膜器件和器件组成部分制造技术

一种包括由渗透载体分隔的第一薄片和第二薄片的膜器件，所述薄片由两个单独的片或者一个折叠的片构成。膜器件利用对流动具有低阻力的渗透载体材料，因此提供改进的流量和减少的盐通过率。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
相关申请本申请依据35USC119(e)要求于2002年6月4日提交的美国临时申请、系列号为60/386,032的优先权，其在被引用作为参考。
技术介绍
反渗透(RO)，纳米过滤(NF)，和超滤(UF)为压力驱动膜工艺的一些例子。膜一般以在其中使用它们的工艺命名。RO、NF和UF膜最普通的构型为平板形式。平板通常由连续工艺制成，并且通常厚度在4密耳和20密耳之间，宽度在6”和70”之间。平板膜可以用于多种构型，包括用于压力传感器、板框系统和螺旋缠绕形膜元件利用平板RO、NF或UF膜的器件的最普通形式为螺旋缠绕形元件。螺旋缠绕形元件由与供给衬垫材料(a feed space material)一起围绕一个中心管缠绕的薄片(leaf)或者薄片的组合构成。螺旋缠绕形膜元件在Bray(US 3417870)和Lien(US 4802982)的专利中中有所描述，这两篇文献的整个内容在被引用作为参考。如参考文献中所述，“薄片”为具有渗透载体(permeate carrier)的两片膜的组合，其中渗透载体放置在膜之间。两个膜片之间的区域称为渗透通道。将薄片外壳密封以隔离渗透通道，渗透通道的一部分没有密封以便允许渗透流体的去除。例如，在螺旋缠绕形膜元件中，一般将薄片的三侧密封，而薄片的第四侧一般与渗透管连接。薄片长度定义为渗透流至渗透收集通道的最长直线距离。螺旋缠绕形膜元件的制造相对便宜。单薄片膜元件的制造比包含多个薄片的膜元件的制造更简单且成本更低。用于膜元件的每个附加薄片减小了可以放置在特定尺寸的元件中的面积的最大量，这是因为附加薄片要求附加的胶缝，也因为薄片在渗透管处的一般的折痕(fold)通常被封闭，并且所述附加薄片可以造成有效膜面积的损失。进一步，膜元件中的附加薄片使元件损坏的可能性更大，这是因为在元件制造过程中不适当的放置以及因为较大的量薄片使得制造均匀圆形的元件更加困难。工业反渗透应用一般在相当高的压力下运行。例如，海水淡化一般要求600psi到900psi的操作压力。由于海水的～350psi的渗透压和“海水RO”膜相对低的渗透率，因此要求高的操作压力。一般的“微咸水”RO膜在200psi到300psi之间的施加压力下运行。在过去的几年中，某些膜公司已经开发出“低压”反渗透膜，其产生的渗透率比一般的“微咸水”RO膜高约70％。低压RO膜一般在120-180psi下操作。这种膜的一个例子为由Osmonics公司制造的Desal AK膜。家用反渗透(HRO)应用一般由室内的供水管道中的压力驱动。在美国，该压力一般为大约60psi。在其他国家，该压力可以低到大约20psi。在一些情况下，压力泵用于增加家用反渗透中的驱动压力，尽管最大驱动压力通常不大于75psi-125psi。一般的家用反渗透膜元件的直径为1.6”-1.9”，长度为12”(10”的膜，具有从其每端伸出的一英寸的渗透管)。因此，可以放置在一般家用反渗透膜元件中的膜量为用于包括渗透载体的元件结构的材料的厚度的函数。最近，已经制备出超高流量RO膜，其提供的水渗透率接近微咸水RO膜渗透率的三倍，并提供比业已制备出的“低压”RO膜大出约75％的渗透率。称为AN膜的超高流量RO膜在2002年3月1日提交的系列号为60/360,696的美国临时专利申请和2003年3月3日提交的申请号PCT/US03/06587的PCT申请中公开，这些文献的整个内容在此被引用作为参考。由于其极高的纯水渗透率，AN膜将最适合在40psi到80psi的压力范围中操作。渗透载体为螺旋缠绕形膜元件的重要部分。其功能在于为渗透提供一个在其上通过流至渗透管的通道。渗透载体必须能够有效地抑制相邻膜硬挤进入渗透通道，以及必须对渗透流提供相对低的阻力。渗透通道中施加的任何压力将引起膜工艺的净驱动力中相等的减小。膜的净驱动力定义为供给通道中的压力减去浓差压(osmotic pressure)和渗透压(permeate pressure)。在大多数工业和家用反渗透应用中，渗透通道中平均压力损耗的一般量相对于净驱动压力较低。因此，渗透通道中的压力损耗不会过分影响膜元件的整体输出。然而，当使用新开发的高流量膜来制造膜元件时，引起的高膜流量导致渗透通道中显著的压力损耗，这可以对总的元件输出产生重大的影响。下表描述了在标准膜元件构型中使用高流量膜的影响。 当由于几乎阻止了低成本多薄片家用RO应用元件的制造的显著的压力成本，家用RO元件一般以单薄片结构制造时，家用RO中的薄片长度一般大于工业RO中的薄片长度。由于一般的8”直径元件所要求的薄片长度为大约60英尺，因此利用目前的方法制造单薄片结构的工业RO元件是不实际的。当利用高流量膜(如AN膜)时，家用RO元件相对于工业RO元件较长的薄片长度是家用RO元件中较高的渗透压损耗的原因。RO膜的盐滤除能力直接与驱动压力相关，较高的驱动压力产生较高的盐滤除率(salt rejection)。因此，渗透侧压力损耗不仅减小膜流量而且增加了通过膜的盐量。
技术实现思路
结合低压操作的高流量膜的使用导致渗透侧压降的问题，这严重地限制了膜器件的流量输出并减小了膜的盐滤除能力。本系统利用对流动具有更低阻力的新的渗透载体材料，因此提供提高了的元件流量和减小了的盐通过率(salt passage)。此外，因为新开发的高流量膜可以在低压下运行，因此渗透载体不需要保持在目前的反渗透膜所要求的高压下的渗透通道的完整性。低压操作允许使用对传统的、较高压力的操作不再有用的另外的渗透载体材料。附图说明图1示出了根据一个实施例的膜器件的横截面。图2示出了对根据一个实施例的家用RO系统的示意性描述。图3示出了根据一个实施例的单薄片螺旋缠绕形膜元件。图4示出了根据一个实施例的多薄片螺旋缠绕形膜元件。图5示出了根据一个实施例的双薄片螺旋缠绕形膜元件。具体实施例方式图1示出了根据一个实施例的膜器件100的部分示意横截面。膜器件100包括提供供给溶液的薄片102，和其中夹有渗透载体110的一对膜106和108的薄片结构104。这对膜可以为两片单独的膜或者为自身折叠的单膜。溶液的流动由箭头表示，包括进入供给板102的溶液，通过膜108到渗透载体110中的渗透和继续通过板102的未过滤的浓缩物。膜器件100可以用于螺旋缠绕形结构、板框式结构，和其他类似结构。元件效率元件效率，β，粗略地为净驱动压力除以净驱动压力加上渗透通道中压力之和。较低的净驱动压力是由于通过渗透通道的流动引起的压降，并受渗透载体特性的影响。β可以根据基本流体动力学得到，等于β=Tanh(L2A*105*H)L2A*105*H]]>其中A为膜A值，表示膜渗透率，单位10-5*渗透流量(克)/膜面积(cm2)*时间(秒)*净驱动压力(大气压))L为薄片长度(定义为渗透流向渗透收集通道的最长直线距离)H表示渗透载体的流动阻力，单位为(秒*大气压)/克利用这些表示式，很清楚为了得到高元件效率，L、A和H都应当最小化。然而，由于许多使用得益于通过元件的最大流量，因此通常需要A值很高。进一步，由于长的薄片用于元件中通常比较便宜并且允许更大的面积适应于一个元件，因此也需要增加L。这样为了最大化元件的效率，需要最小化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜器件，包括：　　　　一第一膜片和一第二膜片，由一Ｈ值为约０．０４５大气压－秒／克或更低的一渗透载体分隔，其中在６５ｐｓｉ的施加压力、１０ｃｍ／ｓ的平均供给通道横向流动速度和７７°Ｆ的温度的条件下，所述膜器件能够滤除５００ｐｐｍ的ＭｇＳＯ↓［４］ＤＩ水溶液中的至少５０％的ＭｇＳＯ↓［４］。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文D克洛斯，菲利普M罗尔奇戈，克里斯托弗J库尔思，孔宪嘉，
申请(专利权)人：GE奥斯莫尼克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]