CN101321577A - 螺旋卷组件的插入点密封 - Google Patents
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Abstract
一种制造螺旋卷组件的改进方法，其密封每一卷表面、优选为光滑、经裁剪的卷表面与中心渗透管之间的结合位置。该渗透管大体垂直于卷表面。使用改进的方法制造的组件比未使用改进方法制造的组件具有更少的插入点渗漏。优选使用可快速固化的氰基丙烯酸酯粘合剂。
Description
螺旋卷组件(spiral wound module)是用于反渗透膜和纳滤膜(reverse-osmosis and nanofiltration)的最普遍的结构。在操作过程中，“进料”液体一定压力下从该组件的一端流入其中，沿轴的方向流过进料隔离片(feed spacer sheet)，在该组件的另一端变为“浓缩”状态。“渗透”溶剂(一般是水)在一定压力下通过膜，而溶质(通常是盐)则基本上被保留。螺旋卷结构可使大面积的膜具有较小体积的包装。
一层或多层被膜(membrane envelopes)和进料隔离片缠绕在中心渗透收集管(central permeate collection tube)上。被膜包括两张大体为矩形的包围渗透吸收片(permeate carrier sheet)的膜。这种“三明治”式的膜结构是通过沿每张膜的三个边缘使用的粘合剂结合在一起的：离渗透管最远的后边缘，以及将成为螺旋卷组件的进料(入口)和浓缩(出口)的端口的两侧边缘。此外，两侧边缘的粘合剂还在螺旋卷组件的每一端口将膜片粘合并密封到渗透管上。被膜的第四个边缘是开放的并且邻接渗透收集管，使得渗透吸收片与通过渗透收集管的小孔保持液流连通。螺旋卷组件的结构可由专利号为5,538,642、5,681,467和6,632,356的美国专利详细加以说明，这些专利在此结合作为参考。
随着在螺旋卷组件构造中使用的被膜数量的增多，制造该组件所需的时间量和复杂程度逐渐变大。因为组件中全部的被膜都是在最后的卷拢步骤中卷在一起的，所以重要的是保持用在第一张被膜上的粘合剂在最后一张被膜插入之前不固化。不论是通过手动还是通过自动进行卷拢，都进需要一步满足使固化粘合线(adhesive line)的时间充分地长于制造螺旋卷组件所需的最短时间，因为这将导致生产工艺中可能的混乱或延迟，另外该混乱或延迟将引起组件的报废。如美国专利5,096,584所述，特别适宜用于粘合膜片的粘合剂为“...市场上可获得的复合粘合剂，例如H.P.Fuller聚亚安酯或Dow环氧材料(DER)，其通过二(元)胺进行固化，并且形成具有可变固化时间的弹性固体，该可变时间典型地为大约2至24小时左右。”
在粘合剂固化之后，可通过选择性地裁剪组件相反的两端以去除掉多余的漫溢出膜片边缘的粘合剂。裁剪的工序可在旋转组件的时候进行。每一端口处的切口从组件的外径位置大约切至渗透管的外径位置。沿每一膜片的两侧边缘施用的粘合线在裁剪工序中典型地被剖切开，但是切口不能延伸至渗透区域。裁剪工序产生精确的组件长度和光滑的卷表面(scroll face)。
在无缺陷的组件中，膜隔离层(membrane barrier layer)有效地将进料溶剂与渗透液隔离。然而，在组件的一些区域进料溶剂可潜在地渗漏进渗透液流通道。膜本身可能存在局部的缺陷，如刮擦破口或小孔。沿渗透吸收片的后边缘和两侧边缘施用的粘合线的破损或脱落可为进料进入渗透(permeate)提供直接的通道。在组件的入口和出口端口方向上的沿渗透管的几毫米范围内会存在一定的缝隙，其使得包围渗透管的粘合剂不能从渗透液流通道有效地密封进料溶剂。最后，紧邻渗透收集管的叠合边缘已成为渗漏的一般来源，特别是对于具有非常严格和频繁的清洗周期的组件而言。
裁剪工序具有潜在的增大组件渗漏的可能，该组件本应是被密封的，特别是在将膜粘合到渗透管的粘合剂的区域。甚至当裁剪工序适当地避免在渗透区域裁剪切口的时候，剖切粘合剂的操作仍可另外地制造穿透密封的缝隙，使得液体可在进料和渗透溶剂之间流通。原始的缺陷可来自于不适当插入的膜片或，特别是，来自于制造组件过程中抽出的膜片，其在粘合剂之间产生缝隙。在任何一种情形下，渗透管附近的缝隙均使得进料液流进渗透通道，该缝隙在此称为“插入点渗漏(insertion-point leak)。”
经过在标准条件下(800psi，32000ppm NaCl进料)进行试验，用于海水淡化的典型螺旋卷组件将允许少于0.3％的NaCl通过。单一插入点渗漏即可以使反渗透膜组件失效。只有0.5mm直径的一英寸长的洞可使得足够多的进料溶剂流进渗透区域，从而引起超过5％的盐在标准试验中通过组件。
如图1所示，在Film Tec(SW-380-HR)上的某种高滤组件(highrejection modules)已经通过向在渗透管和卷表面的相交处的组件被裁剪的端口使用密封剂的防护密封条(protective bead)作出进一步的改进，使得密封条围绕渗透管并且减小在该区域发生渗漏的可能性。密封条包括双体聚氨酯(two-part urethane)，其与用于粘合组件中被膜的三条边缘的粘合剂属同一类型，为实现防止渗漏的目的，该密封条已被应用于渗透管和卷表面的相交处。可选地，也可以以这种方式使用热融密封条。
在试验室的模拟渗漏试验中，我们已发现在提供坚固密封方面，在使用后能够形成共价键的密封剂比热融材料更加有效。然而，为该目的而使用这些活性粘合剂(reactive adhesives)产生了一些现实问题。施用和固化施用在渗透管周围的粘合剂密封条是形成组件后的额外步骤，该步骤进一步增加了生产时间，因此耗时较长的固化过程，例如在组件的制造过程中所典型需要的和使用的固化过程，在该工序中是应尽量避免的。应尽量避免长时间的固化的另一原因是，能够最有效地进入和密封小空隙的低粘性材料有可能在重力的作用下经过一定时间后发生流失。在另一极端，在自动化且大容量的环境中用非常短的固化时间施用少量的活性材料是非常难以实现的，因为工序中发生的小故障可能会引起施用器中粘合剂的聚合从而导致严重的停工。
期望的是，粘合剂材料可作为液体施用于螺旋卷组件的卷两端的渗透管附近的部分，并且通过反应快速固化以形成共价键从而防止插入点的渗漏。还期望的是，加快粘合剂施用于螺旋卷组件后的反应速率，使得粘合剂与组件接触时的反应速率至少为与组件接触之前的反应速率的二倍。期望的是，这种活性粘合剂在少于15分钟的时间内达到稳定的结构。最优选的是，该活性粘合剂可在少于5分钟或者甚至少于1分钟的时间内达到稳定的结构。
本发明的详细说明
本发明提供一种经改进的措施，其用于消除在经裁剪的螺旋卷组件(1)内的可能的插入点渗漏。如图1和2所示，由密封剂材料制成的密封条(2)环绕渗透管，同时与渗透管(3)和卷表面(4)相接触。特别地，本发明的密封剂材料具有活性并且具有不同于在组件内粘合膜片的粘合剂的化学特性。二者的区别可为化学成分(例如单体、催化剂、引发剂)的不同或者成分的浓度不同，但是该区别导致施用于潜在插入点渗漏周围的密封剂具有更短的固化时间。特别地，要求密封剂材料在少于10分种的时间内达到200,000厘泊的粘度，更优地是在少于5分钟的时间内达到上述粘度，最优地是在少于1分钟的时间内达到上述粘度，而用于粘合膜片的粘合剂达到200,000厘泊的粘度则需至少20分钟时间。
将一条密封剂材料放置于围绕渗透管的卷区域周围实际上只需要量级为秒的非常短的时间。我们已发现，固化时间长的材料，例如用于制造组件以粘合膜片的材料，不适宜用来密封可能的插入点渗漏。在组件的制造过程中，具有较长固化时间的粘合剂在卷拢工序中可保持较低粘度，从而允许在卷拢过程中发生移动且避免夹带有空气袋(airpockets)。然而，密封插入点的渗漏存在不同的要求。初次密封空洞或者破损的渗漏需要较低的初始粘度，例如低于大约10,000cps，更优地低于大约1000cps，但是这种低粘度材料经过一定的时间会在重力的作用下流失。因此，长的固化时间限制了在渗透管周围受控地施用均匀且狭窄的低粘度液体密封条。最期望的是最终聚合的活性粘合剂密封条覆盖的面积小于卷区域总面积的3％且所施用的密封剂材料的总质量少于5克。
为实现该技术要求，可使用双体活性材料(two-part reactivematerial)，其包含至少两种不同的互相分开储存的单体，所述各单体相结合以导致发生聚合。目前所知的市场上的双体环氧材料或者聚氨酯中存在具有非常短的固化时间的产品，其量级甚至为一分钟。然而，活性双体密封剂的成分在混合后才发生反应。这对于密封剂材料的使用产生了另外的限制，与活性密封剂接触的操作系统元件(例如搅拌器，管道，施用器)在正常的操作过程中不应当快速发生阻塞。用于双体活性材料的典型操作系统将包括分离单体存储器、向静态搅拌器供料的泵和施用器。优选的工序将包括不会轻易地在搅拌器、管道或施用器中发生聚合的活性密封剂材料，从而如果需要的话，在螺旋卷组件之间可维持几分钟(至少10分钟)的非活性状态，从而避免多余的机器维护。
在一个优选实施方案中，活性密封剂材料在施用于组件后达到200,000厘泊粘度所需的时间可以至少以参数4减小更优选地至少以参数10减小。在一个具体实施方案中，活性密封剂材料包括易受自由基(free radical)聚合影响的烯烃单体和过氧化引发剂(peroxideinitiator)。例示性的过氧化引发剂在产品目录中加以说明(“在升温条件下用于不饱和聚酯树脂成型的过氧化物的选用指南”，QC1019-2(ATO-1241)2C 8/00，阿托菲纳化学公司，费城，宾州)，其可一并作为参考。过氧化物，如t型丁基过(二)硫酸盐在经冷却的操作系统中可具有数小时的半衰期(half-time)，但是在80℃的温度下可被热量活化而显示出只有几分钟的固化时间。为固化活性材料以防止插入点的渗漏，我们已发现热量可直接释放于渗透管附近的区域，但是当温度超过80℃左右的范围后渗透管存在尺寸公差变紧的风险。
在另一优选实施方案中，活性密封剂材料是可由紫外线固化的(UV curable)，其含有至少一种烯烃单体和感光引发剂(light sensitivephoto initiator)以导致自由基聚合的发生。薄的活性密封剂材料密封条施用在渗透管附近，与经裁剪的卷端相接触，然后快速地利用光进行聚合。聚合时间可少于1分钟。因为聚合未发生于施用器内，在元件之间的长时间的间隔将不会导致发生在操作系统中的阻塞。
在一个更优选的实施方案中，活性密封剂含有氰基丙烯酸酯粘合剂和光活化引发剂。该氰基丙烯酸酯粘合剂最优选地为甲基氰基丙烯酸酯粘合剂、乙基氰基丙烯酸酯粘合剂、丁基氰基丙烯酸酯粘合剂、丙基氰基丙烯酸酯粘合剂、苄基乙醚氰基丙烯酸酯粘合剂，或者相类似的具有氰基丙烯酸基和烷基链的分子。在活性密封剂材料范围内的单体，包括氰基丙烯酸酯单体，在暴露于光源后通过自由基结合发生聚合，特别是对于紫外线光。氰基丙烯酸酯粘合剂的特别的优点是，除自由基聚合外，在弱基体(weak base)例如水中，其还可发生阴离子聚合。因此，即使未直接暴露在光下，小孔中的少量单体也会发生聚合。
在一个实施方案中，含有烯烃单体和引发剂的密封条在组件绕其中心轴线转动的时候使用于其上。当元件转动时，光照射到渗透管和卷表面的交界处上以导致聚合的发生。以这种方式，即使低粘度的密封条也没有充足时间在重力作用下流失。最优选地，先后地或同时地完成的施用和固化的总时间应少于60秒或甚至少于30秒。在一个例子中，在元件转动时使用含有乙基氰基丙烯酸酯和引发剂的溶剂(具有大约100厘泊的粘度)，从而与卷表面以及渗透管二者相接触。它在约15秒的时间内同时暴露于紫外线光下并且聚合为固体。含有至多2.5克这种低粘度溶剂的密封条在使用中可不发生滴落，最终的密封面积大约占卷表面区域面积的1.5％。
Claims (20)
1、一种用于制造螺旋卷组件的方法，包括：
a、提供大体为矩形的被膜，该被膜具有第一和第二膜片，渗透片插入第一和第二膜片之间，该被膜具有一个开口边缘和三个密封边缘；
b、将开口边缘相对于渗透收集管设置，该收集管具有孔，从而开口边缘与数个孔液流连通；
c、将被膜和相邻的供料间隔片缠绕在渗透收集管四周以形成具有两个空间分离的卷表面的螺旋卷，两表面均大体垂直于渗透收集管；
d、可选地，裁剪所述绕渗透管的螺旋卷的端部以形成光滑的卷表面；
改进包括：
在接近渗透管和卷表面之间的每一结合点处施用活性密封剂材料的圆周密封条，其中所述活性密封剂材料具有少于15分钟的固化时间。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述裁剪工序在组件的两端部横向切断粘合剂。
3、如权利要求1所述的方法，其中活性密封剂材料包括单体和引发剂，并且改进还包括在活性密封剂材料施用之后固化该材料的步骤。
4、如权利要求3所述的方法，其中密封剂材料在少于10分钟的时间内固化为具有大于大约200,000厘泊的粘度。
5、如权利要求3所述的方法，其中活性密封剂材料在少于5分钟的时间内固化为具有大于200,000厘泊的粘度。
6、如权利要求3所述的方法，其中活性密封剂材料在少于1分钟的时间内固化为具有大于200,000厘泊的粘度。
7、如权利要求3所述的方法，其中单体为自由基聚合烯烃单体，引发剂为自由基引发剂。
8、如权利要求3所述的方法，其中所述引发剂为光活化引发剂，通过使用光来导致活性密封材料的活化。
9、如权利要求8所述的方法，其中光为紫外线光。
10、如权利要求9所述的方法，其中活性密封剂材料含有氰基丙烯酸酯粘合剂。
11、如权利要求10所述的方法，其中所述氰基丙烯酸酯粘合剂至少为下列材料组成的组中的一种：甲基氰基丙烯酸酯粘合剂、乙基氰基丙烯酸酯粘合剂、丁基氰基丙烯酸酯粘合剂、丙基氰基丙烯酸酯粘合剂以及苄基乙醚氰基丙烯酸酯粘合剂。
12、如权利要求11所述的方法，其中所述氰基丙烯酸酯粘合剂为乙基氰基丙烯酸酯粘合剂。
13、如权利要求7所述的方法，其中所述引发剂为过氧化物并且活性密封剂材料的固化是通过加热而导致的。
14、如权利要求1所述的方法，其中所述活性密封剂材料从操作系统施用于组件，其中所述活性密封剂材料能够在操作系统中保持至少10分钟的工作性能。
15、如权利要求14所述的方法，其中操作系统冷却至低于室温(25℃)。
16、一种改进的螺旋卷组件，包括：
中心收集管，具有沿其长度方向的多个孔以接受渗透；至少一层向外延展且绕所述管卷拢的过滤被膜，所述过滤被膜含有两片膜片，粘合剂将两片膜沿三个边缘粘合，以及夹在所述两片膜片之间的渗透吸收片；所述渗透吸收片保持与在所述收集管中的所述孔液流连通；
至少一层缠绕所述收集管的供料隔离片，所述供料隔离片与至少一层过滤被膜的表面平面地接触；其中卷拢的被膜和卷拢的供料隔离片一起构成缠绕中心收集管的卷拢卷，该卷拢卷具有两个卷表面，每一表面各位于卷拢卷的一个端部；
其中，每一卷拢卷表面可选地为经剪切的表面；
其中，改进包括经固化的密封剂的密封条，其绕渗透管圆周设置在中心收集管和卷表面的每一结合点处，其中经固化的密封剂具有与所述粘合剂不同的化学特性。
17、如权利要求16所述的螺旋卷组件，其中卷拢卷表面是经过裁剪的卷拢卷表面，具有粘合剂、膜和供料隔离层的暴露的横截面。
18、如权利要求16所述的螺旋卷组件，其中所述的经固化的密封剂含有聚(丙烯酸酯酯)。
19、如权利要求16所述的螺旋卷组件，其中所述的经固化的密封剂含有聚(氰基丙烯酸酯)。
20、如权利要求16所述的螺旋卷组件，其中所述的经固化的密封剂含有聚(乙基氰基丙烯酸酯)。
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