在運行中，目標螺旋卷繞組件優選地容納在壓力容器內，並且限定包括進料液體入口、濃縮物出口和滲透物出口的螺旋卷繞組合件。在本發明中使用的壓力容器不受特定限制，但優選地包括能夠承受與運行條件相關的壓力的實心結構。容器結構優選地包含腔室，其內周邊對應於將容納於其中的螺旋卷繞組件的外周邊。壓力容器的取向不受特定限制，例如可使用水平和垂直取向兩者。適用的壓力容器、組件布置和加載的實例描述於US 6074595、US 6165303、US 6299772和US 2008/0308504中。用於大系統的壓力容器的製造商包含明尼蘇達州明尼阿波利斯市的濱特爾公司(Pentair)、加利福尼亞州維斯塔市的貝卡爾特公司(Bekaert)以及以色列貝爾謝巴市的貝爾複合材料公司(Bel Composite)。對於較小系統，通常使用具有單個可拆卸端蓋的模製塑料容器。

本發明特別適合於經設計用於住宅使用的組件和螺旋卷繞組合件，例如具有小於2m2並且更優選小於1m2的膜面積的那些。此類組件的優選長度為小於0.5m。代表性超濾組件包括FilmTec的1812配置(例如TW30-1812)，其直徑為標稱1.8英寸(4.6cm)且長度為標稱12英寸(30cm)。在圖2中示出的優選實施例中，單個組件(2)定位在壓力容器(40)內，並且組合件包括單個進料入口、濃縮物出口和滲透物出口。當連接到進料泵(例如，在25℃下為組件提供至少400kPa水壓)時，在無用戶可調節的速度控制下，此實施例特別有利。

參照圖2，目標螺旋卷繞組合件的代表性實施例在38處大體示出，包括具有可拆卸的端蓋(41)、進料入口(42)、濃縮物出口(44)和滲透物出口(46)的壓力容器(40)。進料入口(42)適合於與進料液體的加壓源連接。濃縮物出口(44)適合於連接到用於再使用或棄置的路徑。滲透物出口(46)適合於連接到用於存儲、使用或進一步處理的路徑。在示出實施例中，具有周邊鹽水密封(9)的一個螺旋形卷繞組件(2)抵靠容器(40)的內表面裝配。在裝配期間，滲透物收集管(8)連接到滲透物出口(46)。O形環(11)任選地圍繞管(8)定位以在密封滲透物出口(46)時完善。流量控制器(54)定位(例如，固定)在接近第二端(13)的滲透物收集管(8)內。在替代實施例中，流量控制器(54)可固定到滲透物收集管(8)的端(13)，使得在滲透物離開組件(8)時必須穿過流量控制器。

圖3a、圖3b和圖3c示出具有在沿管(8)的長度的不同位置處定位的流量控制器(54)的滲透物收集管(8)配置的實施例。在滲透物收集管(8)的相對端(13、13')之間的長度可變化，並且可或可不延長超出組件(2)的卷表面(30、32)的一個或兩個。如圖3a所示，滲透物收集管(8)還可包含連接延伸部(33)，並且流量控制器(54)可位於連接延伸部(33)的端內或固定到連接延伸部(33)的端。在未示出的替代實施例中，流量控制器(54)可固定到滲透物收集管(8)的端(13)，使得滲透物必須穿過其以離開組件(2)。出於本發明的目的，連接延伸部(33)視為滲透物收集管(8)的一部分。

如這些實施例所示，滲透物收集管(8)在相對端(13、13')之間具有多個開口(24)。然而，在示出的實施例中，有可能管端(13)中的僅一個與開口(24)流體連通。即，優選地密封管(8)的第一端(13)，使得滲透物流動路徑(28)從膜包封延伸進入開口(24)通過管(8)並且經由管的第二端(13)離開。圖3a和圖3b示出其中存在這種情況的實施例，並且流量控制器(54)位於開口(24)的下遊。當流量控制器(54)位於第二端(13)與所有的開口(24)之間時，進入滲透物收集管(8)的所有滲透物穿過流量控制器(54)。在其它實施例中，如圖3c所示，流量控制器(24)可定位在單個開口(24)之間。在此實施例中，促進通過流量控制器(54)的下遊孔的流量，阻滯流量控制器(54)的上遊流量。在優選的子實施例中，流量控制器(54)位於滲透物收集管(8)內，使得至少90％的沿滲透物流動路徑(28)流動的滲透物在離開滲透物收集管(8)的第二端(13)之前穿過流量控制器(54)。

流量控制器(54)提供隨滲透物流量變化而變化的流動阻力，即隨滲透物流量增加而增加阻力。「阻力」(R)定義為壓降(Δp)與流量(F)的比率，即R＝Δp/F。通過流量控制器(54)的壓降始終隨著流量單調增加，但阻力值不是恆定的且可隨著流量改變。流量控制器(54)隨著通過流量控制器(54)的流量(或壓降)增加而增加阻力。以此方式，通過流量控制器的流量在所要壓力範圍的運行上可維持相對恆定。換句話說，壓降可增加兩倍、四倍或甚至十倍，而流量僅有10％改變。舉例來說，在壓降在0.1MPa與10MPa之間變化時，5GPM流量控制器(例如，可購自O'Keefe控制公司的型號#2305-1141-3/4)維持流量額定值在±％10內的流量等級。通過阻滯通過滲透物收集管(8)的滲透物流量，即使可變運行條件也可防止「過通量」。在一個優選實施例中，流量控制器(54)包含順從性部件，其可變形從而對在通過流量控制器的較高滲透流動速率或較大壓降下的流動造成較大阻力。流量控制器可包括變為部分地阻擋或改變形狀的孔，即當滲透物流量增加時變窄且當滲透物流量減小時打開。另一合適的流量控制器包括描述於www.maric.com.au的晶片型閥。通過流量控制器產生的壓降的程度可基於組合件的特徵優化，例如組件的數目、進料液體的品質、進料運行壓力等。在一個優選實施例中，流量控制器的特徵在於，當在400kPa的進料壓力和25℃的溫度下用純水(例如，RO處理或去離子)運行組件時，將滲透通量控制到小於40l/m2hr的值。優選地，在400kPa和25℃溫度的條件下，它應被控制到20l/m2hr與50l/m2hr之間，更優選地30l/m2hr與40l/m2hr之間的值，然而它另外應高於此值多於20％。在其它實施例中，當在400kPa的進料壓力和25℃的溫度下用純水運行組件時，流量控制器的特徵在於將滲透物流量控制到250與1500升/天之間的值。在其它實施例中，流量控制器的特徵在於當在200kPa的給水壓力和25℃的溫度下運行組件時，提供基礎流量值(升每分鐘)，並且其中當在僅35kPa的給水壓力和25℃的溫度下運行時，流量控制器提供等於基礎流量值的至少50％的流量值(升每分鐘)。更優選地，流量控制器的特徵在於當在300kPa的給水壓力和25℃的溫度下運行組件時，提供基礎流量值(升每分鐘)，並且當在僅35kPa的給水壓力和25℃的溫度下運行時，流量控制器提供等於基礎流量值的至少50％的流量值(升每分鐘)。

為了更好地說明流量控制器的作用，圖4提供了使用傳統孔模型(--)和兩個市售流量控制器(○、▲)通過孔的流量(GPD)與壓差(psi)的曲線。如由曲線所示，流量控制器在寬範圍的壓差上提供相對均勻的流量。

已經描述了本發明的多個實施例，並且在一些情況下，已將某些實施例、選擇、範圍、組分或其它特徵描述為「優選的」。「優選的」特徵的此類指代決不應解釋為本發明的必需或重要方面。表達範圍具體來說包括端點。前述專利和專利申請中的每一者的全部內容以引用的方式併入本文中。