螺旋形的分离膜部件 技术领域
本发明涉及用于分离悬浮或溶于液体中组分的螺旋形分离膜部件。更具体的说，本发明涉及具有内置加料例通道材料(passage material)的螺旋形分离膜部件，该通道材料具有在加料侧获得比相关领域技术更低的压力损失并能阻挡需要有效排出的悬浮物的结构。
背景技术
常规的螺旋形分离膜部件的结构包括多孔中央芯管和缠绕在其周围的，一个或多个分离膜，一个或多个加料侧通道材料，以及一个或多个渗透侧通道材料。关于反渗透性膜，将菱形的网状通道材料用作加料侧通道材料。有人报道使用此种通道材料可有效降低压力损失(见例如JP-A-11-235520、JP-A-2000-000437和JP-A-2000-042378)。
另一方面，将梯形网状通道材料用于降低加料侧通道中的压力损失，该通道材料含有伸展方向与供给液流向相平行的经丝和与经丝相连的纬丝(见例如JP-A-05-168869)。公开于JP-A-05-168869中的发明既不是基于经丝厚度和纬丝厚度间的关系，也不是基于经丝节距和纬丝节距间的关系，并且在其中并没有关于经丝和纬丝厚度的描述。
然而，纬丝通常具有与经丝相同直径的常规梯形网状通道材料具有下列缺点，纬丝会抑制供给液的流动并会引起悬浮组分堵塞通道。换句话说，加料侧通道材料需要具有除了能最小化加料侧压力损失外还能加速膜表面更新来减小浓度极化的作用。然而，常规加料侧通道材料的问题为悬浮于供给液中的组分会被通道材料的纬丝挡住，并且会增加流动阻力或引起堵塞。同样存在的问题为悬浮于供给液中的组分会被加料侧通道材料地纬丝挡住，并因此积聚在膜表面而降低了有效膜面积。
而且，发现梯形网状通道材料更易于引起上文所描述的，当经丝节距几乎与纬丝节距相同时，关于流动抑制和阻塞的问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种螺旋形分离膜部件，其可在加料侧通道获得降低的压力损失，并且很难遇到在加料侧通道中的流动抑制和阻塞的问题。
为了可以实现上述目的，本发明者对梯形网状通道材料的纬丝和经丝的厚度和节距进行了深入的研究。因而，已发现本目的可通过调节它们的厚度比例和它们的节距比例使其处于给定的范围内来实现。基于此发现完成了本发明。
本发明提供了一种螺旋形分离膜部件，其包括多孔中央芯管和缠绕在其周围的，一个或多个分离膜，一个或多个加料侧通道材料，以及一个或多个渗透侧通道材料，其中每个加料侧通道材料含有伸展方向几乎与供给液流向相平行的经丝和比经丝更细的纬丝，经丝节距与纬丝节距比为1/1.5-1/6。其中的经丝或纬丝节距为经丝或纬丝的中心节距。对于纬丝，其节距指的是沿经丝方向测定的相邻纬丝中心的间距。
根据本发明，由于每个加料侧通道材料具有比经丝更细的纬丝，并且经丝节距/纬丝节距有中等比值，可充分地降低加料侧通道中的压力损失，并可使加料侧通道更少遇到流动抑制或阻塞的问题。
在上文所描述的本发明的螺旋形分离膜部件中，加料侧通道材料的经丝直径/纬丝直径比优选2.5/1或更小。在此情况下，由于经丝节距/纬丝节距比和经丝直径/纬丝直径比为中等值，可进一步降低加料侧通道中的压力损失，并可使加料侧通道甚至更少地遇到流动抑制或阻塞的问题。
本发明还提供了另一种螺旋形分离膜部件，其包括多孔中央芯管和缠绕在其周围的，一个或多个分离膜，一个或多个加料侧通道材料，以及一个或多个渗透侧通道材料，其中每个加料侧通道材料含有伸展方向几乎与供给液流向相平行的经丝和比经丝更细的纬丝，并且经丝直径与纬丝直径比为2.5/1或更小。
文中的术语经丝直径或纬丝直径具有下面的含义。当经丝或纬丝有圆形横截面时，该术语指的是截面的直径。当其横截面不是圆形时，该术语指的是沿加料侧通道材料厚度方向的轴线长度。
根据本发明，由于加料侧通道材料具有比经丝更细的纬丝，并且经丝节距/纬丝节距有中等比值，可充分地降低加料侧通道中的压力损失，并可使加料侧通道更少遇到流动抑制或阻塞的问题。
附图说明
图1A为正面图，其显示了根据本发明，在螺旋形分离膜部件中的加料侧通道材料的一个实例；
图1B为侧视图，其显示了根据本发明，在螺旋形分离膜部件中的加料侧通道材料的一个实例；
图2为图表，其显示在实例中若当经丝节距/纬丝节距比发生改变时，流速同压力损失间的关系；
图3为图表，其显示在实例中若当经丝直径/纬丝直径比发生改变时，流速同压力损失间的关系；
图4为图表，其显示在实施例4和对比例5中的流速同压力损失间的关系；和
图5为图表，其显示在实施例5和对比例6中的流速同压力损失间的关系。
在此附图中：
1：经丝
2：纬丝
L1：经丝节距
L2：纬丝节距
D1：经丝直径
D2：纬丝直径
具体实施方式
本发明将在下面通过引用附图进行详细的描述。
图1A为正面图，其显示了根据本发明，在螺旋形分离膜部件中的加料侧通道材料的一个实例，并且图1B为侧视图，其显示了根据本发明，在螺旋形分离膜部件中的加料侧通道材料的一个实例。
本发明的螺旋形分离膜部件的结构包括多孔中央芯管和缠绕在其周围的，一个或多个分离膜，一个或多个加料侧通道材料，以及一个或多个渗透侧通道材料。在JP-A-11-235520、JP-A-2000-000437、JP-A-2000-042378和JP-A-05-168869中详细的描述了此种类型的膜部件。至于除了加料侧通道材料以外的元件，可以使用任何常规的分离膜、渗透侧通道材料、中央芯管等。例如，若当使用两个或更多的加料侧通道材料及两个或更多的渗透侧通道材料时，此膜部件的结构为在其中有两个或更多的膜片被缠绕到中央芯管上。
在本发明的一个实施方案中，加料侧通道材料含有伸展方向几乎与供给液流向相平行的经丝1和比经丝1更细的纬丝2，并且经丝节距与纬丝节距比(L1/L2)优选为1/1.5-1/6，并更优选为1/3-1/5。若当纬丝节距大于其范围的上限时，加料侧通道材料倾向于具有减弱的强度，使其很难稳定的保持通道。因而如当存在于供给液中的悬浮组分被加料侧通道材料阻挡而引起的阻力增加方面的问题，以及关于降低加料侧通道中的压力损失的问题都可通过减少与供给液流向相交叉的纬丝2的数目来消除。
即在常规的膜部件中，纬丝节距L2为3-4mm，并且当供给液通过约1m长的部件时，该供给液会与250-300的纬丝2相交。然而，通过将常规的纬丝节距增加四倍即至16mm，可将纬丝数减至70。尽管加料侧通道材料中的压力损失并不与纬丝数成正比，但减少其数目是很有效的。而且，在过滤步骤中，存在于供给液中的悬浮组分在加料侧通道材料上和在膜表面上的积聚是不可避免的。然而，此积聚可通过下面方法来减少，增加纬丝节距L2并因此减少了纬丝数，并且在回冲步骤中改善出料适用性。
由通道材料网(当其是由聚丙烯和聚乙烯制成时)的稳定性和压力损失的降低程度(常规通道材料值约为50％)的观点出发，当经丝节距L1为4mm时纬丝节距L2最优选为约16mm。即经丝节距与纬丝节距比最优选为约1∶4。
具体的数值范围如下。经丝节距L1优选为2.5-5.0mm并且纬丝节距L2优选为10-20mm。
可将本发明的螺旋形分离膜部件用于任何过滤技术，如反向渗透过滤、超滤和微量过滤。然而，上文所描述的加料侧通道材料当主要用于澄清时显示出特别的效果。
加料侧通道材料的材料实例包括树脂，例如聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰胺、天然高分子和橡胶。然而，优选使用树脂。
经丝1和纬丝2可为复丝纱线或单丝纱线。然而，优选单丝纱线因为它们很难对通道构成障碍。可将经丝1通过熔融粘结、粘附等固定到纬丝2上或加料侧通道材料可为纺织品。然而，由稳定保持通道的观点出发，优选的加料侧通道材料为在其中经丝1被固定到纬丝2上。
而且，经丝1/纬丝2的交叉角θ可为，如0-80°。然而，从减少由纬丝2所引起的流动阻力的观点出发。角度θ优选为30-70°，并更优选为45-60°。经丝1和纬丝2的排列优选使得所有的纬丝2置于排列的经丝1的一边，如图1B所示。此结构可有效的减少加料侧通道材料的阻力。
另一方面，含有伸展方向几乎与供给液流向相平行的经丝和比经丝更细的纬丝的加料侧通道材料，其优选经丝直径/纬丝直径比(D1/D2)为2.5/1或更小，特别是1.1/1-2.3/1。因此通过将纬丝直径D2调节至某一较小值，即使当供给液通道的截面积增加时，也可获得如上文所描述的同样效果。
即在常规的膜部件中，纬丝2的直径与经丝1相同，并且由于通道材料的厚度t大，加料侧通道材料的截面积较小。通过使用更细的纬丝2并使用更粗的经丝1同时保持相同的通道材料厚度t，此通道材料可被制成具有更大的截面积。在厚度为0.8mm的常规通道材料中，经丝1和纬丝2的直径为约0.45mm，因为经丝1的直径与纬丝2相同。当经丝直径与纬丝直径比(D1/D2)为2∶1并且通道材料厚度为0.8mm时，那么经丝直径和纬丝直径分别为约0.6mm和约0.3mm。尽管此通道材料的厚度与常规通道材料相同，但其中的经丝直径为常规通道材料中的经丝直径的1.33倍；当纬丝节距长时，经丝直径为实际的通道材料厚度。在除去100-200μm悬浮组分的应用中，经丝直径与纬丝直径间的关系影响悬浮物在通道材料上的积聚。
由通道材料网(当其是由聚丙烯和聚乙烯制成时)的稳定性和压力损失的降低程度(常规通道材料值约为50％)的观点出发，在经丝/纬丝交叉处所测定的通道材料厚度t优选为0.5-1.5mm，并更优选为0.7-1.1mm，并且经丝直径/纬丝直径比(D1/D2)最优选为约2/1。
本发明通过引用下面的实施例进行更详细的描述，该实施例具体显示了本发明的结构和效果，但应当理解不能将本发明解释为只限于此。
实施例1
在本发明中，将聚丙烯网安装在平行的平面元件(flat cell)上(C10-T；通道宽度：35mm，通道长度：145mm)用作加料侧通道材料(见图1)，该聚丙烯网经丝直径为0.6mm、经丝直径/纬丝直径比为2∶1、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.71mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶2并且经丝/纬丝交叉角为50°。使纯水通过此元件来测定流速和压力损失。所获得的结果如图2所示。
实施例2
在本发明中，将聚丙烯网安装在平行的平面元件上(C10-T；通道宽度：35mm，通道长度：145mm)用作加料侧通道材料(见图1)，该聚丙烯网的经丝直径为0.6mm、经丝直径/纬丝直径比为2∶1、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.71mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶4并且经丝/纬丝交叉角为50°。使纯水通过此元件来测定流速和压力损失。所获得的结果如图2所示。
对比例1
将聚丙烯网安装在平行的平面元件上(C10-T；通道宽度：35mm，通道长度：145mm)，该聚丙烯网的经丝直径为0.6mm、经丝直径/纬丝直径比为2∶1、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.71mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶1并且经丝/纬丝交叉角为50°。使纯水通过此元件来测定流速和压力损失。所获得的结果如图2所示。
对比例2
经丝直径为0.6mm、经丝直径/纬丝直径比为2∶1、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.71mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶8并且经丝/纬丝交叉角为50°的聚丙烯网显示出没有足够的强度来作为通道材料。因此，此网不能保持其形状。因为此点，如实施例1和2一样稳定测量压力损失是不可能的。
如图2所示，实施例1和2的通道材料可实现将压力损失降至约对比例1中所示的常规通道材料的一半。
实施例3
在本发明中，将聚丙烯网安装在平行的平面元件上(C10-T；通道宽度：35mm，通道长度：145mm)用作加料侧通道材料(见图1)，该聚丙烯网的经丝直径为0.6mm、经丝直径/纬丝直径比为2∶1、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.71mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶4并且经丝/纬丝交叉角为50°。使纯水通过此元件来测定流速和压力损失。所获得的结果如图3所示。
对比例3
将聚丙烯网安装在平行的平面元件上(C10-T；通道宽度：35mm，通道长度：145mm)，该聚丙烯网经丝直径为0.3mm、经丝直径/纬丝直径比为1∶2、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.71mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶4并且经丝/纬丝交叉角为50°。使纯水通过此元件来测定流速和压力损失。所获得的结果如图3所示。
对比例4
经丝直径为0.6mm、经丝直径/纬丝直径比为3∶1、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.7mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶4并且经丝/纬丝交叉角为50°的聚丙烯网显示出没有足够的强度来作为通道材料。因此，此网不能保持其形状。因为此点，如实施例1一样稳定测量压力损失是不可能的。
实施例4
在本发明中，将经丝直径为0.6mm、经丝直径/纬丝直径比为1.7∶1、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.73mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶4并且经丝/纬丝交叉角为56°的聚乙烯网用作加料侧通道材料(见图1)，来制造直径20cm且全长1m的螺旋形分离膜部件。使纯水通过此分离膜部件的加料侧来测定流速和入口/出口压力损失。在此测试中，置于多孔中央芯管中的阀是关闭的，为了防止纯水流入渗透侧。所获得的结果如图4所示。
对比例5
将经丝直径为0.6mm、经丝直径/纬丝直径比为2∶1、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.71mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶1并且经丝/纬丝交叉角为50°的聚丙烯网用于制造直径20cm且全长1m的螺旋形分离膜部件。使纯水通过此分离膜部件的加料侧来测定流速和入口/出口压力损失。在此测试中，置于多孔中央芯管中的阀是关闭的，为了防止纯水流入渗透侧。所获得的结果如图4所示。
比较实施例4和对比例5表明同样在实际的螺旋形分离膜部件中，实施例4的加料侧通道材料比对比例5的加料侧通道材料可更有效地降低压力损失。
实施例5
在本发明中，将经丝直径为0.6mm、经丝直径/纬丝直径比为1.7∶1、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.73mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶4并且经丝/纬丝交叉角为56°的聚乙烯网用作加料侧通道材料(见图1)，来制造直径20cm且全长1m的螺旋形分离膜部件。操作此分离膜部件用于井水作为供给水的全过滤作用。此井水的混浊度为约9NTU并且过滤速度为2.5m3/h。每20分钟，进行一次清洁和冲洗处理。在运行过程中，螺旋形分离膜部件中的加料侧入口压力和过滤侧(filtration-side)压力间的区别被确定，所获得的结果如图5所示。
对比例6
在本发明中，将经丝直径为0.6mm、经丝直径/纬丝直径比为2∶1、在经丝和纬丝交叉处的厚度为0.71mm、经丝节距为4mm、经丝节距/纬丝节距比为1∶1并且经丝/纬丝交叉角为50°的聚丙烯网用于制造直径20cm且全长1m的螺旋形分离膜部件。操作此分离膜部件用于井水作为供给水的全过滤作用。此井水的混浊度为约9NTU并且过滤速度为2.5m3/h。每20分钟，进行一次清洁和冲洗处理。在运行过程中，螺旋形分离膜部件中的加料侧入口压力和渗透侧压力间的差被确定，所获得的结果如图5所示。
在对比例6的分离膜部件中，悬浮组分被加料侧通道材料在供水入口处挡住，并因而构成阻力并提高了加料压力，导致在过滤中差压增加。相反地，在实施例5的分离膜部件中，加料侧通道材料的通道阻力低并且因此悬浮组分并没有在供水入口处淤塞。因此，在实施例5的分离膜部件中没有发生供水入口处的压力增加。由上面的对比可以看出，根据本发明的加料侧通道材料是有效的。
本领域的一般技术人员还应清楚的是，对上文所说明和描述的发明形式和细节可进行不同的改变。意图将此改变包括在于此所附加的权利要求的本质和范围内。
此申请是基于2003年3月30日提交的日本专利申请号2003-078129，其公开的内容被完整的引入本文作为参考。