螺旋形缠绕的分隔薄膜元件.pdf

本发明公开了一种螺旋形缠绕的分隔薄膜元件，采用该薄膜元件，即使该元件是在低压下进行操作，也可以有效地进行分离操作同时减少流入侧通道的压力损失，并且该元件具有实际可用的充足的薄膜面积。螺旋形缠绕的分隔薄膜元件包括穿孔的中心管，以及在中心管周围成螺旋形缠绕的至少一个包括分隔薄膜的膜片、流入侧通道材料和渗透侧通道材料，该元件中具有流入侧通道和渗透侧通道，其中成螺旋形缠绕的膜片的宽度为900－2000mm，长度为500－1500mm，而流入侧通道材料的厚度t为1.0－2.0mm。

1.  一种螺旋形缠绕的分隔薄膜元件，其包括穿孔的中心管，以及在该中心管周围成螺旋形缠绕的至少一个包括分隔薄膜的膜片、流入侧通道材料和渗透侧通道材料，该元件中具有流入侧通道和渗透侧通道，
其中成螺旋形缠绕的所述膜片的宽度为900-2000mm，长度为500-1500mm，而流入侧通道材料的厚度为1.0-2.0mm。

螺旋形缠绕的分隔薄膜元件
技术领域
本发明涉及一种螺旋形缠绕的分隔薄膜元件，该元件包括穿孔的中心管，以及在中心管周围成螺旋形缠绕的分隔薄膜、流入侧通道材料和渗透侧通道材料，该元件中具有流入侧通道和渗透侧通道。更具体地说，本发明涉及一种含有流入侧通道材料的螺旋形缠绕的分隔薄膜元件，比起传统技术来讲，所述流入侧通道材料的厚度可以有效地获得流入侧通道的较低的压力损失，并且确保实际可用的薄膜面积。
背景技术
螺旋形缠绕的分隔薄膜模块至今为止已经被应用到广泛用途中，例如盐水或者海水的脱盐、超纯水的生产和废水处理。螺旋形缠绕的分隔薄膜模块的结构包括压力容器和一个或多个安装在该容器中的螺旋形缠绕的分隔薄膜元件。
一种螺旋形缠绕的分隔薄膜元件是这样制造的，即，将渗透侧通道材料夹在两个分隔薄膜之间，以形成呈信封形式的膜片；将这种膜片的开口侧贴合到集水管上；同时把膜片和夹在膜片之间的网状流入侧通道材料一起成螺旋形地缠绕在集水管周围。一种原液被输送到该元件的一端，流过在每一对分隔薄膜之间形成的流入侧通道，然后作为浓缩物在另一端排出，其中每一对分隔薄膜之间夹有流入侧通道材料。另外，沿着流入侧通道材料流动的原液的一部分通过分隔薄膜，由此产生的渗透过的液体沿着渗透侧通道材料流进集水管，并从那里排出。
流入侧通道材料不仅形成供原液从薄膜之间通过的通道，而且还起着在流入侧通道中产生紊流的作用，因此搅动存在于通道中的原液以减小浓缩物极化。由于这种原因，该元件在它的两端之间具有压力差(压力损失)，这两端即原液流入侧和浓缩水排出侧。
有人已经提出一些用来减少在元件的流入侧通道中的这种压力损失的技术，这些技术包括布置流入侧通道材料，使得网格线变得倾斜；或者使用厚度从0.5到0.9mm的流入侧通道材料(参见，例如JP-A-11-235520)。
然而，在低压下操作的元件中，当元件串连排列或者被用于分离悬浮液如废水或者分离粘性液体时，压力损失不会充分减小。
近几年，低压下操作的低压元件逐渐被普遍采用，而且压力损失与有效压力之比变得更大。此外，当两个或多个元件连接在一起使用时，这些元件整体上具有更多的压力损失。因此需要减少每个元件的压力损失。更进一步讲，为了适用于悬浮液或者粘性液体如废水，单个元件的压力损失都应该减少。
例如，当两个或多个元件连接在一起时，优选的是，从效率和减少能量损失的观点看，压力损失最多为操作压力的5％。假设六个元件相连接，那么每个元件的压力损失应该为0.8％或者更少。实验显示，传统元件的损失远高于目标值。
另一方面，使用增加厚度的流入侧通道材料将导致包裹在所述元件中的膜片体积减少，因此导致有限的薄膜面积。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种螺旋形缠绕的分隔薄膜元件，采用该薄膜元件，即使当该元件在低压下进行操作时也可以有效地进行分离操作，同时减少流入侧通道的压力损失，并且该元件具有实际可用的充足的薄膜面积。
本发明可以如下所述实现该目的。
本发明提供了一种螺旋形缠绕的分隔薄膜元件，其包括穿孔的中心管，以及在中心管周围成螺旋形缠绕的至少一个包括分隔薄膜的膜片、流入侧通道材料和渗透侧通道材料，该元件中具有流入侧通道和渗透侧通道，其中成螺旋形缠绕的膜片的宽度为900-2000mm，长度为500-1500mm，而流入侧通道材料的厚度为1.0-2.0mm。
正如以下所述例子得到的结果所显示的一样，发现即使当六个低压元件串连排列并且在通常的分离条件下操作时，压力损失也不会超过操作压力的5％，其中，这六个低压元件具有宽为900-2000mm的膜片和长为500-1500mm的膜片，并且这些低压元件被调整成具有厚度为1.0-2.0mm的流入侧通道材料。应该进一步确定的是，当流入侧通道材料的厚度在那个范围内时，包裹后的薄膜面积在实际可用的充足地范围内。
附图说明
图1是一个视图，显示了本发明的螺旋形缠绕的分隔薄膜元件中的流入侧通道材料的一个例子；图1A是正视图，图1B是侧视图。
图2是一个图表，该图表显示了在流入侧通道材料的厚度改变的情况下，例子中的流动速度和压力损失之间的关系。
在图中：
1经线
2纬线
t   流入侧通道材料的厚度
L1  经线节距
L2  纬线节距
D1  经线直径
D2  纬线直径
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行描述。图1显示了位于本发明的螺旋形缠绕的分隔薄膜元件中的流入侧通道材料的一个例子；图1A是正视图，图1B是侧视图。
本发明的螺旋形缠绕的分隔薄膜元件具有这样一种结构，该结构包括穿孔的中心管，以及在该中心管周围螺旋形缠绕的一个或多个分隔薄膜、一个或多个流入侧通道材料和一个或多个渗透侧通道材料，以至于具有一个或多个流入侧通道和一个或多个渗透侧通道。这种薄膜元件在上述的JP-A-11-235520里面作了详尽描述，同时也在JP-A-2000-000437、JP-A-2000-042378、JP-A-05-168869等里面有所描述。至于除了流入侧通道材料以外的元件，任何传统分隔薄膜、渗透侧通道材料、中心管等都可以使用。
例如，该元件可以具有这样得到的结构，即，将渗透侧通道材料夹在两个分隔薄膜之间以产生呈信封形式的膜片，并且将这些膜片的开口侧贴合到集水管上，而且成螺旋形地将膜片缠绕在中心管上。
本发明的螺旋形缠绕的分隔薄膜元件的成螺旋形缠绕的膜片的宽度为900-2000mm，膜片的长度为500-1500mm。膜片的宽度表示从中心管轴向测量时膜片的长度，同时膜片的长度相应为膜片缠绕的缠绕长度。优选的是，从形成具有在适当范围内长度的流入侧通道的观点来看和从减少通道长度对压力损失的影响从而有效地加压原液的观点来看，在低压下操作的螺旋形缠绕的分隔薄膜元件中的膜片的宽度值在那个范围内。
本发明中的流入侧通道材料的厚度t为1.0-2.0m，优选的是1.2-1.6mm。在厚度t小于1.0mm的情况下，当分隔薄膜元件在低压下操作时，有效的分离操作比较困难。在厚度t大于2.0mm的情况下，很难保证实际可用的充足的薄膜面积。
流入侧通道材料的厚度t是由例如在图1中流入侧通道材料中的经线直径D1和纬线直径D2或者将经线结合到纬线的结构等确定的。图1中所示的例子是流入侧通道材料，其具有几乎平行于流入液体流动方向延伸的经线1和比经线1薄的纬线2，其中纬线2以倾斜角θ朝向经线1倾斜。本发明的流入侧通道材料不局限于图1所示的结构，任何传统的网状结构，例如菱形的、阶梯形的或者格子形状的结构都可使用。
优选的是，经线直径/纬线直径之比(D1∶D2)为1(或者更大)∶1，特别是2∶1到3∶1。通过这样调整纬线直径D2到这样一个小值，可以增大流入侧通道的横截面积，同时也可以增强减少压力损失的效果。也就是说，在传统的薄膜元件中，纬线2与经线1有同样的直径，而且通道材料的通道横截面积对于通道材料的大厚度t来讲是很小的。通过使用较薄的纬线2和使用较厚的经线1，同时维持同样的通道材料厚度t，通道材料可以具有更大的通道截面面积。
可以作为流入侧通道材料的材料例子包含树脂，例如聚丙烯、聚乙烯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)或者聚酰胺、天然聚合物和橡胶。当然，树脂是优选使用的。
经线1和纬线2可以是复丝纱或者单丝纱。然而，优选的是单丝纱，因为它们对通道很难形成阻碍。经线1可以通过熔接、粘结等方式结合到纬线2上，或者流入侧通道材料可以是织物。但是优选的是，从稳定地维持通道的观点来说，通道材料应该是经线1已结合到纬线2上的材料。
另外，从减小由纬线2产生的流动阻力的观点来看，纬线2朝向经线1倾斜的角度θ优选是30-70°，更加优选是45-60°。优选的是，经线1和纬线2的排列使得所有纬线2布置在排列有经线1的一侧，如图1B所示。这种结构具有减小流入侧通道材料阻力的效果。
本发明的螺旋形缠绕的分隔薄膜元件可用于任何过滤技术，例如反渗透过滤、超滤和微量过滤。然而，特别是当所述元件与其他同类型的元件串连布置并在低压下(操作压力是1MPa或者更低)进行操作时，或者当该元件用于分离悬浮液例如废水或者分离粘性液体时，上述流入侧通道材料将展现它们的功效。
本发明的构造和功效将参照下面的例子进行说明。
例子
由聚丙烯网构成的流入侧通道材料用来产生一个8英寸的反向渗透薄膜元件，该聚丙烯网具有经线直径为0.7mm、经线直径/纬线直径之比为1.5∶1、厚度为1.16mm、经线节距为5.5mm、经线节距/纬线节距之比为1∶1、以及经线/纬线交叉角为47°。让水流过这个元件来测量流速和压力损失。获得的结果如图2所示。
对比例1和对比例2
以与上述例子中相同的方式来制造8英寸的反向渗透薄膜元件，除了所使用的流入侧通道材料的厚度分别为0.71mm(对比例1)和0.85mm(对比例2)，并且是通过改变这个例子所用的流入侧通道材料的经线直径和纬线直径而得到的。让水流过这些元件的每个元件来测量流速和压力损失。获得的结果同上述例子中得到的结果一起示于图2中。
如图2所示，上述例子中的元件的压力损失比在对比例1和对比例2中的元件低。上述例子中的元件的压力损失大约为对比例2的压力损失的1/3。当原液的流速为100升/分钟时，该例子中元件的压力损失大约为0.004MPa。即使当六个与该例子一样的元件串连排列时，所产生的压力损失是该例中压力损失的6倍，也就是0.024MPa。当这些元件在1MPa进行操作的时候，压力损失为2.3％。
此外，基于对比例1和2的数值，该例子中的薄膜元件的脱盐率(saltrejection)为99.9％。这样便可以确保减少由紊流引起的浓度极化现象的效果。可以确定，当厚度为2.0mm的流入侧通道材料用在8英寸的低压反向渗透薄膜元件中时，薄膜的面积为18m²，其处于实际可用范围内的。