CN104411385B - 使用低能量进料间隔件的膜过滤 - Google Patents

使用低能量进料间隔件的膜过滤 Download PDF

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Abstract

在至少一个实施例中，提供一种膜过滤元件。所述元件可以包括至少一个进料间隔件，所述至少一个进料间隔件包括第一组平行股线，所述第一组平行股线在第一方向上延伸并且包括具有第一厚度的多根第一股线和具有小于所述第一厚度的第二厚度的多根第二股线。第二组平行股线可以在横向于所述第一方向的第二方向上延伸。所述第二组平行股线可以包括具有第三厚度的多根第三股线和具有小于所述第三厚度的第四厚度的多根第四股线。在一个实施例中，所述第一组股线和所述第二组股线包括交替的厚股线和薄股线，这些交替的厚股线和薄股线减少了膜过滤系统中的压降。

Description

使用低能量进料间隔件的膜过滤
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年6月26日提交的美国临时申请号61/690,419的权益，其披露内容以其全文通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及一种用于膜过滤诸如反渗透系统的挤出网状物。
背景技术
膜过滤是一种用于将进料或进入物、液体分离成产品流和浓缩物流的过程。典型地，进料流是需要过滤或脱盐以使得其可以用于饮用、农业以及工业应用的水。在膜过滤中，膜充当允许某些化合物穿过同时排斥其他化合物的屏障。一种类型的膜过滤是反渗透(RO)过滤，该反渗透过滤是一个压力驱动过程。在渗透过程中，水由于渗透压而将从一个高溶质浓度区域扩散到一个低浓度区域，直到达到渗透均衡。反渗透是以下过程，其中压力被施加到高溶质浓度体积上以便克服渗透压并且迫使处于高溶质浓度的水扩散穿过膜到达低溶质体积，从而留下溶质。用于RO过滤的膜非常有选择性并且几乎不允许溶质穿过。
一种类型的RO过滤系统被称为螺旋缠绕元件系统。在此系统中，一个或多个膜包(membrane envelope)被包绕在一个细长的收集管周围。每个膜包包括两个膜外表面和其间的一个渗透片，该渗透片与收集管的侧壁中的多个孔连通。一个进料间隔件被布置在每个膜包的一侧上，这样使得当膜包被包绕在收集管周围时，以膜包的交替层和进料间隔件形成螺旋构型。该收集管、这个或这些膜包以及这个或这些进料间隔件组合以便形成一个螺旋缠绕元件。典型地，多个元件被串联和并联地组合以便处理更大量的进料液体。
在使用中，将螺旋缠绕元件放置在一个压力容器中，并且在压力下将含有高浓度溶质的水(称为进料水)泵送到压力容器的一端中。进料水通过由进料间隔件形成的膜包之间的通道进入螺旋缠绕膜并且平行于收集管的轴线行进。进料水的一部分由于进料水超过渗透压的高压而扩散穿过膜并且进入渗透片中。渗透片在螺旋方向上引导水，直到水到达收集管并且随后轴向地行进到螺旋缠绕元件的末端。没有扩散穿过膜的进料水继续在轴向方向上行进并且典型地被转移到与第一螺旋缠绕元件串联连接的另一个螺旋缠绕元件。
发明内容
在至少一个实施例中，提供一种螺旋缠绕过滤元件，所述螺旋缠绕过滤元件包括：一个中央收集管，所述中央收集管具有被限定在其中的至少一个孔；至少一个膜包，所述至少一个膜包被附接到所述中央收集管上并且具有由一个间隔件隔开的两个膜片，所述至少一个膜包被构造成包绕在所述中央收集管周围以便形成螺旋；以及至少一个进料间隔件，所述至少一个进料间隔件被构造成在被包绕在所述中央收集管周围时邻近至少一个膜片被布置并且形成接收有待过滤的液体的一个通道。所述进料间隔件可以包括网状物，所述网状物包括第一组平行股线，所述第一组平行股线在第一方向上延伸并且包括具有第一厚度的多根第一股线和具有小于所述第一厚度的第二厚度的多根第二股线；以及第二组平行股线，所述第二组平行股线在横向于所述第一方向的第二方向上延伸。所述第一组股线和所述第二组股线可以始终位于彼此的同一侧上。
在至少一个实施例中，提供一种挤出网状物，所述挤出网状物包括第一组平行股线，所述第一组平行股线在第一方向上延伸并且包括具有第一厚度的多根第一股线和具有小于所述第一厚度的第二厚度的多根第二股线；以及第二组平行股线，所述第二组平行股线在横向于所述第一方向的第二方向上延伸并且包括具有第三厚度的多根第三股线和具有小于所述第三厚度的第四厚度的多根第四股线。所述第一组股线和所述第二组股线可以始终位于彼此的同一侧上，并且所述第一组平行股线可以包括交替的第一股线和第二股线，并且所述第二组平行股线可以包括交替的第三股线和第四股线。
在至少一个实施例中，提供一种螺旋缠绕过滤元件，所述螺旋缠绕过滤元件包括：一个中央收集管，所述中央收集管具有被限定在其中的至少一个孔；至少一个膜包，所述至少一个膜包被附接到所述中央收集管上并且具有由一个间隔件隔开的两个膜片，所述至少一个膜包被构造成被包绕在所述中央收集管周围以便形成一个螺旋；以及至少一个进料间隔件，所述至少一个进料间隔件在被包绕在所述中央收集管周围时邻近至少一个膜片被布置并且形成接收有待过滤的液体的一个通道。所述进料分离装置可以包括一个挤出网状物，所述挤出网状物包括第一组平行股线，所述第一组平行股线在第一方向上延伸并且包括具有第一厚度的多根第一股线和具有小于所述第一厚度的第二厚度的多根第二股线；以及第二组平行股线，所述第二组平行股线在横向于所述第一方向的第二方向上延伸并且包括具有第三厚度的多根第三股线和具有小于所述第三厚度的第四厚度的多根第四股线。所述第一组股线和所述第二组股线可以始终位于彼此的同一侧上。
附图说明
图1是根据至少一个实施例的反渗透螺旋缠绕元件的剖视图；
图2是根据至少一个实施例的网状物的透视图；
图3是根据至少一个实施例的网状物的顶视图；
图4是根据至少一个实施例的相邻膜片之间的网状物的截面；
图5是相邻膜片之间的现有技术网状物的截面；并且
图6是根据至少一个实施例的相邻膜片之间的网状物的截面的照片。
具体实施方式
根据所要求的，在此披露本发明的详细的实施例；然而，应理解的是，这些披露的实施例仅是本发明的示例，可以将它们以不同的并且是可替代的形式实施。这些图不是必须按比例的；为了显示具体元件的细节，一些特征可能被夸大或缩小。因此，在此披露的具体结构的和功能的细节不应解释为限制，而是仅作为一种代表基准用于传授给本领域普通技术人员以多样化地使用本发明。
除了在实施例中或以其他方式明确说明的地方之外，在描述本发明的最宽范围中，本说明书中表示材料数量或反应条件和/或用途的所有数值量将被理解为由词语“约”修饰。在所述数值限制内的实践通常是优选的。另外，除非明确进行相反的陈述，否则：百分比、“的一部分”以及比值是按重量计；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；适用于或优选用于与本发明有关的一个给定目的的材料群组或类别的描述暗示着该群组或类别的成员中的任何两个或更多个的混合物是同样适合的或优选的；化学术语中组分的描述是指添加到描述中所指定的任何组合中的组分，并且不一定排除混合之后混合物的组分之间的化学交互作用；并且首字母缩略词或其他缩写的第一定义适用于同一缩写在此的所有随后使用并且加上必要的变更以便适用于初始定义缩写的正常语法变异。
参照图1，示出一种反渗透(RO)系统螺旋缠绕元件1。虽然示出一个RO系统，但相同的一般构型总体上可适用于多种膜过滤系统。螺旋缠绕元件(所述元件)1典型地被配置成被放置在一个压力容器2(未示出)中。元件1包括至少一个膜包4，该至少一个膜包包括包封一个间隔件、一般来说一个渗透片8的两个膜片6。渗透片8是沿着一条边附接到一个收集管10上，该收集管具有在轴向方向上间隔开的多个孔12。一个进料间隔件14被设置在每个膜包4之间，这样使得每个膜包4中的至少一个膜片6是与一个进料间隔件14相接触。当这个或这些膜包4和这个或这些进料间隔件14以收集管10为轴向中心处而被卷成螺旋时，形成螺旋缠绕元件1。这些进料间隔件14在相邻膜片6之间形成多个通道16，从而允许进料液体沿着膜片6的表面通过。
当元件1被放置在一个压力容器中时，进料液体在一个进料液体入口端18处在压力下被提供并且该液体进入由进料间隔件14形成的通道16中。该进料液体在平行于收集管10的轴向方向上行进。当该进料液体在膜片6的表面上行进时，该液体的一部分在压力下扩散穿过膜片6并且进入渗透片8中。与进料液体相比含有很少或没有溶质的此液体随后在螺旋路径中行进穿过渗透片8以及收集管10中的孔12。行进穿过收集管10的液体一般被称为渗透液体或产品液体。没有扩散穿过膜片6的进料液体继续在轴向方向上行进，直到该进料液体到达元件1的一个出口端20。在元件1的出口端20处，产品液体被去除并且剩余进料液体一般被转移到另一个螺旋缠绕元件1来重复该过程以便增加产品液体的产量。
一般来说，并且特别是对于RO过滤来说，膜过滤存在若干挑战。一个挑战是沿着螺旋缠绕元件的纵向长度以及在串联连接时从一个过滤元件到下一个过滤元件的压降。进料间隔件是压降的一个主要来源，因为该进料间隔件抵制进料液体流动穿过螺旋缠绕元件。因此，必须增大RO过滤系统中的压降，这提高了操作和维护成本。第二挑战是积垢，特别是生物积垢。当沉积物在膜上堆积或增长时发生积垢，这可能要求增大进料压力，并且可能损坏膜或减少膜的寿命。在沉积物本质上是生物诸如细菌、真菌、原生动物等时，发生生物积垢。这些微生物可以沉积和/或可以生长在膜上，从而降低效率并且要求清洗。第三挑战是浓差极化，其中膜表面处或附近的盐浓度增大。这使膜表面处的渗透压增大并且可以导致液体传输减少并且溶质传输增加。进料间隔件在解决和/或缓解这些问题中起作用。
参照图2至图4，本披露提供一个进料间隔件14，该进料间隔件提供相对高的RO过滤通量，同时解决多个问题诸如压降、生物积垢以及浓差极化。在至少一个实施例中，本披露的进料间隔件14形成为挤出网状物30，所述挤出网状物包括第一组股线32和第二组股线34。在至少一个实施例中，第一组股线32中的股线是彼此平行布置并且在第一方向上延伸，并且第二组股线34中的股线是彼此平行布置并且在总体上横向于该第一方向的第二方向上延伸。在至少一个实施例中，该第一方向和该第二方向是基本上垂直的，这样使得第一股线32和第二股线34以直角(90°)相交。
然而，应理解的是，第一股线32和第二股线34可以不同于90°的角度相交。在一个实施例中，第一股线32和第二股线34在平行于元件的纵向轴线的方向上以从60度至120度的角度相交。在另一个实施例中，第一股线32和第二股线34在平行于元件的纵向轴线的方向上以从65度至110度的角度相交。在另一个实施例中，第一股线32和第二股线34在平行于元件的纵向轴线的方向上以从70度至100度的角度相交。在另一个实施例中，第一股线32和第二股线34在平行于元件的纵向轴线的方向上以从75度至90度的角度相交。
在至少一个实施例中，这些股线32和34是多个挤出聚合物细长构件，这些挤出聚合物细长构件在离开一个或多个挤出模时或之后不久便交叉并且相交，从而形成网状结构。在这个实施例中，遍及网状物30，股线32和34停留在彼此的同一侧上。然而，股线32和34还可以是由多根挤出股线形成，这些挤出股线在挤出过程中被编织或交织在一起而不是交叉。股线32和34可以是由任何适合的材料诸如聚烯烃、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺、缩醛、含氟聚合物、聚氨酯以及弹性体制成。在至少一个实施例中，股线32和/或34是由聚丙烯制成。在另一个实施例中，股线32和/或34是由聚乙烯诸如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成。在至少一个实施例中，股线32和34是由相同的材料制成。然而，在其他实施例中，可以考虑的是，股线32可以是由与股线34不同的材料制成。
如在图2至图4中示例性示出，在至少一些实施例中，两组股线32和34均包括至少两种不同尺寸的股线。每组股线32和34包括识别为A的大股线和识别为B的较小股线。因此，第一组股线32具有带有第一厚度的多根第一股线(A股线)和带有第二厚度的多根第二股线(B股线)，并且第二组股线34具有带有第三厚度的多根第三股线(A股线)和带有第四股线的多根第四股线(B股线)。股线A和B可以独立地是任何适合的尺寸，只要A明显大于B。
目前认为，所具有的两组股线32、34均具有交替的A股线和B股线的一个进料间隔件14是对RO螺旋缠绕元件来说最有效的构型，因为这种构型使得压降减小，同时仍利用膜片6维持足够的支撑点密度，以便维持通道16的完整性。另外，当两组股线32、34具有交替的A股线和B股线时，进料间隔件14上的流在通道16中是基本上对称的并且使每个膜片6暴露于类似的条件。然而，在一些实施例中，一组股线32或股线34可以具有带有均匀厚度的股线，例如，仅A股线或仅B股线，而另一组股线32或股线34具有A股线和B股线两者，如上所述。在再其他实施例中，股线32和股线34中的任一种或两种均可以包括具有第三厚度的股线或不同于A股线和B股线的C股线。
在一个实施例中，股线A具有千分之五至千分之四十英寸或5至40密耳(0.127至1.016mm)的厚度。在另一个实施例中，股线A具有8至35密耳(0.203至0.889mm)的厚度。在另一个实施例中，股线A具有10至30密耳(0.254至0.762mm)的厚度。在另一个实施例中，股线A具有15至25密耳(0.381至0.635mm)的厚度。在又一个实施例中，股线A具有20密耳(0.508mm)的厚度。在一个实施例中，股线B具有3至35密耳(0.076至0.889mm)的厚度。在另一个实施例中，股线B具有3至25密耳(0.076至0.635mm)的厚度。在另一个实施例中，股线B具有3至20密耳(0.076至0.508mm)的厚度。在另一个实施例中，股线B具有5至15密耳(0.127至0.381mm)的厚度。在另一个实施例中，股线B具有7至12密耳(0.178至0.305mm)的厚度。在又一个实施例中，股线B具有10密耳(0.254mm)的厚度。在至少一个实施例中，股线32中的A股线和B股线具有与股线34中的A股线和B股线相同的厚度。在另一个实施例中，股线32和34的A股线具有相同的厚度并且B股线具有不同的厚度。在另一个实施例中，股线32和34的B股线具有相同的厚度并且A股线具有不同的厚度。在又一个实施例中，股线32和34的A股线和B股线均具有不同的厚度。
在至少一个实施例中，股线32和34(A和B)具有一个圆形截面。然而，可以考虑的是，可以使用任何适合的形状。当这些股线具有圆形截面时，厚度是通过测量股线32和34的直径来测量。在其中股线32和34具有圆形截面的一些实施例中，股线32和34的厚度贯穿它们的长度保持基本上恒定。然而，在其他实施例中，股线32和34可以具有位于相交点38之间的多个厚度减小的部分。
如在图4中可以最佳地看出，网状物30的厚度是不均匀的，因为存在三种不同类型的股线32和34的相交点：A/A、A/B以及B/B。为了进行比较，在图5中示出具有均匀股线厚度和均匀总厚度的一个典型的现有技术进料间隔件。在图6中示出包括具有22密耳的厚度的A股线和具有12密耳的厚度的B股线的网状物30的一个实例在两个膜片之间的截面。当两根A股线相交时，网状物30的厚度是处于其最大值，并且当两根B股线相交时，网状物30的厚度是处于其最小值。如在此所使用，网状物30的整体厚度是指两根A股线的交点38或网状物30的最大厚度。另外，网状物30的厚度可能并不始终对应于A股线的厚度的两倍。如图4中所示，这两根股线可以在相交点38处部分地合并，或彼此“陷入”。股线32和34的合并量可以基于处理参数变化。在一个实施例中，合并量可以是从0.1％至30％。在另一个实施例中，合并量可以是从5％至20％。在另一个实施例中，合并量可以是从10％至15％。例如，在各自具有20密耳(0.508mm)的直径的两根A股线的交点38处，网状物30的厚度可以是34密耳(0.864mm)而不是40密耳(1.016mm，每根股线的厚度的两倍)。在这个实例中，将存在15％的合并。
在至少一个实施例中，网状物30具有20至80密耳(0.508至2.032mm)的总体厚度，如在相交点38处测得。在另一个实施例中，网状物30具有22至65密耳(0.559至1.651mm)的总体厚度。在另一个实施例中，网状物30具有25至50密耳(0.635至1.270mm)的总体厚度。在另一个实施例中，网状物30具有28至45密耳(0.711至1.143mm)的总体厚度。在另一个实施例中，网状物30具有30至40密耳(0.762至1.016mm)的总体厚度。
在图2至图4所示的实施例中，股线32和34各自具有交替的A股线和B股线，即，股线顺序是ABAB……。目前认为，一个交替的股线顺序是对RO螺旋缠绕元件1来说最有效的顺序，因为交替的股线顺序提供一个更加一致的和/或恒定的流量并且在通道16的湍流形成与支撑之间提供最有效的平衡。然而，也可以考虑其他股线顺序，其中多根A股线是在B股线之间重复的，或反之亦然(例如，ABBABB或AABAAB)。另外，A股线和B股线可以成批被安排，例如AABB或AAABB。在图2至图4所示的实施例中，股线32和34具有相同股线顺序，然而股线32和34可以具有不同的股线顺序，这些股线序顺序可以是以上顺序的任何组合。
多组股线32和34中的股线可以在其间具有一个均匀的间隔，该间隔是股线间隔。在图2至图4所示的实施例中，股线32和34具有相同的股线间隔，然而，对于每组股线来说，股线间隔可以是不同的。股线间隔可以作为每英寸股线数来测量。在至少一个实施例中，股线间隔是2至30根股线每英寸。在另一个实施例中，股线间隔是3至25根股线每英寸。在另一个实施例中，股线间隔是5至20根股线每英寸。在另一个实施例中，股线间隔是7至15根股线每英寸。在又一个实施例中，股线间隔是9根股线每英寸。此外，应当理解的是，可以使用通过股线32和34相交形成的各种尺寸的开口40。此外，虽然孔或开口40在附图中示出为是方形的，但应当理解的是，可以使用任何适合的形状和尺寸。例如，如果股线32和34是垂直的并且一组股线具有比另一组更小的股线间隔，那么可以形成矩形开口40。如果股线32和34不是垂直的，那么开口40可以具有一个菱形的形状。
股线32和34的交替厚度(也称为交替股线设计)在诸如压降、生物积垢、膜损坏以及浓差极化等方面提供对当前可用进料间隔件的改进。以下论述的优点涉及为获得纯净水或饮用水而对盐水进行的过滤，然而相同的原理适用于其他进料液体的过滤。
与自始至终具有均匀股线厚度的常规进料间隔件相比，交替股线设计(ASD)导致压降减小。在一个实施例中，具有一个ASD进料间隔件的一个膜过滤元件中的压降比具有一个常规进料间隔件(即，具有均匀厚度的股线的一个进料间隔件，如图5中所示)的相同元件小至少10％。在另一个实施例中，具有一个ASD进料间隔件的一个膜过滤元件中的压降比具有一个常规进料间隔件的相同元件小至少15％。在另一个实施例中，具有一个ASD进料间隔件的一个膜过滤元件中的压降比具有一个常规进料间隔件的相同元件小至少20％。在另一个实施例中，具有一个ASD进料间隔件的一个膜过滤元件中的压降比具有一个常规进料间隔件的相同元件小至少25％。在另一个实施例中，具有一个ASD进料间隔件的一个膜过滤元件中的压降比具有一个常规进料间隔件的相同元件小至少30％。在另一个实施例中，具有一个ASD进料间隔件的一个膜过滤元件中的压降比具有一个常规进料间隔件的相同元件小至少35％。
在不受坚持任何特定理论的情况下，认为压降减小是至少部分地由于B股线的股线表面积减少(与具有全部A股线的常规进料间隔件相比)。股线表面积减小导致形状阻力减小，从而有助于减小网状物30对在其上方并且在膜片6的表面上流动的水的阻力。与常规进料间隔件网状物(即，具有均匀股线厚度的网状物)相比的总体网状物股线表面积的减小基于A股线和B股线的厚度变化。在至少一个实施例中，总体网状物股线表面积减少了至少10％。在另一个实施例中，总体网状物股线表面积减少了至少25％。
ASD的另一个结果是：与处于同一进料速率下的常规进料间隔件相比，盐水或其他液体的流速减小。一个减小的流速意味着膜表面处减小的切应力以及盐水中减小的湍流。由于切应力和湍流在解决多个问题诸如生物积垢和浓差极化(在下文论述)方面是有益的，因此有利的是，增大进料速率以使流速、切应力以及湍流回升至典型水平(即，利用一个典型的、均匀的股线厚度进料间隔件实现的那些水平)。然而，当使用ASD进料间隔件14时进料速率的增大不会使压降增大到比典型螺旋缠绕元件中更高的一个水平。相反，压降可以保持比在典型元件中更低。因此，一个RO过滤系统可以在比一个典型系统更高的一个进料速率下操作，但具有相同的或更低的压降以及相同的或更好的切应力和湍流。可替代地，过滤系统可以在与一个典型系统相同的进料速率下操作，但压降减小。因此，任一种操作方法可以导致较低的能耗。
生物积垢是微生物在膜表面上的沉积和/或生长，这可以导致压降增大、水穿过膜的扩散减小以及穿过膜的盐量增大。生物积垢在进料间隔件接触膜的区域中增加。ASD导致进料间隔件14与膜片6之间的接触面积减小，并且因此导致生物积垢减少，因为股线32和34的B股线并不接触膜片6。典型的网状物30自始至终具有均匀的厚度；因此，每个相交点38均接触两个相邻的膜片6。在具有带有ASD的网状物30的元件1中，大多数相交点38仅接触一个相邻膜片6或不接触相邻膜片。如图4中所示，BB股线的相交点38不接触相邻膜片6中的任一个，并且AB股线的相交点38仅接触一个相邻膜片6。除了与膜6的接触面积减少之外，具有ASD的进料间隔件14还导致其中股线较薄的区域中的水速减小。高的水速是与更多的生物积垢生长相关联，因为更多的营养素被带到高水速的区域。因此，ASD进料间隔件14的较低水速意味着在B股线的区域中存在较少的营养素，这减少了那些区域中的生物积垢。
为进一步减少生物积垢堆积，股线32和34可以涂布有一个低COF涂层或可以具有一个低COF添加剂包含于它们的组成中。在一个实施例中，低COF添加剂是UHMWPE(一般具有1至6百万Da的分子量)。在另一个实施例中，低COF添加剂是聚四氟乙烯(PTFE，也称为特氟纶)。如果存在的话，低COF添加剂可以按重量计占进料间隔件14的0.1％至10％。在另一个实施例中，低COF添加剂可以按重量计占进料间隔件14的1％至7.5％。在另一个实施例中，低COF添加剂可以按重量计占进料间隔件14的约5％。低COF添加剂可以包括活性组分和非活性组分。在一个实施例中，低COF添加剂按重量计包括0.1％至75％的活性组分。在另一个实施例中，低COF添加剂按重量计包括1％至50％的活性组分。在另一个实施例中，低COF添加剂按重量计包括10％至40％的活性组分。在另一个实施例中，低COF添加剂按重量计包括约25％的活性组分。低COF添加剂的其余部分(balance)可以是一种非活性载体，如一种载体树脂。该载体树脂可以是一种聚烯烃，例如LDPE、HDPE或聚丙烯(PP)。
减少生物积垢可以减小一个膜过滤元件每年所需的膜清洗周期数。用于清洗膜的化学品可以导致膜损坏，因此生物积垢减少还可以减少膜损坏。除了减少生物积垢之外，具有ASD的进料间隔件14与膜片6之间的接触面积减小也减少膜损坏。较少的接触膜片6的交点38导致进料间隔件14与膜片6之间发生较少的刮擦和摩擦。
另外，由于因ASD进料间隔件14的使用而导致压降减小；对于一个另外相似的元件1，进料间隔件14可以被制作得比常规进料间隔件更薄。如果一个常规进料间隔件被制作得较薄以便具有与ASD进料间隔件14相同的厚度，那么在元件1中可能存在不可接受的压降。具有一个较薄进料间隔件14允许更多的膜包4被包绕在收集管10周围，从而增加典型地具有约16英寸的最大直径的元件1内膜片6表面积的量。
实例1
使用ASD进料间隔件缠绕两个半咸水反渗透(BWRO)过滤系统并且与使用具有均匀厚度的常规进料间隔件的两个BWRO过滤系统进行比较。这些过滤元件的直径为8英寸并且长度为40英寸，并且在以下在表1中示出的条件下并行测试一小时。ASD进料间隔件和常规进料间隔件两者均具有34密耳(约0.86mm)的厚度并且具有25个膜片和12个进料间隔件。以下在表2中示出该测试的结果。ASD进料间隔件和常规进料间隔件的排斥率(例如，被阻止穿过膜片的溶质的百分比)是相似的。具有ASD进料间隔件的元件具有略微更高的流量(基于m3/天)。与具有一个传统间隔件的元件相比，具有ASD间隔件的元件的压降(ΔP)示出约23.3％的平均降低。
电导率(μS/cm) 3,200
pH 7
进料压力(巴) 15.5
浓缩物流量(m3/h) 4.8
温度(℃) 25
表1.具有ASD进料间隔件的过滤系统和具有常规进料间隔件的过滤系统的测试条件。
样品 排斥率(％) 流量(m3/天) ΔP(巴) ΔP改进(％)
常规1 99.6 43.7 0.15 N/A
ASD1 99.7 44.5 0.11 26.7
常规2 99.5 42.5 0.15 N/A
ASD2 99.6 44.4 0.12 20.0
表2.具有ASD进料间隔件的过滤系统和具有常规进料间隔件的过滤系统的测试结果。
实例2
具有总体厚度为75密耳的一个常规菱形进料间隔件和具有总体厚度为75密耳的一个ASD进料间隔件是使用3D打印来制造的。该常规进料间隔件具有37.5密耳的均匀股线厚度。该ASD进料间隔件具有厚度为37.5密耳的大(A)股线和18.75密耳的小(B)股线(例如，B股线具有的厚度等于A股线厚度的一半)。使用一个Sterlitech SEPA CF膜元件池(“流动池”)来测试这些进料间隔件。在2.0加仑/分钟和1.0加仑/分钟的流量下测试常规间隔件和ASD间隔件。这些结果表明，对于2.0加仑/分钟的流量，与常规间隔件相比，ASD间隔件的压降减少了16.79％。对于1.0加仑/分钟的流量，与常规间隔件相比，ASD间隔件的压降减少了30.05％。结果在以下表3中示出。
表3.与一个常规间隔件相比，一个ASD进料间隔件的一个实施例的流动池的压降结果。
实例3
使用用于牛顿不可压缩液体的层流的纳维尔-斯托克斯方程进行使用计算流体动力学(CFD)的模拟测试。对两个条件进行测试：恒定入口流速和恒定进料流量(在表4中示出条件，在表5中示出结果)。模拟的结果表明，对于0.16m/s的恒定入口流速，与常规间隔件相比，ASD进料间隔件中的压降减少了27％。对于16L/h的恒定进料流量，模拟结果表明，与常规间隔件相比，ASD进料间隔件中的压降减少了32％。当保持入口流速恒定在0.16m/s下时，ASD进料间隔件具有与常规间隔件相比大了5.9％的进料流量。当保持进料流量恒定在16L/h下时，ASD进料间隔件具有与常规间隔件相比低了5.6％的进料流速。
进料间隔件 厚度 孔隙率 进料流量(L/h) 入口流速(m/s)
常规 863μm 0.85 变化的(F＝16.9) 恒定的(u_in＝0.16)
ASD 863μm 0.90 变化的(F＝17.9) 恒定的(u_in＝0.16)
常规 863μm 0.85 恒定的(F＝16) 变化的(u_in＝0.151)
ASD 863μm 0.90 恒定的(F＝16) 变化的(u_in＝0.143)
表4.恒定入口流速和恒定进料流量模拟的CFD条件。
表5.恒定入口流速和恒定进料流量模拟的CFD模拟结果。
虽然上面描述了多个示例性的实施例，这不意味着这些实施例描述了本发明的所有的可能形式。而是，在本说明书中所用的语言是描述而非限制的语言，并且应理解的是可以在不背离本发明的精神和范围的情况下做出不同的改变。此外，可以将不同实现的实施例的特征结合起来以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (11)

1.一种螺旋缠绕过滤元件，包括：
一个中央收集管，所述中央收集管具有被限定在其中的至少一个孔；
至少一个膜包，所述至少一个膜包被附接到所述中央收集管上并且具有由一个间隔件隔开的两个膜片，所述至少一个膜包被构造成包绕在所述中央收集管上以便形成螺旋；以及
至少一个进料间隔件，所述至少一个进料间隔件被构造成在包绕在所述中央收集管周围时被布置在两个膜片之间并且形成用于接收有待过滤的液体的一个通道，所述进料间隔件包括网状物，所述网状物包括：
第一组平行股线，所述第一组平行股线在第一方向上延伸，并且包括具有第一厚度的多根第一股线和具有小于所述第一厚度的第二厚度的多根第二股线，第一和第二股线彼此间隔开，具有开口的间隔以便允许流体在股线间流动；以及
第二组平行股线，所述第二组平行股线与第一和第二股线一体连接，沿横向于第一组平行股线的第二方向延伸，并且包括具有第三厚度的多根第三股线和具有小于第三厚度的第四厚度的多根第四股线，第三和第四股线彼此间隔开，具有开口的间隔以便允许流体在股线间流动；其中所述第一组平行股线包括交替的第一股线和第二股线，并且所述第二组平行股线包括交替的第三股线和第四股线。
2.如权利要求1所述的螺旋缠绕过滤元件，其中这些第一股线和这些第三股线具有5至40密耳的厚度，并且这些第二股线和这些第四股线具有3至35密耳的厚度。
3.如权利要求1所述的螺旋缠绕过滤元件，其中这些第一股线和这些第三股线具有8至35密耳的厚度，并且这些第二股线和这些第四股线具有5至15密耳的厚度。
4.如权利要求1所述的螺旋缠绕过滤元件，其中这些第一股线和这些第三股线具有10至30密耳的厚度，并且这些第二股线和这些第四股线具有7至12密耳的厚度。
5.如权利要求1所述的螺旋缠绕过滤元件，其中这些第一股线和这些第三股线具有相同的厚度，并且这些第二股线和这些第四股线具有相同的厚度。
6.如权利要求1所述的螺旋缠绕过滤元件，其中所述网状物在这些第一股线与这些第三股线的交点处具有25至50密耳的总厚度。
7.如权利要求1所述的螺旋缠绕过滤元件，其中所述第一组平行股线垂直于所述第二组平行股线。
8.如权利要求1所述的螺旋缠绕过滤元件，其中所述第一组平行股线与所述第二组平行股线在平行于所述元件的纵向轴线的方向上以65至110度的角度相交。
9.如权利要求1所述的螺旋缠绕过滤元件，其中与具有其中股线具有基本上完全相同厚度的进料间隔件的相同螺旋缠绕过滤元件相比，所述螺旋缠绕过滤元件的压降减少了至少10％。
10.如权利要求1所述的螺旋缠绕过滤元件，其中所述进料间隔件包括按重量计0.1％至10％的超高分子量聚乙烯。
11.一种螺旋缠绕过滤元件，包括：
一个中央收集管，所述中央收集管具有被限定在其中的至少一个孔；
至少一个膜包，所述至少一个膜包被附接到所述中央收集管上并且具有由一个间隔件隔开的两个膜片，所述至少一个膜包被构造成包绕在所述中央收集管上以便形成螺旋；以及
至少一个进料间隔件，所述至少一个进料间隔件在包绕在所述中央收集管周围时邻近至少一个膜片被布置并且形成用于接收有待过滤的液体的一个通道，所述进料间隔件包括网状物，所述网状物包括：
第一组平行股线，所述第一组平行股线在第一方向上延伸，并且包括具有第一厚度的多根第一股线和具有小于所述第一厚度的第二厚度的多根第二股线；以及
第二组平行股线，所述第二组平行股线在横向于所述第一方向的第二方向上延伸，并且包括具有第三厚度的多根第三股线和具有小于所述第三厚度的第四厚度的多根第四股线；
其中所述第一组平行股线包括交替的第一股线和第二股线，并且所述第二组平行股线包括交替的第三股线和第四股线。
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