多组分中空纤维膜管板制造技术

公开了一种多组分的中空纤维膜管板，该管板可提供改进的膜性能，特别是在高工作压力下的膜性能。该多组分管板的特征在于，在轴向上具有可变动的组成和可变动的物理特性。还提供了制造多组分管板的方法。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半渗透性中空纤维膜装置，它包括多组分的环氧树脂管板，在管板轴向长度上具有不同的组成。管板沿轴向长度上的物理和力学特性是变动的并以此来改进中空纤维膜装置的性能，特别是膜两侧工作压力很高时的性能。在多种工业都采用以膜来分离多种流体、包括气体混合物的工艺方法。这些工艺方法中有代表性的是微过滤、超滤、反向渗透和气体分离。用来实现分离的膜已生产出了多种几何形状的，如平板状的、螺旋缠绕平板状的、管状的和中空纤维的。膜的外形种类常取决于所实行分离的性质。例如，要分离粘性液体混合物时，使用大直径的管形膜可能是有利的，因为它可保持流体的速度并使膜的表面被堵塞的现象减到最少。相反地，当分离低粘性的流体、如气体时，使用中空纤维构形的膜将是更适当的。微细的中空纤维对制造膜是特别有利的，因为它可产生出非常高的表面积对容积之比。这一效益多来自膜的支撑结构与中空纤维结为一体，亦即，膜是一个自我支撑的实体。这一点是与平板状膜或管状膜相反的，平板状膜典型地是浇铸在无纺布上；而管状膜是常常浇铸在多孔衬管上的。因此，平板状、螺旋缠绕平板状和管状膜有相当大的一部分组件容积是被膜的支撑结构所消耗掉的。这些容积自然就无法用于在组件上装填额外的有效膜面积了。在市场上，大捆的中空纤维膜是组装成渗透器或组件的。在这些组件中，纤维有时是以平行方式来组装的，但常常更有利的是把纤维卷绕在一根芯柱上，以使纤维捆具有结构上的整体性。作为中空纤维膜生产工艺的一部分，至少纤维捆的一端应被浇铸或灌封在通常所称的管板上。更普通的办法是，纤维捆的两端都这样被封装住。管板用来以不透流体的方式固定纤维，以使原料流体与滤过流体分隔开，这样可借助于使原料混合物中一种或多种组分选择性地通过膜而把流体中的各组分分离开来。管板可借助于使用多种液态树脂材料中的一种来制造，这些材料随后常可通过化学固化工艺来固化。典型的用来浇铸管板的这类树脂化合物为热固性聚氨酯和环氧树脂。可用任何适当的工具来把液态树脂加到中空纤维捆的端部。Fritzche等在美国专利4,323,454中描述了一种方法，它把中空纤维捆放在一个模子中，同时把粘度较低的液态树脂组合物倒入模子。McLain在美国专利3,422,008中使用一台树脂洒注机在膜组件上做成管板，即使中空纤维是围绕芯柱卷绕成捆的，也能在需要的地方做成管板。不用说，应选择适当物理特性的液态环氧树脂来适应所采用的具体方法。固化的树脂组合物的性能必须能满足膜组件具体用途的要求。例如，用于低压分离溶于液体中的固体的中空纤维膜组件的管板，其要求就可能不同于用于在高压下分离气体组分的中空纤维膜组件的管板的要求。在用于气体分离的中空纤维膜组件方面，管板有几种特性是通常所要求的。首先，固化的树脂必须有足够的强度，以在组件工作时承受住管板两侧的压力差。气体原料的压力常可能超过80大气压，如果膜的滤过压力接近于大气压的话，那么横跨在管板上的压力差也随之将接近于80大气压。其次，做成管板的固化的树脂混合物还必须能加工切割或在使用中能保持洁净，以使中空纤维的孔保持开启，允许气体沿中空纤维的长度自由通过。最后，固化的树脂必须表现出有很好的柔韧性，必须牢固地粘结在中空纤维上，在中空纤维和管板之间保持不透流体，从而防止原料气流中不必要的物质混入滤过气中。但是，屡次发现，单一组分的管板材料是很难满足这些要求的。举例说，表现有高强度的固化树脂材料通常都具有很高的玻璃化转变温度(Tg)。尽管这样的难于控制的材料具有高压操作所要求的高硬度和高抗拉强度，但是它们的柔韧性和粘结特性通常却是次于较软的、Tg较低的材料的。如上所述，管板材料与中空纤维粘结不好会在操作中导致原料组分和滤过组分的不希望出现的混杂。因此，常常要求单一组分的管板的特性之间作出折衷。在大多数情况下，管板的总体强度和硬度是不能让步的，以避免组件突然失效；因此膜组件的管板就被做成在中空纤维与管板交界区的粘结和柔韧特性都比最佳值要差。管板在交界区的这些缺陷会导致膜组件的性能不好。附图说明图1示出中空纤维膜组件的这一关键区域，这在普通的中空纤维膜上是被称为交界区的区域。带有多孔壁2的中空纤维1被封装在适当的树脂中形成管板5，要封装得使中空纤维的孔3保持在开启状态。交界区6是管板上中空纤维已灌封段与未灌封段交界的区域，它处于管板底端7的远端。通常在交界区没有清晰的分界线，这是由于所谓的芯吸作用(Wicking)所造成的。当液态封装用化合物由于毛细作用在中空纤维间的缝隙4中被提升起来时，就发生芯吸作用而在纤维上形成不规则的边界6。树脂的这种芯吸部分可形成离中空纤维基底不同高度的光硬结构。尽管膜性能由于交界区域的缺陷而失效的确切机理还不清楚，但可相信，失效是与组件的工作状态以及中空纤维与封装用树脂在力学上相异有关的。中空纤维膜的工作状态不外两种模式之一，即孔侧进原料或壳侧进原料。前者是被处理的流体从纤维的孔侧送入，而滤过流体则通过膜壁而进入组件的所谓壳侧。在后一种工作模式下，原料流体被送入膜的壳侧，而滤过流体则通过纤维孔被收集起来。在气体分离膜组件上通常用的是壳侧送料工作模式，其中膜两侧的压力差是很高的。当膜工作在这种模式下时，纤维要承受原料流体作用力的压迫。由于中空纤维的结构总是拼合起来的或不对称的，并且是用具有很大的松散空容积的聚合材料构成的，因此纤维在极高的跨膜外界压力下会被压紧。纤维初始形状的这一变形如果使膜从刚性的管板上撕开的话，就会引起膜的渗漏。由于在组件工作过程中可能发生的机械振动或压力波动，也可能导致这种特殊类型的缺陷。但是，这些缺陷有着共同的根本原因，这就是柔软可压缩的中空纤维膜在组件的交界区上运动而脱离了刚性的管板材料。在现有技术中已公开了很多方法，都尝试着要为中空纤维膜组件制造出耐久的防漏管板。Molthop在美国专利4,389,363中谈到了在渗析膜组件中用弹性氨基甲酸乙酯封装化合物来封装中空纤维。尽管这种弹性化合物可以做成用于低压流体分离的耐久的管板，但它们不适用于高压气体分离的组件，因为它们缺乏在该工艺下所要求的力学强度和温度耐受能力。Coplan等在美国专利4,207,192中公开了在制作管板前往中空纤维膜组件上加涂橡胶胶水环的方法。该胶水环起到了防止封装化合物不适当芯吸的屏障作用。由于这种材料是在灌封前加涂的，因此就有可能在这两种材料之间存在空气缝隙。这些缝隙就是无保护交界区的场所，万一两种材料之间的粘结失效，这就是工艺流体可以到达的地方。Hayashida等在日本提前公开专利申请平4-334529中公开了在中空纤维膜组件的交界区上加涂硅氧烷保护树脂的方法。硅氧烷树脂是在纤维已被灌封在环氧树脂管板中以后再加涂的。已经注意到，尽管硅树脂在正常情况下是接近管板树脂放入的，但这两层不一定是互相接触的。一般认为，如果两层间的缝隙过大，保护层的有效性就会降低。Cabasso等在按合同号14-30-3165为水研究和工艺局所写的报告中报告了硅橡胶在灌封交界面上的应用。Cabasso等在组件的环氧树脂灌封区上用了一个硅橡胶盖，以减小环氧树脂的芯吸作用，并使组件的这一区域的膜失效减到最少。该报告还进一步报告说，硅橡胶盖并没有完全消灭掉失效。因此，仍然需要有一种中空纤维灌封工艺，它应能产生出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于中空纤维膜组件的管板，所述管板当固化后，在其不同的部分包含有不同硬度的环氧树脂。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JT马彻拉斯，CA福特，JK纳尔逊，
申请(专利权)人：普拉塞尔技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]