CN103521089A

CN103521089A - 分离膜

Info

Publication number: CN103521089A
Application number: CN201310492646.1A
Authority: CN
Inventors: 谢志成; 刘凯中
Original assignee: BEIJING ZHONGTIANYUAN ENVIRONMENTAL ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: Hunan China Tianyuan Environmental Engineering Co., Ltd.
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: CN103521089B

Abstract

本发明公开了一种分离膜，包括控制层、载体层和位于控制层和载体层之间的过渡层，其中控制层上膜孔的平均孔径小于载体层上膜孔的平均孔径，过渡层上膜孔的平均孔径介于载体层上膜孔的平均孔径和同侧的控制层上膜孔的平均孔径之间，并且其中过渡层为多层膜结构，该多层膜结构至少包括依次布置的三层膜层，其中该三层膜层的中间膜层的膜孔的平均孔径分别大于位于其两侧的两侧膜层上膜孔的平均孔径。因此使得经过控制层的待分离物再进入过渡层后，可以得到两侧膜层的两次过滤分离，从而更好地拦截由于控制层的误差进入的较大杂质，使得分离物的颗粒分布范围更窄，即提高了分离物的分布均匀性。

Description

分离膜

技术领域

本发明涉及膜分离领域，具体地，涉及一种分离膜。

背景技术

近几十年来，膜分离技术的发展极为迅速，分离膜应用的领域也在不断的扩大，其已应用在食品发酵、医药、生物工程、石油化工、宇航、环保工程等多个领域，是一种新兴的高效的分离、浓缩、提纯和净化气体和液体的技术。膜分离技术与传统的分离技术相比，具有无相变、节能高效、操作简单和对所处理物料无污染等优点，所以倍受相关产业的关注。

随着膜分离技术的进一步应用，需要研究和克服的问题也不断的在出现，在膜材质方面，主要分为有机材料和无机材料，无机材料膜包括分子筛膜、微孔Al₂O₃膜、ZrO₂膜、玻璃（SiO₂）膜等，有机膜材料膜则包括醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、氟聚合物等膜材料。然而，各种膜由于本身特性决定和加工精度的影响，个别膜孔达不到分离精度的要求而使得杂质混入，使得分离物的颗粒分布不均匀，而影响分离效果，因此这种局限性不能够应对多种物质的分离要求，即，不足以达到较高的选择性。

另外，由于分离膜通常包括通过控制平均孔径大小来控制分离精度的控制层和提供结构强度的载体层，并且载体层的平均孔径大于控制层的平均孔径。因此，现有的膜分离技术只能是单方向的过滤分离，即，待分离物质的较小颗粒只能首先通过控制层的膜孔再通过载体层的膜孔而实现分离。如果反方向执行该过滤操作，则将使得能够通过载体层的膜孔的部分较大颗粒物质不能通过控制层的膜孔，而堵塞在载体层的膜孔中，从而造成分离操作失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种分离膜，经该分离膜分离后的分离物的分布均匀性好，并且适用范围广。

为了实现上述目的，本发明提供一种分离膜，包括控制层、载体层和位于所述控制层和所述载体层之间的过渡层，其中所述控制层上膜孔的平均孔径小于所述载体层上膜孔的平均孔径，所述过渡层上膜孔的平均孔径介于所述载体层上膜孔的平均孔径和同侧的所述控制层上膜孔的平均孔径之间，并且其中所述过渡层为多层膜结构，该多层膜结构至少包括依次布置的三层膜层，该三层膜层包括中间膜层和分别位于该中间膜层两侧的两侧膜层，其中所述中间膜层上膜孔的平均孔径分别大于所述两侧膜层上膜孔的平均孔径。

优选地，分别位于所述中间膜层两侧的所述两侧膜层的膜孔的孔径分布和平均孔径相同。

优选地，所述过渡层的所述多层膜结构还包括位于所述三层膜层和所述载体层之间的过渡膜层，该过渡膜层上膜孔的平均孔径大于与其相邻的所述两侧膜层的平均孔径。

优选地，所述控制层的膜孔的平均孔径为1nm-50μm。

优选地，所述载体层的厚度分别大于所述控制层和所述过渡层的厚度。

优选地，所述分离膜为管状膜。

优选地，所述分离膜为板状膜。

优选地，所述分离膜为多通道型管状膜。

通过上述技术方案中的对分离膜中的过渡层进行的改进，通过小-大-小的至少三层结构，因此使得经过控制层颗粒再进入过渡层后，可以得到两侧膜层的两次过滤分离，从而更好地拦截由于控制层的误差进入的较大杂质颗粒，使得经过过渡层所得到的分离物的颗粒分布范围更窄，即提高了分布均匀性，增大了适用范围。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明第一实施方式提供的双面分离膜的结构示意图；

图2是图1中A部的局部结构放大示意图；

图3本发明第二实施方式提供的分离膜的结构示意图。

附图标记说明

1 控制层 2 过渡层

3 载体层

21 中间膜层 22 两侧膜层

23 过渡膜层

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为实现本发明目的，即同时提高分离膜的分离精度和应用范围，如图1所示，首先根据本发明的第一实施方式，本发明提供一种双面分离膜。作为本发明的构思，该双面分离膜包括载体层3和分别位于该载体层3两侧的控制层1，并且控制层1上膜孔的平均孔径小于载体层3上膜孔的平均孔径。即，在载体层3的两侧均设置有控制层1，通过这种巧妙的设计，因此无论哪一侧的控制层1均能够通过设置其平均孔径大小实现对相应物质的分离过滤，即实现双向分离功能。并且，通过载体层3的物质还会再次经过另外一侧控制层1的过滤，因此使得即使侥幸通过第一层控制层1的杂质也会被第二层控制层1滤除，即能够实现双重过滤功能。并且进一步地，经过两次分离过程的物质颗粒分布更加均匀，这弥补了由于材料本身特性或膜孔加工精度问题造成的分离精度和分布均匀性的局限性，使得本发明提供的双面分离膜的适用范围更广。

其中，控制层1可以由例如微孔Al₂O₃膜、ZrO₂膜、玻璃（SiO₂）膜等无机材料制成，还可以由醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、氟聚合物等有机材料制成，对此本发明不做限制。

需要说明的是，本文中涉及的“膜孔的平均孔径”为不同膜层中所有膜孔的平均值，这是由于膜层加工完成后，膜孔的孔径不会完全一致，其孔径一般呈正态分布，因此在分离膜领域公知的是，同一膜层的“最可几孔径”通常指的是该膜层所有膜孔的“平均孔径”。另外，能够完成上述发明构思的实施方式有多种，例如各层的材质选择、厚度、平均孔径的具体参数的设计等等。为了方便说明本发明，在此只重点介绍其中的优选实施方式，该优选实施方式只用于说明本发明，并不用于限制本发明。

首先在第一实施方式中，可优选位于载体层3两侧的控制层1的膜孔的孔径分布和平均孔径相同，即二者采用相同标准进行制造。因此保证从一侧进入并通过载体层3的颗粒均能够通过另一侧的控制层上的膜孔，而不会堵塞在分离膜内部，保证本发明提供的分离膜的使用寿命。当然，根据某些使用场合的特殊需要，还可以将两侧控制层1上膜孔的平均孔径设计为略有不同，以适应不同的分离控制要求，此时需要注意分离膜内部是否发生堵塞并且及时处理。

作为膜分离技术的一般要求，控制层1的膜孔的平均孔径可根据待分离的物质进行设定，通常为1nm-50μm，当然，根据需要也可设计该范围之外的平均孔径尺寸，这种变形均应落在本发明的保护范围中。另外，通常由于要提供膜的结构强度，优选地，载体层3的厚度大于控制层1的厚度。在有些实施方式中，也可通过改变载体层3的材料种类而提高结构强度，从而降低整体双面分离膜的厚度，此类变形也应落在本发明的保护范围中。

进一步地，在本发明的第一实施方式中，优选地，载体层3与至少一侧的控制层1之间设置有过渡层2，该过渡层2上膜孔的平均孔径介于载体层3上膜孔的平均孔径和与其同侧的控制层1上膜孔的平均孔径之间，因此，通过该过渡层2的过渡能够方便控制层1在载体层3上成型。另外，由于控制层1的平均孔径较小，形成该层的物质颗粒也较小，因此，由于过渡层2的存在，能够使得形成控制层1的较小颗粒物质不易渗入载体层3上，从而起到防止分离膜堵塞的作用。另外，还能够降低从一侧通过载体层3的杂质堵塞到另一侧控制层1上的风险。并且该过渡层2还具有拦截由于控制层1误差而进入的较大颗粒的作用，而提高分离物质的分布均匀性。

其中，该过渡层2可以为单层膜结构，也可以在控制层1和载体层3的平均孔径差较大时设置为多层膜结构。此时，如图2所示，该多层膜结构中的每层膜的膜孔的平均孔径优选为不同。其中，为了进一步增强过渡层2的效果，优选地，该多层膜结构至少包括依次布置的三层膜层，该三层膜层包括中间膜层21和分别位于该中间膜层21两侧的两侧膜层22，其中，中间膜层21的膜孔的平均孔径分别大于两侧膜层22的膜孔的平均孔径，并且更优选地，位于中间膜层21两侧的两侧膜层22的膜孔的孔径分布和平均孔径相同。即形成过渡层2的三层膜层的结构构思与本发明的双面分离膜的结构构思相同，通过位于两侧平均孔径较小的两侧膜层22起到类似双面分离膜中的控制层1的作用。即在进行分离过程中，由于控制层1的误差导致的分布不均的物质颗粒再进入到过渡层2后，能够首先经过第一层两侧膜层22的过滤分离，然后再通过中间膜层21后再经过第二层两侧膜层22的过滤分离，从而更好地拦截由于控制层的误差进入的较大杂质颗粒，使得经过过渡层2所得到分离物的颗粒分布范围更窄，即提高了分布均匀性和精度。

另外优选地，由于两侧膜层22的平均孔径较小，为了防止形成该层的颗粒渗入到孔径较大的载体层3，过渡层2的多层膜结构还包括位于所述三层膜层和载体层3之间的过渡膜层23，该过渡膜层23上膜孔的平均孔径大于与之相邻的所述两侧膜层22的平均孔径。即，该过渡膜层起到了类似过渡层2在整体分离膜中的过渡作用。因此，本发明优选实施方式提供的过渡层优选为四层，其平均孔径的关系从控制层1到载体层3依次为小-大-小-大，从而进一步提高了本发明提供的分离膜的分离效果和使用寿命。

因此，在本发明的第一实施方式的实施例中，本发明提供的双面分离膜具有五层结构，即载体层3与两侧控制层1之间均设置有过渡层2。因此，该双面分离膜结构依次包括控制层1、过渡层2、载体层3、过渡层2以及控制层1。在制作过程中，可首先在载体层3外侧附着过渡层2，然后再在过渡层2外侧分别附着控制层1。

另外，基于上述对过渡层2改进，如图3所示，本发明的第二实施方式还提供一种分离膜，该分离膜不一定为第一实施方式中描述的双面膜，也可以为现有技术中的单面膜。即，该分离膜包括控制层1、载体层3以及位于控制层1和载体层3的上述过渡层2。这种方案也可以进一步改进分离膜的分离精度和颗粒分布均匀性，这同样落在本发明的保护范围中。

在实际应用中，上述两种分离膜的应用广泛，其中在石油化工领域的典型实施例中，分离膜通常为管状膜。即，其载体层3形成为管状结构，以能够实现管内向管外或管外向管内的物质之间的分离。更具体地，该管状膜可分为单通道和多通道型，其中单通道管状膜典型地为金属膜，多通道管状膜典型地为陶瓷膜。其中作为一种优选实施例，分离膜为多通道型管状膜，即管状膜内部形成有沿该管状结构的长度方向延伸的多条通道。其中在使用本发明第一实施方式提供的双面分离膜时，控制层1位于每条通道的内壁和管状结构的外壁；而使用本发明第二实施方式提供的分离膜时，则控制层1可只位于每条通道的内壁上，并在控制层1和载体层3之间设置所述过渡层2即可。因此，通过本发明提供的分离膜完成各种分离作业。另外，在其他领域的实施例中，例如污水处理领域还可以为平板结构的板状膜，对于此类变形均落在本发明的保护范围中。

综上，通过巧妙的发明构思，本发明提供的双面分离膜不仅具有较强的结构强度，而且能够同时提高分离精度和适用范围。因此，具有较高的实用性和推广价值。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种分离膜，其特征在于，所述分离膜包括控制层（1）、载体层（3）和位于所述控制层（1）和所述载体层（3）之间的过渡层（2），其中所述控制层（1）上膜孔的平均孔径小于所述载体层（3）上膜孔的平均孔径，所述过渡层（2）上膜孔的平均孔径介于所述载体层（3）上膜孔的平均孔径和同侧的所述控制层（1）上膜孔的平均孔径之间，并且其中所述过渡层（2）为多层膜结构，该多层膜结构至少包括依次布置的三层膜层，该三层膜层包括中间膜层（21）和分别位于该中间膜层（21）两侧的两侧膜层（22），其中所述中间膜层（21）上膜孔的平均孔径分别大于所述两侧膜层（22）上膜孔的平均孔径。

2.根据权利要求1所述的分离膜，其特征在于，分别位于所述中间膜层（21）两侧的所述两侧膜层（21）的膜孔的孔径分布和平均孔径相同。

3.根据权利要求1所述的分离膜，其特征在于，所述过渡层（2）的所述多层膜结构还包括位于所述三层膜层和所述载体层（3）之间的过渡膜层（23），该过渡膜层（23）上膜孔的平均孔径大于与其相邻的所述两侧膜层（22）的平均孔径。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的分离膜，其特征在于，所述控制层（1）的膜孔的平均孔径为1nm-50μm。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的分离膜，其特征在于，所述载体层（3）的厚度大于所述控制层（1）的厚度。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的分离膜，其特征在于，所述分离膜为管状膜。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的分离膜，其特征在于，所述分离膜为板状膜。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的分离膜，其特征在于，所述分离膜为多通道型管状膜。