CN104640617A - 具有弹性线支承结构的平行管形部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过滤器模块，该过滤器模块包括多个基本平行的管形薄膜，该管形薄膜包括多孔管壁，该多孔管壁用作过滤薄膜，其中，模块包括用于支承管形薄膜的支承结构，该支承结构包括稳定形状的开口三维网络，该开口三维网络由刚性线或纤维形成，支承结构的形状为使得它包括开口平行管或管部件，该管或管部件在管形薄膜的长度的至少一部分上包围各管形薄膜，这样，支承结构的管或管部件支承至少一个管形薄膜。

Description

具有弹性线支承结构的平行管形部件

本发明涉及一种过滤器模块，该过滤器模块包括多个管形薄膜，这些管形薄膜基本相互平行地延伸，且管形薄膜包括用作过滤器的多孔壁。

这种过滤器模块为已知。它们在基于薄膜过滤的过滤装置和系统中广泛使用。在这样的单元中，薄膜由多孔管形薄膜来形成，这些多孔管形薄膜通常具有基本柱形的外部形状，并确定了柱形空腔。薄膜的壁形成在柱形空腔和薄膜外部之间的过滤薄膜。过滤设备使用大量这样的薄膜，因此产生较大的总薄膜区域，流体能够在该总薄膜区域中通过使得薄膜的内部空腔与它的外部分离而进行过滤。因此能够将要过滤的流体供给薄膜的外部，且薄膜的过滤作用将在内部空腔中产生滤液。然后，滤液从管形薄膜的空腔中收集，并从过滤装置排出。这称为从外部向内过滤。也可以通过将要过滤的流体供给管形薄膜的空腔和在外部收集滤液而交换要过滤的流体的位置。这称为从内部向外过滤。

这种过滤装置的有效实施包括过滤器单元，该过滤器单元包括大量薄膜，通常为等长度，其中，这些薄膜在相对较短距离处相互连接在一起，端部通过使得它们封装在树脂块中而保持在一起。因此，薄膜转变成薄膜块，最后，在管形薄膜的内部空腔和薄膜的外部之间保持清楚分离。这样，在从外部向内过滤和从内部向外过滤的情况下，要过滤的流体保持与滤液分离。通常，过滤器装置包括大量这样的封装管形薄膜模块。

从外部向内过滤有优于从内部向外过滤的某些优点。它向要过滤的流体提供了每个模块更大薄膜面积的优点。不过，从外部向内过滤也有一些缺点。要过滤的流体的污垢积累在较差确定的几何结构中。在薄膜相互靠近的位置处，污垢层能够粘附在两个薄膜之间。为了进行补救，通常使用空气清洁，这导致在薄膜上的机械应力，因为空气清洁依靠使得薄膜振动来除去在它们之间的污垢。空气清洁还需要消耗能量，通常还需要消耗一些化学药剂。

当考虑从外部向内过滤时，有两种可能方式来将要过滤的流体供给薄膜的外部，即所谓的平行流动和所谓的垂直流动(也称为横向或真正交叉流动)。在平行流动中，流体沿与薄膜的中心轴线平行的方向沿薄膜流动，在垂直流动中，要过滤的流体垂直于薄膜的中心轴线流动。在平行流动中，要过滤的流体必须通过模块的封装部分而进入过滤模块。这里，薄膜刚性地保持在一起，因此很难获得要过滤的流体的良好分布。在空气清洁的情况下，对于空气也有这样的问题。不过，已经表明在从外部向内过滤中，垂直流动结构与平行流动结构相比有优点，例如见The Transverse Flow Membrane Module：Construction，Performance and Applications，Futselaar,H.1993.ISBN，9090061932以及Microfiltration：Membrane development and module design，Roesink H.D.W，1989，ISBN 909002843-9。与平行流动相比垂直于薄膜的流动能够更好地除去污垢。通过垂直于薄膜地供给，能够获得更好的供给流体分布，并获得优化的质量或热量传递。不过，垂直流动也有一些缺点。通常，薄膜水平布置。由于膨胀(湿润、温度)，薄膜可以膨胀和“悬垂”。这可能使得薄膜相互接触，从而增加污垢的可能性和降低质量传递。另一不希望的效果是由于在出口点的较高力而增加了薄膜破裂的可能性，薄膜在该出口点处离开树脂包封。还有，在薄膜竖直布置的情况下，它们可能相互接触，具有类似的负面效果。而且，这可能在薄膜和包封之间的交接面上引起机械应力。因此，薄膜的长度有限。这样，由于包封而损失相对较大面积，且模块使得制造复杂，因为有相对大量的包封。

具有水平布置的大量管形薄膜的过滤器单元实例由US5232593和US4959152已知。US5232593介绍了一种模块，其中，一堆有框架的管形薄膜布置成相互在顶上，以便形成横向模块。US4959152介绍了一种分离模块，该分离模块由相互堆垛在顶上的管形薄膜板或垫来构成。该板或垫由管形薄膜形成，该管形薄膜在它们的端部处保持在框架中。由于上述问题，在US5232593和US4959152中介绍的薄膜的有用长度限制为最大40-50cm。

EP0345983介绍了一种空心纤维类型的流体处理装置，例如用于血液透析器、人工肺、血浆分离器等。空心纤维垫通过绳索织物类型的经纱将纤维保持在一起和相互平行而形成。在该申请中介绍的纤维的长度为10cm，因此大约比过滤器单元中所希望的数量级小得多。经纱并不向纤维提供附加的支承(除了将它们保持在一起)，且不适合用于如过滤器单元中所需的更长纤维。

US6271023介绍了一种用于在一个步骤中过滤不同流体的过滤器单元。用于过滤不同流体的纤维分离至公共的进口和出口。使用经纱的编织纤维垫的概念(例如在EP0345983)也在这里提及。

本发明的目的是克服关于从外部向内过滤并结合垂直流动所述的缺点。本发明的另一目的是提供后面将进一步介绍的其它优点。

这些目的通过一种过滤器模块来实现，该过滤器模块包括多个基本相互平行延伸的管形薄膜，该管形薄膜包括多孔壁，它用作过滤器，其中：模块包括用于支承管形薄膜的支承结构，该支承结构包括自支承稳定形状的开口三维网络，该开口三维网络由弹性线或纤维形成，支承结构的形状设置为这样，平行的开口管或管部件由网络形成，该管或管部件在管形薄膜的柱形外部的长度的至少一部分上至少局部包围和支承各管形薄膜，这样，支承结构的管或管部件支承至少一个管形薄膜。支承结构为足够刚性，以便在并不弯曲的情况下跨越较大距离。形成网络的线或纤维有弹性，因此它们自身有特定刚性。也就是，刚性是一个相对的特性，有足够刚性以便使得支承结构有稳定形状，意味着线或纤维有弹性和柔性，因此不仅能够抗拉伸力，而且能够抗弯曲力和压缩力，与例如只能抗拉伸力的织物线不同。除了来自线或纤维自身的刚性，整个支承结构的刚性大致通过网络的3D结构来获得。在网络的节点处的交叉线或纤维通过各种可能方式而彼此相对固定，例如摩擦或粘合等。薄膜由支承结构来支承，因此可以使用大得多的长度的薄膜，而没有薄膜悬垂或者甚至破裂的上述问题。对在薄膜之间的距离进行控制，且薄膜不会接触。将防止薄膜运动。这样，能够充分利用从外部向内过滤以及与垂直流动组合的良好特性，而不会受到在现有过滤单元中这样组合的缺点。这里强调，支承结构的平行开口管或管部件的截面并不局限于圆形截面，能够有任意形状的截面。管形薄膜通常具有基本柱形外部形状，应当知道，表面线可以沿纵向或横向方向平滑或波动(卷曲)。

支承结构能够以不同方式获得。在一个优选实施例中，网络通过将弹性柔性线编织或编结成合适形状的网络而形成。在另一优选实施例中，网络通过使得纤维熔炼沉积成合适形状的网络而形成。

支承结构沿平行管的中心轴线方向的刚性可以通过使得各管与至少一个相邻管连接而增加，连接件是网络的部件。这种连接件能够使得连接的管直接连接，或者以使得它们间隔开的方式来连接。这样，在支承结构的管上的弯曲力分布在结构的多个管上面，因此增加可以由支承结构吸收的弯曲力。

可以以不同方式来提供有这样的连接件，其中，各方式能够有不同优点。还能够组合不同的连接件，这些连接件都是根据本发明的支承结构的部件。连接件能够基本置于由两个相邻管的纵向轴线形成的平面中。连接件还能够由第一网络表面来提供，该第一网络表面确定了支承结构的一个平面，支承结构的多个平行网络管附接在该第一网络表面上。该第一网络表面自身增加了支承结构的刚性，特别是沿处于由第一网络表面确定的平面中的所有方向。连接件还能够形成为这样，除了所述第一网络表面，还有第二网络表面，该第二网络表面确定了与由第一网络表面确定的平面基本平行的平面，这样，多个平行管布置在第一和第二网络表面之间并附接在该第一和第二网络表面上。

优选是，支承结构布置成使得它包含多层这样的网络表面，这些网络表面确定了基本平行的平面，其中，多层平行管附接在各两个相邻层的平行网络表面之间。这样，能够以容易的方式产生多层管形薄膜，这些层的形状由支承结构来保持。

通过使用支承结构的一些管来用于接收通气管，根据本发明的支承结构能够获得另一优点，这样，这些通气管能够以特定方式在整个模块中进行传播。

支承结构的还一些管能够用于包含增强杆。这样，过滤器模块沿管形薄膜的纵向轴线方向的刚性甚至更加提高。

具有编织或编结支承结构的本发明实施例由弹性和(因此)弹性柔性的线或纤维来制造。这意味着结构所包含的线或纤维可以弯曲，但是由于弹性，将返回至未弯曲位置。还意味着根据线或纤维编织或编结的方式，支承结构的特定部件可以沿特定方向更容易弯曲，而这些相同部件沿另一方向将非常刚性。还有，特定部件沿任意方向都抗弯曲，例如管，该管能够制成为沿所有方向都刚性(由于它们的3D形状和根据它们编织或编结的方式)。优选是，线由热塑性材料来制造。这种材料通常适合制造具有合适特性的支承结构，如上所述。这些结构的实例能够根据标题而在行业中找到，例如3D空心、3D网或3D间隔器织物。用于合适结构(将用于本申请中)的普通实例是例如间隔器织物，商标名称为Nicolon^TM，由Ten Cate，Nijverdal，Netherlands来生产。

在本发明的另一实施例中，支承结构的网络包括线或纤维，这些线或纤维在节点处通过熔化、焊接或胶接在一起而连接。这能够是具有支承结构的编织或编结网络的情况，其中，线在节点处的连接使得节点有附加强度。不过，支承结构的网络也能够通过使得线在节点处熔化连接、焊接或胶接在一起来制造，而线并不编织或编结。合适的3D形状能够例如通过使用合适的模具和模结构来执行连接操作而获得。

过滤器装置的要求可以根据应用而较大变化。在这样的应用中，重要的是网络的开度相对较大，例如以便允许沿管形薄膜的良好流动。网络的开度定义为开口表面面积与总表面面积的百分率。不过，要求也可能相反，例如，在薄膜生物反应器(MBR)中或在废水处理设备(WWTP)中，其中，当形成淤泥和淤泥固定在薄膜之间时有优点。这时，本发明的支承结构的网络网眼的尺寸可以设置成例如使得淤泥通过网络通过使用足够小的网眼而固定在特定点处，而在其它点，网络网眼的尺寸设置成更大，以便使得包括淤泥的流体很容易通过。这样，将更少的淤泥泵送环绕通过系统，这导致在淤泥上的更小剪切，这是在当前的薄膜生物反应器中的问题，且水恶臭的可能性更小。

在本发明的还一优选实施例中，通过将活性剂加至支承结构的材料中，支承结构用于增加依据本发明的过滤器模块的功能性。这种试剂例如可以与源材料混合，或者可以作为完全或局部的涂层而添加至网络的线或纤维上。活性剂可以从以下组中选择，该组包括：生物杀灭剂、催化剂、吸收剂、离子交换树脂、氧化剂、消毒剂、杀菌剂或者它们的组合。

本发明同样涉及包括根据本发明的一个或多个过滤器模块的过滤器设备。下面将参考附图通过在根据本发明的过滤器设备中的过滤器模块的多个示例实施例来介绍根据本发明的过滤器设备的多个优点，附图中：

图1a和1b是支承结构的示意剖视图，该支承结构有分别处于第一和第二结构的管形薄膜；

图2是支承结构的部件的示意图；

图3是图2的结构的俯视图；

图4是图1的装订结构的示意剖视图；

图5是水平包封薄膜和支承结构的示意侧视图；

图6是图4的、具有通风管的视图；

图7是具有加强杆的、图1a的结构的实例。

在图1a和1b的结构中，两种可能结构在具有管形薄膜的支承结构的示意剖视图中表示。管形薄膜(在图1a和1b中都只有1个管形薄膜由参考标号1表示)是多孔薄膜，该多孔薄膜形成过滤器模块的过滤器。支承结构由网络形成，该网络包括稳定形状的开口编织三维网络。管形薄膜1嵌入由支承结构的编织网络形成的管2中。在根据这里所述的本发明的过滤器单元的实施例中，支承结构的各管2只承载一个管形薄膜1。本发明还包括这样的实施例，其中，在支承结构的各管2中承载多于一个的管形薄膜。在图1a和1b中，只有一个承载管形薄膜1的管2由参考标号2表示，以便保持这两个附图的清晰。在图1a中，支承结构的管2布置在两个基本平面形网络表面3之间，这两个平面形网络表面3也是支承结构的编织网络的部件。在如图1b中所示的支承结构中，管2与支承结构的连接部件4连接和由该连接部件4分开。连接部件4连接两个相邻管2，也由编织网络的部件来形成。连接部件4的编织网络处于固定在管2的编织网络上的连接点处。支承结构的编织网络由弹性柔性线5来形成，该弹性柔性线5有特定刚性，且线进行编织，以便形成网络，该线在网的节点6处相互固定。线能够通过编织摩擦而在节点处相互固定，但是它们也可以另外或者可选地由连接方法来相互固定，例如焊接、胶接等。这在图2中示意表示，其中，沿一个方向的三根平行线5与沿另一方向的两根线5在节点6处相交。在图2中，在多根线中只有两根线有参考标号5，只有一个节点6表示有参考标号6。弹性柔性线能够是由合适塑料材料形成的线，这些线在节点处联合。这样形成三维支承结构的编织网络能够例如形成非常刚性的管2，这些管2通过连接部件4来连接，这些连接部件4至少沿一个方向非常柔性。由于线5在节点6处连接的结构，该结构的刚性能够比由线自身的刚性提供的刚性大得多。图1a中所示的结构的实例在图3中表示。这里，显然管2包围管形薄膜1，从而向薄膜提供良好的支承，但是管2仍然相当开放，以便使得要过滤的流体通过该支承结构以便到达薄膜1，并使得薄膜1能够过滤流体。

这时，具有支承结构的薄膜1能够用于形成包含多个薄膜1的过滤器单元。当薄膜由如图1a中所示的支承结构来承载时，这种过滤器单元能够构成为具有多个如图1a中所示的层，这些层相互布置在顶上。这些层能够有变化的宽度，以便产生总体形状，该总体形状并不必须为矩形。图4表示了一个实例，其中，三个如图1a中所示的层表示为相互在顶上。薄膜和支承结构能够在并不弯曲的情况下跨越较大距离，因为支承结构足够刚性。当在支承结构的管2内有用于薄膜1的少量游隙时，也完全允许这样，因为支承结构将防止薄膜1相互接触，也将防止薄膜悬垂成超过由它们在其管2内的该游隙允许的悬垂。如图1b中所示的、具有管形薄膜1的支承结构允许它自身滚转，因此，薄膜在支承结构中的滚转能够形成为类似于柱形单元。

这样，很容易使得相当长的水平薄膜作为过滤器单元的部件。这有利于从外部向内过滤。

应当知道，这里，由网络形成的网眼的尺寸和形状可以在网络的多个部件中不同。网眼的尺寸和形状能够变化，以便影响网络的开度以及沿由网络形成的表面所布置的方向的刚性。显然，刚性的变化能够通过改变编织网络的形状、网眼的尺寸和形状以及形成网络的线的材料和厚度而获得。这已经在上面介绍图1b的结构中提出。在与由连接部件4确定的平面垂直的方向上，支承结构需要在管2中非常刚性，但是在连接部件4中为柔性，因此支承结构允许它自身相当容易地卷起，但是阻止管2的变形。由上面所述还清楚知道，该平面不必扁平，而是可以弯曲。在要过滤的流体包括淤泥的过滤用途中可能希望开度变化。减小网眼7的面积将增加支承结构捕获该淤泥的可能性。这样捕获淤泥的优点是更少的淤泥将泵送通过系统。

如图6中所示，根据本发明的支承结构不是只能用于在管2中支承管形薄膜1，而是某些管2能够用于承载通气管8，代替管形薄膜2。这些通气管8用于输送空气通过过滤单元，以便从单元中清洁粘入过滤单元中的堵塞颗粒。图6表示了布置在单元上游的三个这种通气管8，通气管8提供有开口，以便放出吹入通气管8内的空气。空气泡9(为了清楚，只有三个这样的空气泡提供有参考标号9)通过系统，并可以使得已经粘附的颗粒变松以及将它们送出系统。

如图7中所示，根据本发明的管形薄膜1的支承结构的另一用途是用支承杆10来在支承结构的一些管2中代替管形薄膜1，以便增加过滤单元的刚性。这例如可以是在需要非常大的网络开度以及非常长的较重管形薄膜的过滤单元中的情况。这可以使得编织网络的支承结构有相对较细的线6。在这种情况下，支承结构的刚性可以并不充分，需要进行增强，这能够通过利用支承结构的一些管2承载支承杆10而实现，以便增加刚性。

对于包括支承模块的、根据本发明的过滤器模块，能够包括相当长的过滤器模块，其中管形薄膜为1m和更长。这些过滤器单元可以经受高输出情况，类似于具有水平薄膜的较强垂直流动，且没有薄膜相互接触或薄膜在它们的固定(包封)点处损坏的危险。

这种模块能够用于所有类型的分离用途和问题，因为它使得能够建造更大模块，能够更经济地操作垂直流动模块，并最终能够有一个或多个有效和经济的处理设计。例如，这些模块能够用于固体-液体分离，例如用于从水溶液(但并不局限于此)供给流中除去颗粒、细菌、病毒还有蛋白质和更多化合物的超级、微小或纳米过滤用途。处理设计能够基于所有类型的过滤模块，重力过滤、压力过滤或抽吸过滤。

在第二领域中，这种模块能够用于固体-气体分离问题，例如从气体或蒸汽流中除去颗粒、细菌或任意其它固体。

在第三分离领域中，这种模块能够有利地用于脱盐用途，例如渗透、反向渗透、压力延迟渗透和/或向前渗透。

另一应用领域是使用这种模块来用于气体-蒸汽分离。实例可以是气体供给或空气的(去湿)润湿，或者大致为任意气体供给流的湿度控制。

另一用途是在液体或气体-蒸汽流的分离中，使用用于蒸汽渗透或全蒸发的处理设计。

还一应用领域是使用这些模块作为接触器，例如在从工业气流中除去可冷凝蒸汽中的接触器。实例可以是从燃料气流中除去酸气体或除去水蒸汽。原则上，这些接触器能够用于任意类型的提取用途。

参考标号列表

1  管形薄膜

2  支承结构的开口管

3  支承结构的平面形表面

4  网络连接管3

5  支承结构的线

6  线5的节点

7  网眼

8  通气管

9  空气泡

10 支承杆

Claims (16)

1.过滤器模块，包括多个基本平行的管形薄膜(1)，该管形薄膜(1)包括多孔壁，该多孔壁用作过滤薄膜(1)，其特征在于：模块包括用于支承管形薄膜(1)的支承结构，该支承结构包括自支承稳定形状的开口三维网络，该开口三维网络由弹性线(5)或纤维形成，支承结构的形状为使得它包括开口平行管(2)或管部件(2)，该管(2)或管部件(2)至少局部在管形薄膜(1)的长度的至少一部分上包围各管形薄膜(1)，这样，支承结构的管(2)或管部件支承至少一个管形薄膜(1)。

2.根据权利要求1所述的过滤器模块，其特征在于：网络包括编织或编结线(5)。

3.根据权利要求1所述的过滤器模块，其特征在于：网络包括粘合线或纤维。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的过滤器模块，其特征在于：在支承结构中，各平行开口管(2)与至少一个相邻管(2)连接，连接件(4)是稳定形状的开口网络的部件。

5.根据权利要求4所述的过滤器模块，其特征在于：连接件(4)布置成使得支承结构的相邻管(2)间隔开。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的过滤器模块，其特征在于：支承结构包括确定一平面的第一网络表面(3)，大量的平行开口管(2)布置在该第一网络表面(3)上，管(2)的网络与网络表面(3)的网络连接。

7.根据权利要求6所述的过滤器模块，其特征在于：支承结构包括第二网络表面(3)，该第二网络表面(3)确定了与由第一网络表面(3)确定的平面基本平行的平面，这样，多个平行管(2)的网络与第一和第二表面(3)的网络连接。

8.根据权利要求6或7所述的过滤器模块，其特征在于：支承结构包括多层网络表面(3)，这些网络表面(3)确定了基本平行的平面，其中，网络的平行管(2)布置在多层的各两个相邻层之间。

9.根据前述任意一项权利要求所述的过滤器模块，其特征在于：模块包括通气管(8)，该通气管(8)各自包含在支承结构的管(2)中。

10.根据前述任意一项权利要求所述的过滤器模块，其特征在于：模块包括增强杆(10)，各增强杆(10)包含在支承结构的管(2)中。

11.根据前述任意一项权利要求所述的过滤器模块，其特征在于：网络的线(5)在网络的节点(6)成热粘合。

12.根据前述任意一项权利要求所述的过滤器模块，其特征在于：网络包括热塑性材料。

13.根据前述任意一项权利要求所述的过滤器模块，其特征在于：网络包括超过20％的平均表面开度。

14.根据前述任意一项权利要求所述的过滤器模块，其特征在于：支承结构的网络网眼的尺寸设置成使得它至少部分固定淤泥。

15.根据前述任意一项权利要求所述的过滤器模块，其特征在于：网络的材料包括从以下组中选择的有效剂，该组包括：生物杀灭剂、催化剂、吸收剂、离子交换树脂、氧化剂、消毒剂、杀菌剂或者它们的组合。

16.一种过滤器设备，其特征在于：该设备包括一个或多个根据前述任意一项权利要求所述的过滤器模块。