CN103889559A - 螺旋缠绕膜元件和渗透液载体 - Google Patents

Abstract

一种用于螺旋缠绕膜元件的渗透液载体具有例如经编构造的两层或三层。两个外层或仅仅两个层阻止膜片材移动到渗透液载体中的渗透液通道中。渗透液载体片材的总厚度可以类似于典型经编渗透液载体片材的厚度。渗透液载体片材可以被涂覆以使它的表面亲水。涂层例如可以是交联聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。在螺旋缠绕元件中，渗透液载体片材（70）可以围绕中心管（16）缠绕一层或多层。渗透液载体片材中的通道（68）以一角度（74）相对于中心管的纵轴线螺旋地取向。

Description

螺旋缠绕膜元件和渗透液载体

技术领域

本申请涉及螺旋缠绕膜元件和模块并且涉及用于螺旋缠绕膜元件和模块的渗透液载体。

背景技术

通过围绕穿孔中心管缠绕一个或多个膜叶片和进给间隔片材制造螺旋缠绕膜元件。叶片具有放置在两个大体矩形膜片材之间的渗透液载体片材。膜片材沿着三个边缘密封在一起。叶片的第四边缘敞开并且紧靠中心管。渗透液载体片材的一个或多个层也可以围绕中心管缠绕以将膜叶片支撑在中心管中的穿孔上并且提供叶片的边缘和中心管之间的流动路径。也称为渗透液的产品水穿过膜片材并且然后流动通过渗透液载体片材到达中心管。

渗透液载体片材可以是由环氧树脂或三聚氰胺涂层聚酯细丝编织的经编织物。经编织物是多孔的并且在织物的一侧形成由凹槽分离的一系列平行脊，所述脊防止膜叶片塌缩。凹槽垂直于中心管取向以提供较少阻塞的通道以便渗透液向内流动通过叶片到达中心管。由例如毡或另一种非编织的或另外的多孔片状材料制造的独立加强或防拱胀层可以放置在膜片材和经编织物之间以有助于防止膜片材被压入经编织物的凹槽中。

美国专利第6,656,362号公开可以用于高压螺旋缠绕膜的渗透液载体片材和加强片材的各种尺寸和材料。国际公布第WO03/101575号公开旨在具有低流动阻力的渗透液载体材料。美国专利第4,802,298和7,048,855号描述直接粘结到膜片材的渗透液载体材料。美国专利申请公布第2004/0195164A1号描述一种螺旋缠绕膜元件，其中a)中心管中的穿孔的总面积乘以围绕中心管缠绕的一层渗透液载体的开口的百分比至少高达b)中心管的内横截面面积。

发明内容

下面将详细描述的渗透液载体包括两层或三层。两个外层或仅仅两个层阻止膜片材移动到渗透液载体中的渗透液通道中。渗透液通道可以位于中心层中，或位于外层的内侧上，或两者。所有层可以由经编片材制造。按渗透液通道不受膜片材阻塞的程度，通道呈现渗透液流动的较低阻力。膜片材也可以耐受较高压力，或受到较小损坏，原因是它未被拉伸到渗透液通道中。渗透液载体片材的总厚度可以类似于典型单层经编渗透液载体片材的厚度，例如大约0.010至0.012英寸。

下面将描述的渗透液载体片材被涂覆以使它的表面亲水。亲水涂层促进渗透液通道中的水流动。涂层例如可以是交联聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或其它化学制品。

下面将描述的渗透液载体片材围绕中心管缠绕成一层或多层。渗透液载体片材中的通道相对于中心管的纵轴线螺旋地取向。通道的螺旋取向减小渗透液沿着中心管的长度从膜叶片的敞开边缘处的渗透液载体片材中的通道流动到中心管中的穿孔的阻力。

渗透液载体片材可以在螺旋缠绕膜元件或模块中使用。渗透液载体片材或它们的特征中的任意一个或多个可以与相同的螺旋缠绕膜元件或模块组合使用。

附图说明

图1是螺纹缠绕膜元件的剖视透视图。

图2是包括图1的元件的螺纹缠绕膜模块的剖视透视图。

图3是渗透液载体片材的顶层的照片。

图4是渗透液载体片材的中间层的照片。

图5是渗透液载体片材的底层的照片。

图6是围绕螺旋缠绕膜元件的中心管缠绕的渗透液载体片材的侧视图。

具体实施方式

参考图1和2，通过围绕穿孔中心管16缠绕一个或多个膜叶片12和进给间隔片材14形成螺旋缠绕膜元件10。膜叶片12也可以称为包膜。进给间隔片材14也可以称为盐水通道间隔器。中心管16也可以称为芯、渗透液管或产品水收集管。叶片12包括围绕渗透液载体片材20的两个大体矩形膜片材18。紧靠中心管16的膜叶片12的边缘敞开，但是叶片12的其它三个边缘例如由粘合剂密封。

膜片材18可以具有铸造到支撑或背衬层上的分离层。分离层例如可以是醋酸纤维素、聚酰胺、薄膜复合材料或可以形成为分离膜的其它材料。分离层可以具有例如在逆向渗透、纳米过滤或超滤范围内的孔隙。也称为渗透液的被过滤产品水穿过膜片材，而取决于膜片材18的孔隙尺寸溶解盐或悬浮固体或其它污染物的通过由膜片材18拒绝。

渗透液载体20通过膜叶片12的敞开紧靠边缘与中心管16中的多排小孔22流体接触。在第一膜叶片12附连到中心管16之前，与膜叶片12中的渗透液载体20可相同或不同的材料的附加渗透液载体片材（未显示）或第一膜叶片12的渗透液载体20的延伸部可以围绕中心管16缠绕一层或多层。渗透液载体20的该初始缠绕将膜叶片12支撑在孔22上并且提供路径以将渗透水从膜叶片12引导到中心管16中的孔22。孔22典型地具有大约0.125英寸（3.2mm）的直径并且将产品水引导到中心管16的内部。

每个叶片12由也围绕中心管16缠绕的进给间隔片材14分离。进给间隔器14与元件10的两端流体接触并且它用作进给溶液穿越膜片材18的表面的管道。进给流动的方向是平行于中心管16的轴线A从进入端24到浓缩液端26。

参考图2，螺旋缠绕膜模块30具有位于压力容器32的内部的元件10。压力容器32具有大体管状主体34、入口端36和出口端38。进给水通过压力容器32的入口（未显示）进入。进给水行进通过元件10的进给间隔器14。未穿过膜片材18的进给水的部分（其可以称为渗余水或废水）通过排出管42离开压力容器32。产品水或渗透液收集在中心管16的内部并且然后典型地在从中心管16的第一端52到第二端54的方向上行进。最后的或唯一的元件10的第二端54可以密封、可以离开压力容器32或者可以连接到离开压力容器的接头。第一或唯一的元件10的第一端52可以密封、可以离开压力容器32或者可以连接到离开压力容器32的接头。如果在压力容器32中有多个元件10，则上游元件10的第二端54典型地连接到下游元件的第一端52。进给水串行流动通过压力容器中的多个元件10的进给间隔器14。周边密封件可以设在元件10的外缠绕层（未显示）和压力容器32的内侧之间以防止进给水流动经过元件10而不穿过它的进给间隔器14。

图3、4和5显示渗透液载体20的上层60、中间层62和下层64。中间层62是可选的。层60、62、64的每一个是编织片材。层60、62、64可以由编织成经编织物的涂层聚合物细丝制造。在经编织物中，纱线沿着编织纵列垂直地曲折前进，导致在织物的前侧（另外称为线圈纵行(wale)侧）上的将渗透液通道68分离的一系列平行隆起的线圈纵行66。在可以称为线圈横列(course)侧的织物的后侧上，肋垂直于隆起的线圈纵行66形成，但是肋不如隆起的线圈纵行66尖锐地限定并且不如隆起的线圈纵行66高。

在图3、4和5中，上层60和下层64可以比中间层62薄，但是所有三个层60、62、64具有隆起的线圈纵行66。层60、62、64放置在彼此的顶部上以形成渗透液载体20。上层60和下层64在渗透液载体中取向成使得它们的后侧向着渗透液载体20的外侧。内层62可以取向成它的后侧朝着上层60或下层64。层60、62、64的隆起的线圈纵行66优选地放置在彼此的顶部上使得垂直于渗透液载体的平面穿过渗透液载体20的线可以穿过层60、62、64的每一层的隆起的线圈纵行66。

发明人已发现尤其在高压下的海水应用操作中，使用单层经编渗透液载体膜18时，在叶片12的接触隆起的线圈纵行的的那一侧上，松垂或隆凸多于叶片12的另一侧，。由于渗透液朝着中心管16流动而产生的压力损失随着隆起的线圈纵行之间的凹槽的高度的三次幂变化。膜片材18松垂到凹槽中增加由渗透液流动产生的压力损失。通过将上层60和下层64取向成使得它们的线圈横列侧支撑膜片材18，松垂和压力损失减小。然而，层60、62、64被编织成使得它们的总厚度与典型单层渗透液载体的厚度（例如大约0.010到0.012英寸）大约相同并且层60、62、64中的凹槽68的总深度也与典型单层渗透液载体中的凹槽的深度大约相同。本文中所述的渗透液载体20因此可以通过阻止相邻膜片材18松垂到渗透液通道68中减小渗透液朝着中心管16流动的压力损失。这提高了通过膜片材18的净驱动压力（NDP），因此提高渗透液的吞吐量或收集率。

渗透液载体20中的细丝可以由有机聚合物、例如尼龙、聚丙烯或聚酯制造。由有机聚合物构造的渗透液载体通常不是水润湿性的，因此水不会自发地在散布在其上。本说明书中所述的渗透液载体20被涂覆以使它亲水从而促进渗透液通道68中的水流动。涂层可以是中等分子量的交联聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或另一种类似的化学制品。

参考图6，在膜叶片12附连到中心管16之前渗透液载体材料70的片材已围绕中心管16缠绕。渗透液载体材料70可以环绕中心管一次或多次、例如2到4次以形成初始缠绕层。从叶片12排出的渗透液穿过初始缠绕层到达中心管中的孔22。

在典型的初始缠绕层中，渗透液载体围绕中心管缠绕，它的隆起的线圈纵行遵循围绕沿着中心管的中心纵轴线的一个点的圈。然而经编织物在它对水流动的阻力上是各向异性的。水可以垂直于织物的平面容易地流动，但是沿着织物的平面中的渗透液通道不太容易流动，并且垂直于织物的平面中的线圈纵行更加不容易流动。在典型的初始缠绕层中，渗透液朝着中心管在径向方向上流动的阻力可以较低。然而，渗透液中的至少一些在中心管中的孔之间从叶片排出并且必须沿着中心管的长度轴向地行进以到达孔。渗透液在该轴向方向上流动的阻力高。另外，由于经编织物具有在20-40%的范围内的孔隙率值，因此孔的面积的相当大部分被经编织物阻塞。

为了减小渗透液在轴向方向上流动的阻力，渗透液载体材料70已相对于它的渗透液通道68的方向以一角度被切割。例如，渗透液载体材料的后缘72可以与渗透液通道68成80度或以下或70度或以下的角74。角74可以超过45度或超过60度。结果，渗透液通道68相对于中心管16的轴线A螺旋地取向。在图6中，线圈纵行66和渗透液通道68的宽度已被大大地放大以允许显示它们的螺旋路径。螺旋渗透通道68通过允许渗透液在其向内朝着中心管16移动时沿着中心管16的长度移动，由此减小渗透液朝着中心管16中的孔22轴向流动的阻力。净驱动压力提高相同量，因此提高渗透液的吞吐量。

渗透液载体材料70可以被缠绕，任一侧接触中心管16。然而，优选的是使渗透液载体材料70的线圈纵行侧与中心管16的外表面接触以减小孔22的阻塞。此外，渗透液载体材料70可以被编织成具有比在叶片12中使用的典型渗透液载体高的渗透率或孔隙率，原因是渗透液载体材料70不需要耐受如此高的压力。

螺旋缠绕元件10中的渗透液的吞吐量或收集率与在膜两侧上施加的压力相关。驱动渗透液流过叶片12中的渗透液通道68并从叶片12的边缘朝着中心管16中的孔22流动，这样所需的压力使渗透液流动通过膜的净驱动压力减小相同量。关于具有多个层60、62、64的渗透液载体20；渗透液载体20上的亲水涂层；和具有螺旋形渗透液通道86的围绕中心管的缠绕层，通过使用其中的一项或多项，由此净驱动压力会增加，在相同施加压力下允许每个元件10更多的渗透液流动。

该书面描述使用例子来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的权利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。这样的其它例子旨在属于权利要求的范围内，只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

Claims (12)

1.一种渗透液载体，其包括：

a)经编织物的第一层，所述第一层具有线圈横列侧和具有隆起的线圈纵行的线圈纵行侧；以及

b)经编织物的第二层，所述第二层具有线圈横列侧和具有隆起的线圈纵行的线圈纵行侧，

其中所述第一层和所述第二层的所述隆起的线圈纵行都朝着所述渗透液载体的内侧取向。

2.根据权利要求1所述的渗透液载体，其特征在于，其还包括经编织物的第三层，所述第三层具有隆起的线圈纵行并位于所述第一层和所述第二层之间。

3.根据权利要求1所述的渗透液载体，其特征在于，所述第一层的所述隆起的线圈纵行位于所述第二层的所述隆起的线圈纵行之上。

4.根据权利要求2所述的渗透液载体，其特征在于，所述第三层的所述隆起的线圈纵行位于所述第一层的所述隆起的线圈纵行和所述第二层的所述隆起的线圈纵行之间。

5.根据权利要求1所述的渗透液载体，其特征在于，其具有0.012英寸或以下的厚度。

6.根据权利要求1所述的渗透液载体，其特征在于，所述第一层和所述第二层的细丝被涂覆以使它们的表面亲水。

7.一种具有膜叶片的螺旋缠绕膜元件，所述膜叶片包括围绕中心管缠绕的根据权利要求1所述的渗透液载体和围绕所述中心管的第二渗透液载体的初始缠绕层，其中所述第二渗透液载体包括相对于所述中心管的中心纵轴线螺旋地取向的渗透液通道。

8.一种渗透液载体片材，其包括亲水涂层。

9.根据权利要求8所述的渗透液载体片材，其特征在于，所述亲水涂层包括交联聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮。

10.一种螺旋缠绕膜元件，其包括：

a)中心管；以及

b)渗透液载体，所述渗透液载体包括围绕所述中心管缠绕的渗透液通道，

其中所述渗透液通道相对于所述中心管的中心纵轴线螺旋地取向。

11.根据权利要求10所述的螺旋缠绕膜元件，其特征在于，所述渗透液载体包括经编片材并且所述渗透液通道由所述经编片材的相邻线圈纵行之间的空间限定。

12.根据权利要求10所述的螺旋缠绕膜，其特征在于，所述渗透液载体涂覆有亲水涂层。

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