CN107708844B - 具有用于待处理的流体介质的三维循环基体的分离器元件 - Google Patents

具有用于待处理的流体介质的三维循环基体的分离器元件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及分离器元件，其包括刚性多孔单件式支撑构件(2)，其首先在其外周处，在多孔支撑构件的一侧的用于待处理的流体介质的入口(4)与多孔支撑构件的另一侧的用于滞留物的出口(5)间具有连续周壁(2i)，而在内部具有由至少一个分离器层(6)覆盖并限定由用于循环待处理的流体介质的空的空间(3)形成的开放结构的至少一个表面。根据本发明，用作待处理的流体介质的通路的空的空间(3)由分隔层(6)覆盖的支撑构件的表面限定，该空的空间被布置在多孔支撑构件中，由此在所述构件内形成用于待处理的流体介质(RI)的包括至少两个互连回路(R1i、R12)的第一循环基体，以在多孔支撑构件的入口(4)与入口(5)间使流体介质循环。

Description

具有用于待处理的流体介质的三维循环基体的分离器元件
技术领域
本发明涉及用于将处理用流体介质分离成滤液和滞留物(retentate，渗余物)的分离器元件的技术领域，该元件通常被称为滤膜。
更确切地说，本发明涉及使得分离器元件的过滤表面的面积能够增加的新的多孔基材形状。
背景技术
使用膜的分离方法用于多种行业，特别是用于生产饮用水和处理工业污水的情况，以及用于化学、石油化学、制药、农产品工业以及生物科技领域。
膜构成选择性屏障，且在传送力的作用下，使得处理用介质的特定成分能够通过或被阻止。成分通过或被阻止是它们的尺寸与膜中孔的尺寸相比的结果，所以膜起到过滤器的作用。这些技术根据孔的尺寸而被称为微滤、超滤或纳滤。
存在各种结构和质地的膜。通常，膜由多孔基材构成，该多孔基材使膜具有机械强度并使膜具有一定形状，从而确定膜的过滤表面。用于执行分离的具有几微米厚度的一个或多个层沉积在基材上，上述层可以被称为分离器层、过滤层、分隔层或活性层。在分离过程中，过滤后的流体通过分离器层转移，然后流体在基材的多孔质地中扩散，以便朝向多孔基材的外表面流动。已经穿过分离器层和多孔基材的这部分处理用流体被称为渗透物或滤液，其被围绕该膜的收集室回收。另一部分被称为滞留物，其通常经由再循环回路从膜上游被重新注入处理用液体中。
按照常规方式，基材首先通过挤压被制成所需形状，随后以足以获得所需强度的温度和时间长度进行烧结，而在所得的陶瓷中保持所需的开放和互连质地的孔。按照该方法，有必要获得一个或多个直线通道，分离器层被顺序地沉积和烧结在直线通道中。基材通常为管状，并具有与基材的中心轴线平行地布置的一个或多个直线通道。在专利EP0778073中，通道的内表面是光滑的，且它们不呈现任何不规则性，而在专利GB2223690中，通道呈现星形轮廓。在专利申请WO96/28241中，通道呈现螺旋形状。
由于基材的内部体积由其外部尺寸限定和限制，且由于过滤表面的面积与通道的数量成比例，已经发现使用具有这种形状的基材制造的滤膜的过滤表面的区域碰到天花板，并因此呈现流量受限的性能。
使用过滤元件的所有切向分离的原理在于选择性转移，其有效性取决于膜(活性层)的选择性和作为整体(基材加上活性层)所讨论的过滤元件的渗透率(通量)。
除了选择性转移的上述有效性之外，过滤元件的性能与所涉及的过滤表面的面积成正比。
S/V(其中，S是膜的交换表面的面积，V是分离器元件的体积)的如下比值S可以用于表示膜的紧密度：
Figure GDF0000015226130000021
在历史上，按照时间顺序，单通道圆柱形管状分离器元件是首先出现在市场上的，接着是多通道管状分离器元件。
除了过滤表面的总面积增加之外，多通道分离器元件的优点之一在于获得小液力直径的通道，从而使分离器元件没有任何易碎的风险，然而，最初的多通道分离器元件仅具有正圆形截面的通道。
为了更好地占据管的内部体积，增加紧密度，并增加湍流的可能性，下一代分离器元件放弃了圆形通道。
因此，例如，当膜具有七个圆形通道时，具有25毫米(mm)外径和1178mm长度的膜形成面积为0.155平方米(m2)的过滤表面，每个通道具有6mm的液力直径，当膜具有同样具有6mm的液力直径的八个非圆形通道时，开发出的基材表面面积为0.195m2。
这两种膜的紧密度计算给出如下结果：
Figure GDF0000015226130000022
Figure GDF0000015226130000023
Figure GDF0000015226130000024
从这两个示例可以看出，对于给定的液力直径和形状和外部尺寸相同的分离器元件，从圆形截面的通道改成非圆形截面的通道能够使紧密度的值增加25％。
图1中的表格示出了由挤制管状基材制造出来的这三种主要的膜家族，并为它们中的每个给出了紧密度值S/V。本领域技术人员通常接受的是，由于物理参数，主要是由于在为使挤制材料(paste,糊)穿过模具所需的压力被给定的情况下，诸如分布在挤制材料中的材料颗粒的尺寸和团的塑性等参数，通道之间的壁厚由于挤制工艺本身而被限制为小的厚度。
因此通过挤制获得的分离器元件内部的通道的尺寸不仅受到有关机械强度和多孔基材的孔中的滤液通量的考虑的限制，而且还受到摩擦力的限制，摩擦力造成陶瓷挤制材料与模具之间撕裂和/或开裂的风险。
因此，通过挤制获得的分离器元件的紧密度趋向于上限，而本发明提出通过提供新的分离器元件来弥补现有技术方案的缺陷，为此，首先，为流体的内部流动所保留的空间形成多个互连的三维结构，这些三维结构在所述分离器元件内形成适于增大由上述比值S/V表示的紧密度的表面，为此，其次，骨架形成结构元件的厚度可以为几十分之一毫米的数量级。
发明内容
为了实现这些目的，所述分离器元件是一种用于将处理用流体介质分离成滤液和滞留物的单件式分离器元件，该分离器元件包括由单一材料制成的多孔刚性单件式基材，且该多孔刚性单件式基材呈现为：首先其外周处具有周壁，该周壁在位于多孔基材的一端处用于处理用流体介质的入口与位于多孔基材的另一端处的用于滞留物的出口之间连续；其次在内部，至少一个表面由至少一个分离器层覆盖且限定由空的空间组成的开放结构，空的空间用于使处理用流体介质流穿过，以便在多孔基材的外周处回收已经穿过分离器层和多孔基材的滤液。
根据本发明，用于处理用流体介质通过的空的空间(这些空的空间由基材的被分离器层覆盖的表面来限定)被布置在多孔基材中，以便在多孔基材内形成用于处理用流体介质的至少第一流动网络，该网络包括至少两个位于多孔基材的入口与出口之间的用于处理用流体介质的互连流动回路。
在本发明的语境中，新型分离器元件具有内部形状，内部形状以如下方式被调整：能够增加以这种方式设计的新型分离器元件的过滤表面的总面积，直到紧密度值达到2000平方米/立方米(m2/m3)或以上，这首先通过在具有可变化的形状和尺寸的给定元件内的多个空的空间之间建立连通，其次通过增加这样形成的流动回路的数量来完成。
本发明的分离器元件还包括以下附加特征中的一个和/或多个：
-用于使流体介质通过的空的空间被布置在多孔基材中，以便在多孔基材内形成用于流体介质的至少一第二网络，其包括一个或多个位于多孔基材的入口与出口之间的流动回路，流动回路可选地互连；
-用于回收滤液的至少一个空的空间被布置在多孔基材中，且通过多孔基材的周壁开放；
-每个开放结构受到位于多孔基材的入口与出口之间的单个连续表面的限制，始终与流体介质接触而并不存在任何盲区，开放结构从多孔基材的周壁限定三维结构；
-三维结构到周壁一直呈现多孔材料和质地的一致性和连续性；
-开放结构限定具有不重复的几何构造的三维结构；
-开放结构限定通过重复至少一个图案而形成的三维结构，图案在多孔基材的形成网格的体积单元中内切，在网格内形态上预定的空间被保留成空的以使处理用流体流通过，所述重复首先通过在三维空间的至少一维上完全或部分地并列一个或多个图案来进行，其次以获得体积单元的空的空间之间的流体介质的流动连续性以及用于排放滤液的多孔材料的连续性的方式来进行；
-开放结构限定通过重复至少一个图案而形成的三维结构，而不改变图案的形状或尺寸；
-开放结构限定通过重复在至少一个方向上以相同构造方式逐渐变化尺寸和/或在至少一个方向上以等距离方式逐渐变化形态的至少一个图案形成的三维结构；
-图案和与其相关联的网格能呈现来自以下列表中的一种或多种对称性：
-中心对称性；
-相对于直线的正交对称性；
-相对于平面的镜像对称性；
-旋转对称性；以及
-相似性对称性。
-一个或多个图案的重复呈现相对于基材的外部对称性的对称性；
-多孔基材由有机材料或无机材料制成；
-分离器元件包括多孔基材和连续地沉积在三维结构的壁上的至少一个分离器层，每层由选自氧化物、氮化物、碳化物和其他陶瓷材料及其混合物的陶瓷构成，且每层特别是由氧化钛、氧化铝、氧化锆及其混合物、氮化钛、氮化铝、氮化硼、碳化硅、碳化钛、可选地与另一陶瓷材料混合的陶瓷构成；
-分离器元件包括多孔基材和连续沉积在三维结构的壁上的至少一个分离器层，每层由适于预期分离的聚合物构成，并由聚合物的胶棉沉积；以及
-多孔基材具有处在1微米(μm)到100μm范围内的平均孔径。
附图说明
参考附图给出的以下描述使得本发明能够更好地被理解。
图1是给出现有技术中用于各种分离器元件的紧密度值S/V的表格。
图2A是根据本发明的分离器元件的第一实施例的正面剖视图。
图2B是从图2A所示的分离器元件下方观察的视图。
图2C是图2A中所示的分离器元件的线C-C上的剖视图。
图2D是从图2A中所示的分离器元件上方观察的视图。
图3A示出了基本立方网格，其中，空的空间形成具有中心对称性的十字形图案。
图3B和3C分别是立体图和平面图，示出了通过将图3A所示的图案交错而制成的两个回路的交错。
图3D示出具有从具有立方对称的图案和具有四面体对称的图案的组合得到的两个回路的结构的另一实施例。
图4A到图4D示出了通过相对于其中图案内切的立方网格的中心重复具有中心对称性的十字形图案而形成的开放结构的实施例。
图5A和图5B示出了立方基本网格中的图案的另外两个实施例。
图6A到图6D示出了多孔基材的变体实施例，其中开放结构被制成通过重复在三个空间方向上以相同构造方式逐渐变化的尺寸的图案来限定三维结构。
图7A和图7B分别是穿过多孔基材的实施例的纵剖面和横剖面，其中开放结构限定具有非重复几何构造的三维结构。
图8A是根据本发明的分离器元件的实施例的正面剖视图，该分离器元件试图创造滤液的流动网络。
图8B是从图8A中所示的分离器元件的下方观察的视图。
图8C是图8A中所示的分离器元件的线C-C上的剖视图。
图8D是从图2中所示的分离器元件上方观察的视图。
图9是根据本发明的分离器元件的另一实施例的纵向剖视图。
图9A是沿图9的箭头A-A观察的端视图。
图9B到图9I是分别沿图9中的箭头B到箭头I所观察的横截面视图。
具体实施方式
作为起点，先对在本发明的语境中使用的一些术语给出定义。
术语“平均孔径”用于表示体积分布(volume distribution，容量分布)的d50值，在该值，孔的总体积的50％对应于直径小于该d50的孔的体积。体积分布是曲线(分析函数)，其表示孔的体积频率作为孔的直径的函数。d50对应于借助对于平均孔径大于或等于4纳米(nm)时通过汞渗透而获得、或对于平均孔径小于4nm时通过吸收气体特别是N2获得的频率曲线下方的区域分成两个相等部分的中值，这两种技术在本发明的语境中被保留作为参考，用于测量平均孔径。
具体而言，可使用下列技术：
–关于使用汞渗透的测量技术的ISO标准15901-1:2005；以及
–关于使用气体吸附的测量技术的ISO标准15901-2:2006和ISO15901-3:2007。
本发明提出了通过切向流操作以将处理用流体介质分离成滤液和滞留物的分离器元件，每个元件包括整体式多孔基材，整体式多孔基材的形状被选择为限定多孔基材内部用于使处理用流体介质流通过的回路，这些回路彼此互连。这样的整体式基材被限定为仅由一种始终均匀且连续的材料制成的单一件，而没有粘结或外来成分；这种整体式基材不能通过传统的挤制技术来制造，但是可以例如通过诸如在专利申请FR3006606中描述的那些添加技术来制造。
本发明致力于提供用于通过切向过滤来分离流体介质的分离器元件(通常称为滤膜)。通常，如图2A到图2D所示，这种分离器元件1包括由单一材料制成的多孔刚性单件式基材2。对于这种分离器元件，构成多孔刚性单件式基材2的本体呈现多孔质地。这种多孔质地的特征在于由多孔的分布(如通过汞渗透法来测量)推导出来的孔的平均直径。
基材的多孔质地是开放的，并形成互连孔的网络，从而使得已经通过过滤分离器层被过滤的流体穿过多孔基材并在其外周处被回收。习惯做法是，测量基材的水渗透率，以便确定基材的水阻力，这样同时能够确认多孔质地是互连的。具体地，在多孔介质中，不可压缩的粘性流体的稳定流动取决于达西定律。流体的速度与压力梯度成正比且与流体的动态粘度成反比，通过一种被称为“渗透率”的特性参数来测量(例如可以按照1996年12月的法国标准NF X 45-101)。
通常，多孔刚性单件式基材2由非金属无机材料制成。优选地，多孔刚性单件式基材2由选自氧化物、氮化物、碳化物和其他陶瓷材料及其混合物的陶瓷制成，特别地由选自氧化钛、氧化铝、氧化锆及其混合物、氮化钛、氮化铝、氮化硼和碳化硅、可能与一些其他陶瓷材料混合的陶瓷制成。应指出的是，多孔基材也可由有机材料制成，或者由纯金属的无机材料制成。例如，多孔刚性单件式基材2可由诸如铝、锌、铜或钛这样的纯金属制成，或以多种这些金属的合金或不锈钢的形式制成。例如，多孔刚性单件式基材2可具有处在1μm到100μm范围内的平均孔径。
无论使用什么材料，本发明都利用专利申请FR3006606中描述的方法，其中，基材通过使用添加剂的方法来制造。
在内部，多孔刚性单件式基材2包括至少一个开放结构3，该开放结构由用于处理用流体介质流动的空的空间形成。这些空的空间，即开放结构3对应于多孔基材中那些不包括多孔材料的区域。这些空的空间，即开放结构3被布置在多孔刚性单件式基材2内，使得多孔基材在其外周处具有周壁21，该周壁在用于流体介质的入口4与用于滞留物的出口5之间连续，入口4位于多孔基材的一端处，出口5位于多孔基材的另一端处。
在图2A到图2D所示的实施例中，多孔刚性单件式基材2呈具有圆形截面的圆柱体的形状。自然，多孔刚性单件式基材2的形状纯粹是通过说明的方式给出的，且多孔刚性单件式基材2可采用任何可行的形状。在所示的该示例中，多孔刚性单件式基材2是细长元件，用于处理用流体介质的入口4位于多孔基材的一个端部处，而用于滞留物的出口5位于多孔基材的相对端处。因此，由被布置在多孔基材内的空的空间，即开放结构3形成的开放结构首先与用于处理用流体介质的入口4连通，然后与用于滞留物的出口5连通。如下面的描述所示，流体介质分别通过一个或多个分开的开口进入或离开多孔基材的入口4或出口5。换言之，用于流体介质流动的开放结构3被布置在多孔刚性单件式基材2中，以便首先在多孔基材的入口端处，经由形成入口4的一个或多个开口而开放，其次，在多孔基材的出口端处，经由形成出口5的一个或多个开口而开放。
多孔刚性单件式基材2的限定开放结构3的那些部分具有被至少一个分离器层6覆盖的表面，所述分离器层将与在开放结构3内流动的处理用流体介质接触。一部分处理用流体介质穿过分离器层6和多孔刚性单件式基材2，使得流体的经过这一处理后的部分(被称为滤液或渗透物)经由多孔基材的周壁或外表面21流出。滤液通过任何合适的方式在多孔基材的外周表面上被回收。
覆盖开放结构3的壁的分离过滤层6用于过滤处理用流体介质。换言之，没有多孔材料的开放结构3被分离过滤层6围绕在入口4与出口5之间。根据定义，分离过滤层的平均孔径需要小于多孔刚性单件式基材2的平均孔径。分离器层限定切向流分离器元件的表面，该表面将要与处理用流体接触，且处理用流体在该表面上流动。
切向流分离器元件通常具有1m到1.5m的长度。切向流分离器元件的截面通常具有0.8cm2到14cm2的面积。分离过滤层的厚度通常在1μm到100μm的范围内。自然，为了执行分离功能并用作活性层，分离器层的平均孔径小于基材的平均孔径。通常，分离过滤层的平均孔径小于基材的平均孔径至少三倍，优选地至少五倍。
用于微滤、超滤和纳滤的分离器层的概念对于本领域技术人员来说是众所周知的。普遍接受的是：
-微滤分离器层的平均孔径处在0.1μm到2μm的范围内；
-超滤分离器层的平均孔径处在0.01μm到0.1μm的范围内；以及
-纳滤分离器层的平均孔径处在0.5nm到10nm的范围内。
微滤层或超滤层可被直接沉积在多孔基材(单层分离器层)上，或也可被沉积在具有较小平均孔径的中间层上(中间层自身被直接沉积在多孔基材上)。例如，分离器层可基于一种或多种金属氧化物、碳化物或氮化物或其他陶瓷，或仅由一种或多种金属氧化物、碳化物或氮化物或其他陶瓷构成。特别地，分离器层由连续沉积在三维结构的壁上的至少一个分离器膜构成，每层由选自氧化物、氮化物、碳化物和其他陶瓷材料的陶瓷、以及它们的混合物构成，且特别由氧化钛、氧化铝、氧化锆或它们的混合物、氮化钛、氮化铝、氮化硼、碳化硅、碳化钛、可能混合有一些其他陶瓷材料构成。此外，分离器层6可由连续地沉积在三维结构的壁上的至少一个分离器层构成，每层由适于进行预定分离并由聚合物的胶棉沉积的聚合物构成。
根据本发明的基本特征，用于使处理用流体介质通过的空的空间，即开放结构3被布置在多孔刚性单件式基材2中，以在多孔基材内产生至少第一网络R1，且更通常地是形成K个网络R1，R2，……，RK，且至少一个网络R1具有至少两个用于使处理用流体介质流通过的至少两个回路R11、R12，且更通常地具有在多孔基材的入口4与出口5之间相互地互连的N个回路R11，R12，……，R1N(其中，N大于或等于2)。因此，流体介质在具有至少两个流动回路R11、R12，且每个流动回路与多孔基材的入口4和出口5连通的第一网络R1中流动，这两个流动回路R11、R12在多孔基材的入口4和出口5之间彼此连通。自然，在这些网络和回路中流动的处理用流体介质的一部分穿过分离器层6和基材2，使得被称为渗透物或滤液的该处理后部分在基材的外周表面处被回收。
应指出的是，流体介质还可流入至少第二网络R2中，而第二网络具有一个流动回路R21或具有连接在一起的一系列流动回路R21，R22，R23，……，R2K。在任何一个网络的一个或多个回路中流动的处理用流体介质不会流入另一网络的一个或多个回路的意义上，这些网络R1，R2，……，R2K中的每一个被认为是相对于另一网络独立的。
在处理用流体介质经由第一网络R1穿过多孔刚性单件式基材2的过程中，处理用流体介质会遇到至少一个分叉或至少一次分离，这使得流体介质被分成多个部分(至少两部分)以便沿着不同的路径流动；和/或处理用流体介质还会遇到至少一个接合点，该接合点引导来自不同路径的处理用流体介质的多个部分(至少两个这样的部分)汇合。因此，网络R1的流动回路R11、R12经由在多孔基材内形成的交叉部或互连部9而相互连通。
自然，组成网络的用于处理用流体介质的流动回路的数量可以在2到N的范围内变化，其中，N是整数。类似地，处于这些流动回路之间的互连部9的数量可在从1到M中变化。这些互连部被布置在构成流动网络的流动回路之间。类似地，应指出的是，流动回路在与多孔基材共同的区域或与多孔基材分离的区域中，与多孔基材的入口4和出口5连通。
在图2A到图2D所示的实施例中，多孔刚性单件式基材2具有由流体介质的两个流动回路R11、R12构成的用于流体介质的第一流动网络R1，两个流动回路具有共同的入口4和两个不同的形成出口5的开口。从入口4到两个流动回路R11、R12互连之处的互连部9，这两个流动回路R11、R12具有共同段。处理用流体介质从互连部9一直到出口5被分成两部分。两个流动回路R11、R12因此经由两个不同的开口而向出口5开放。
自然，给出图2A到图2D所示的实施例为的是说明本发明的原理。如上所述，形成网络的流动回路R11，R12，……，R1N的数量可以是任意的。类似地，在流动回路中形成的互连部9的数量是任意的，该数量在各种流动回路中是相同的或不同的。
在图2A到图2D所示的实施例中，多孔刚性单件式基材2包括第二网络R2，第二网络具有与入口4和出口5二者均连通的、用于流体介质的单个流动回路R21。第二网络R2的单个流动回路R21不与第一网络R1的任一个流动回路连通。自然，如上所述，该第二网络R2可包括多个互连的用于流体介质的流动回路，这些流动回路位于多孔基材的入口和出口之间。
根据以上描述，可以看出，被布置在多孔基材中供流体介质通过的空的空间限定了一个或多个开放结构3，每个开放结构对应于网络。根据一个有利的特征，每个开放结构由多孔基材的入口与出口之间的单个连续表面限制，从而与处理用流体介质在每个部位接触，而不存在任何盲区。换言之，空的空间被布置成避免在处理用流体介质可能停滞之处为流体介质创造滞留区。这例如适用于一盲回路节段，其用于流体介质的入口和出口相对于流体的流动方向处于相同位置处，流体介质在盲回路的入口/出口与终端之间停滞或反转其行进方向。
根据一个有利的特征，应考虑的是，被布置用于形成互连回路的网络的这种开放结构限定一直到多孔基材的周壁21的三维结构。
根据本发明的特征，一直到周壁21的外侧，这些三维结构具有多孔材料和质地的一致性和连续性。换言之，构成这些三维结构的材料是相同的，并呈现出在制造方法的精确度内恒定的多孔质地。
根据有利的实施例特征，三维结构是通过重复至少一个图案11而形成的，该至少一个图案被结合在多孔基材的一体积单元中，该体积单元形成网格12；在该网格12内，形态上预定的空间，即开放结构3被保留成空的以使得处理用流体流过。图案11是这样重复的：首先，沿着三维空间的至少一维精确地或部分地并列一个或多个图案，其次，由此获得容积单元中的各空的空间，即开放结构3之间的流体介质的流动连续性以及用于排放滤液的多孔材料连续性。
图3A示出了基本立方网格12，其中，用于形成结构的空的空间，即开放结构3构成具有中心对称性的十字形图案11。图案11在平面中呈十字形，且在所示的示例中，对于图案的各个部分，该图案均具有正方形截面。
在本发明的语境中，若结构是通过将两个相同的流动回路交织来形成的，采用与上述图案11相关联的这样的网格12会发现特别有利的用途。
为了简化这种结构的描述，建议按照以下特征来表示：立方网格12，包含对称十字形图案11，立方网格12的并入有图案的侧面被写为“c”，“a”为表征图案的与网格边界齐平的正方形开口的尺寸，且“L”是正方形截面网络的每个部分的特征长度，使得图案的过滤表面面积由以下公式给出：
S图案＝6×(4a×L)
且在
Figure GDF0000015226130000111
的情况下，公式变为：
Figure GDF0000015226130000112
网格的体积是V网格＝c3，所以通过叠置和并列包含该图案的该网格所获得的分离器元件的紧密度通过以下公式获得：
Figure GDF0000015226130000121
如果假设得到的回路由互连的正方形截面通道组成，那么它们的液力直径Dh等于a，且能够比较由这种类型的两个回路形成的本发明的这种结构的紧密度与通过挤压获得的用于分离器元件的上述紧密度。
对于以这种方式制造的分离器元件来说，若a设定为3.47mm，且c等于7.94mm，两个回路之间多孔材料的最小厚度e等于0.5mm，则固有紧密度(intrinsic compactness)等于：
Figure GDF0000015226130000122
这相当于743.7m2/m3的紧密度，通过观察，与外径25mm、长度1178mm，具有23个液力直径为Dh＝3.47mm的直线式非圆形通道的通过挤压获得的过滤元件相比，紧密度增加约30％。
Dh＝3.47mm 直线式多通道 两个回路示例1
紧密度 571m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup> 744m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup>
紧密度增加 +30％
图3B和3C示出通过交织图3A所示的图案而形成的两个回路的交织结构。
与通过挤压获得的具有20mm的外径、1178mm的长度并具有61个液力直径为Dh＝1.60mm的直线式非圆形通道的过滤元件相比，具有两个相同回路的结构的相同构造给出的液力直径Dh为1.60mm，紧密度增加28％：
Dh＝1.60mm 直线式多通道 双回路示例1
紧密度 1054m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup> 1347m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup>
紧密度增加 +28％
与通过挤压获得的具有25mm的外径，1178mm的长度并具有八个液力直径Dh＝6.00mm的直线式非圆形通道的过滤元件相比，具有相同双回路的结构的相同构造对于6.00mm的液力直径Dh使得紧密度增加36％：
Dh＝6.00mm 直线式多通道 双回路示例1
紧密度 337m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup> 459m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup>
紧密度增加 +36％
图3D示出了具有双回路的结构的另一个实施例，该双回路结构由立方对称的图案11和四面体对称的图案111组合而成。由互连空洞形成的第一回路沿着立方体表面的边缘和对角线，第二回路沿着位于同一个立方体中心处的八面体的边缘。
两种模式的这种组合导致单个网络的构造，对此可以看出，立方基本网格包含具有规则四面体图案的一组互连的空洞空间。
沿三维空间的三个方向叠置这样的图案，同时为图案赋予连续的匝数，由此以重复和连续的方式使四面体的边缘的空的空间一致和并列，能够获得以下新的紧密度值，例如为了比较的目的返回到与示例1中使用的相同的挤制分离器元件和相同的三个液力直径：
Dh＝1.60mm Dh＝3.47mm Dh＝6.00mm
直线式多通道 1054m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup> 571m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup> 337m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup>
单个网络示例2 2358m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup> 987m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup> 560m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup>
紧密度增加 +123％ +72％ +66％
可以看出，借助这样的结构，对于6mm、3.47mm和1.6mm的液力直径，紧密度分别增加了66％、72％和123％。
图4A到图4D示出了通过重复十字形的图案11而形成的开放结构3的实施例，十字形的图案11相对于该图案所内切的立方网格12具有中心对称性。在该示例中，图案11在平面中呈十字形状，而图案的各个部分具有圆形截面。图4A中所示的图案以及相应的为使流体介质流穿过而留下的空的空间，通过沿着三维空间的一维、二维或三维，按照相同的方式叠置网格和图案而被重复。
图5A和图5B示出了立方基本网格12中的图案12的另外两个实施例。所示的图案11就以下意义而言是互补的：如果图5A所示的图案对应于空的空间，那么图5B所示的图案对应于多孔物质，反之亦然。每个图案11包括中心球体11a，该中心球体11a经由朝向网格的各角延伸的八个圆柱体11b连接到八个四分之一球体11c，每个四分之一球体11c占据网格12的三个连续侧。将该网格12并列将能够获得由圆柱体互连的球体组成的结构。
显然，可以设想使用具有各种形状的图案11。例如，图案11和相关联的网格可呈现出选自以下列表中的一种或多种对称性：
-中心对称性；
-相对于直线的正交对称性；
-相对于平面的镜像对称性；
-旋转对称性；以及
-相似性对称性。
同样，应观察到，重复一个或多个图案11可呈现出相对于基材的外部对称性的对称性。在这种情况下，多孔基材可具有变化的、可选地具有对称性的外部轮廓。
在上面的示例中，开放结构3限定了通过重复至少一个图案11而形成的三维结构，而没有图案的形状和尺寸的变化。
自然，可以设想通过重复沿至少一个方向以相同构造方式逐渐变化尺寸、和/或沿至少一个方向以等距离方式逐渐变化形态的至少一个图案11，来形成限定三维表面的开放结构3。
图6A到图6D示出了多孔刚性单件式基材2的变体实施例，其中，通过重复在三维空间的三维中以相同构造方式逐渐变化尺寸的图案11来形成限定三维结构的开放结构3。在该变体中，图6A中所示的图案11内切于方形网格12中，并具有中心正方形11a，该中心正方形位于两个相邻侧面上的两个相同矩形11b之间且位于其另两个相邻侧面上的两个相同梯形11c之间。
通过将这样的图案11沿x和y两个方向并列，并且通过在逐步调节对应于矩形11b、正方形11a和梯形11c的空间的尺寸的同时、以相同构造方式逐渐变化，能够获得如图6B所示的基材。自然，外周图案11适于避免产生可能导致长期保留流体介质的空间的盲区。可以看到朝向多孔材料的外周逐渐增加，这有利于滤液的排放。沿x方向和y方向的这种并列自身形成了一图案(图6C)，此图案在第三方向z上被相同地叠置例如八次，由此使得结构能够被形成为在多孔刚性单件式基材2的入口4与出口5之间连续地延伸(图6D)。
在上述实施例中，开放结构3限定具有重复几何构造的三维结构。图7A和图7B示出了开放结构3的多孔刚性单件式基材2的实施例，其限定了具有不重复的几何构造的三维结构。因此，三维结构以无序的方式被形成而不重复，同时自然地构造出多孔材料的连续性，以通过多孔材料来排放滤液，并且自然地构造出对应于在基材12的入口4和出口之间的流体介质流的连续性而不产生盲区的空的空间。
在上面的示例中，空的空间，即开放结构3在多孔材料中产生，由此允许流体介质流动。图8A到图8D示出多孔刚性单件式基材2的实施例，其中提供网络RF用于回收滤液，且通过多孔基材的周壁21离开。自然，用于滤液的这种回收网络RF独立于用于流体介质的一个或多个流动网络R1，R2，……，RK。这种滤液回收网络RF将构成多孔基材的一些多孔材料留在该空的空间与流动网络之间，且还留在该空的空间与基材的入口端4和出口端5之间。产生这样的滤液回收网络RF为的是帮助向多孔基材的外部排放滤液。
图9到图9I示出了管状的切向流分离器元件1的另一示例。切向流分离器元件1包括多孔刚性单件式基材2，该多孔基材以沿着纵向中心轴线A延伸的细长形状制成，使得该多孔基材的结构可被称为是直线式的。图9、图9I所示的多孔刚性单件式基材2具有圆形的正横截面，并因此呈现出圆柱形的外表面，然而正横截面也可以是任意形状或多边形。
多孔刚性单件式基材2被布置为在内部容纳单个流动网络，该单个流动网络用于在入口4与出口5之间流动的处理用流体介质。在所示的示例中，入口4位于多孔刚性单件式基材2的一端处，而出口5位于多孔刚性单件式基材2的另一端处。多孔刚性单件式基材2包括用于形成处理用流体介质的流动回路的空的空间或通路，即开放结构3。多孔刚性单件式基材2被布置成在其整个外周上包括围绕空的空间或通路的周壁21。由多孔刚性单件式基材2的外表面22限定的周壁21在入口4与出口5之间以连续的方式延伸。
从其连续的周壁6开始，多孔刚性单件式基材2包括三维布置的结构，这些结构彼此连接以在它们之间留下用于使流体介质穿过的空的空间，即开放结构3，从而形成包括用于流体介质的一系列流动回路R1，R2，……，RK的流动网络，这些流动回路在多孔基材的入口4与出口5之间互连。
如所解释的那样，三维结构形成单件式多孔基材的整体部分，即，这些三维结构是由被赋予多孔基材的变化的形状造成的，且不以任何方式使装配元件分离。该组件形成多孔单块，该多孔单块既没有任何结合，也没有任何接口，也没有任何类型的接头。在三维结构与周壁21之间存在多孔材料和质地的一致性和连续性。因此，三维结构机械地和化学地稳固，且具有与周壁21相同的强度。
在图9到图9I所示的实施例中，空的空间，即开放结构3形成单个网络R1，该网络包括在多孔基材的入口4与出口5之间互连的一系列流动回路R11，R12，……。在该示例中，流动回路由空的通路或空间，即开放结构3，以围绕多孔基材圆周的七个外周通道a-g、和被布置在多孔基材的中心处的中心通道h、以及位于上述通道之间的连通或互连通路9的形式来形成。
在所示示例中形成的通道a到h在多孔基材的整个长度上彼此平行。在入口4与截面B-B之间，通道a到h彼此独立。在截面B-B处，通道a到h以如图9B所示的方式互连。更确切地说，空的空间或互连部9首先在相邻的外周通道(即，相邻的外周通道b-c、相邻的外周通道d-e、和相邻的外周通道f-g)组成的相邻对之间产生，其次在中心通道h与外周通道中的不与其他外周通道连通的那个外周通道(即，所示示例中的通道a)之间产生。由于三维结构的布置而留下的这些空的空间或互连部9构成通道之间的连通通路，在所示的示例中，这些互连部9相对于通道横向地延伸。
在所示的示例中，三维结构的该布置和互连部的该布置在多孔基材的不同截面处以规则间距重复，同时在通道之间以圆形方式重新排列互连部9。因此，对于处理用流体介质的流动方向的问题而言，在多孔基材的处于截面B-B之后的截面C-C处(图9C)，通道a到h通过在通道a-g、b-h、c-d和e-g之间形成空的空间或互连部9而相互成对地互连。类似地，对于处理用流体介质的流动方向的问题而言(图9D)，在多孔基材的处于截面C-C之后的截面D-D的水平面处，通道a到h借助形成于通道a-g、b-h、c-d和e-g之间的空的空间或互连部9而互连。
在所示的示例中，通道a到h在入口与出口之间通过互连部9而互连七次，这使得经由入口4进入的处理用流体介质在每个通道中均可流到出口5。通道a到h与互连部9一起形成一系列相互地互连的回路R1，R2，……，RK。
自然，可规定在多孔基材中形成这样的网络：该网络具有与所描述的不同的多个流动回路，并被选择具有与所描述的互连部不同的互连部。类似地，可能有利的是，在多孔基材中形成多个相互地互连的用于流体介质的流动回路网络，且任何一个网络的回路独立于另一个网络的回路。例如，分离器元件1可包括：由通道a、h、e和d形成的相互地互连回路的第一网络，通道a、h、e和d在各个截面经由连通通路9连接到彼此；由通道b和通道c形成的相互地互连回路的第二网络，且通道b和通道c在至少一个截面并且以通常的方式在多个不同截面经由连通通路9连接到彼此；以及由通道f和g形成的相互地互连回路的第三网络，通道f和g在至少一个截面且以更通常的方式在多个不同截面经由连通通路9连接到彼此。这三个网络各自的这些回路彼此独立，即，它们不彼此连通。
自然，网络可包括数量更多或更少的相互地互连的流动回路，这些流动回路通过以规则或不规则的间距重复形成的互连部9而互连。同样，流动回路可具有非常多样的形状和尺寸。在图9到图9I所示的实施例中，相互地互连的流动回路包括三角形截面的通道a到g、圆形截面的中心通道h以及圆形截面的互连部9。显然，通道和互连部9的截面可不同于仅通过示例示出的截面。
从上述描述可以看出，切向流分离器元件1具有用于流体介质的流动网络的新颖的形状，这使得流动回路的液力直径能够逐渐地或连续地变化。用于流体介质的流动网络的这种新颖的形状还能够在流体介质的行进方向上实现径向和/或纵向的中断，以便提高分离器元件的性能。
在本发明的情况下，作为整体的多孔基材或实际上切向流分离器元件通过示例的方式使用例如在专利申请FR3006606中作为示例描述的添加剂技术来制造。
本发明不限于所描述和示出的示例，因能够对这些示例做出多种修改且不超出本发明的范围。

Claims (16)

1.一种分离器元件，用于将处理用流体介质分离成滤液和滞留物，所述分离器元件包括由单一材料制成的多孔刚性单件式基材(2)，且该多孔刚性单件式基材呈现为：首先其外周处具有周壁(21)，所述周壁在位于所述多孔刚性单件式基材的一端处的用于处理用流体介质的入口(4)与位于所述多孔刚性单件式基材的另一端处的用于所述滞留物的出口(5)之间连续；其次在内部，至少一个表面由至少一个分离器层(6)覆盖且限定由空的空间组成的开放结构(3)，所述开放结构用于使处理用流体介质流穿过，以便在所述多孔刚性单件式基材的外周处回收已经穿过所述分离器层和所述多孔刚性单件式基材的滤液，所述开放结构对应于所述多孔刚性单件式基材中的那些不包括多孔材料的区域，所述元件的特征在于，由所述多孔刚性单件式基材的被所述分离器层(6)所覆盖的表面限定的用于处理用流体介质通过的所述开放结构(3)被布置在所述多孔刚性单件式基材中，以便在所述多孔刚性单件式基材内形成用于处理用流体介质的至少一第一流动网络(R1，R2，……，RK)，所述网络包括至少两个用于处理用流体介质的互连流动回路(R11，R12，……)，所述互连流动回路位于所述多孔刚性单件式基材的入口(4)与出口(5)之间，所述分离器层(6)在所述多孔刚性单件式基材的所述入口(4)与所述出口(5)之间覆盖至少两个所述互连流动回路(R11，R12，……)的表面。
2.根据权利要求1所述的分离器元件，其特征在于，用于使所述流体介质通过的所述开放结构(3)被布置在所述多孔刚性单件式基材中，以便在所述多孔刚性单件式基材内形成用于处理用流体介质的至少一第二流动网络(R，……，RK)，所述第二流动网络包括一个或多个用于流体介质的流动回路(R21，R22，……)，所述一个或多个流体回路位于所述多孔刚性单件式基材的入口(4)与述出口(5)之间，所述流动回路被选择性地互连。
3.根据权利要求1或2所述的分离器元件，其特征在于，用于回收滤液的至少一个滤液回收网络(RF)被布置在所述多孔刚性单件式基材(2)中，且通过所述多孔刚性单件式基材的周壁(21)而开放。
4.根据权利要求1或2所述的分离器元件，其特征在于，每个开放结构受到位于所述多孔刚性单件式基材的入口(4)与出口(5)之间的单个连续表面的限制，始终与所述流体介质接触而并不存在任何盲区，所述开放结构从所述多孔刚性单件式基材的周壁限定三维结构。
5.根据权利要求4所述的分离器元件，其特征在于，所述三维结构到所述周壁一直呈现多孔材料和质地的一致性和连续性。
6.根据权利要求4所述的分离器元件，其特征在于，所述开放结构(3)限定具有不重复的几何构造的三维结构。
7.根据权利要求1所述的分离器元件，其特征在于，所述开放结构(3)限定通过重复至少一个图案(11)而形成的三维结构，所述图案在所述多孔刚性单件式基材的形成网格(12)的体积单元中内切，在所述网格内形态上预定的空间被保留成空的以使处理用流体流过，所述重复首先通过在三维空间的至少一维上完全或部分地并列一个或多个所述图案(11)来进行，其次以获得所述体积单元的开放结构之间的流体介质的流动连续性以及用于排放所述滤液的多孔材料的连续性的方式来进行。
8.根据权利要求7所述的分离器元件，其特征在于，所述开放结构(3)限定通过重复至少一个图案(11)而不改变所述图案的形状或尺寸形成的三维结构。
9.根据权利要求7所述的分离器元件，其特征在于，所述开放结构(3)限定通过重复沿至少一个方向以相同构造方式逐渐变化尺寸和/或沿至少一个方向以等距离方式逐渐变化形态的至少一个图案(11)来形成的三维结构。
10.根据权利要求7到9中任一项所述的分离器元件，其特征在于，图案(11)和与其相关联的网格(12)能呈现来自以下中的一种或多种对称性：
中心对称性；
相对于直线的正交对称性；
相对于平面的镜像对称性；
旋转对称性；以及
相似性对称性。
11.根据权利要求8或9所述的分离器元件，其特征在于，一个或多个所述图案(11)的重复呈现出相对于所述多孔刚性单件式基材的外部对称性的对称性。
12.根据权利要求1或2所述的分离器元件，其特征在于，所述多孔刚性单件式基材(2)由有机材料或无机材料制成。
13.根据权利要求1或2所述的分离器元件，其特征在于，所述分离器元件包括多孔刚性单件式基材(2)和连续地沉积在所述开放结构的三维结构的壁上的至少一个分离器层(6)，每层由选自氧化物、氮化物、碳化物和其他陶瓷材料及其混合物的陶瓷构成。
14.根据权利要求1或2所述的分离器元件，其特征在于，所述分离器元件包括多孔刚性单件式基材(2)和连续地沉积在所述开放结构的三维结构的壁上的至少一个分离器层(6)，每层由选自氧化钛、氧化铝、氧化锆及其混合物，氮化钛、氮化铝、氮化硼，碳化硅、碳化钛，以及选择性地与另一陶瓷材料混合的陶瓷构成。
15.根据权利要求7到9中任一项所述的分离器元件，其特征在于，所述分离器元件包括多孔刚性单件式基材(2)和连续沉积在所述三维结构的壁上的至少一个分离器层(6)，每层由适于预期分离的聚合物构成，并由所述聚合物的胶棉沉积。
16.根据权利要求1或2所述的分离器元件，其特征在于，所述多孔刚性单件式基材(2)具有处在1μm到100μm范围内的平均孔径。
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