CN108883369B - 多用途膜单元堆叠件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

膜单元堆叠件布置包括壳体、限定流体隔室的膜堆叠件和流体歧管系统，其中通过流体隔室的流动方向不同于通过入口开口和出口开口的流动方向，并且入口开口和出口开口的宽度的每个都大于流体隔室的宽度的45％。

Description

多用途膜单元堆叠件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种多用途膜单元堆叠件，具体地，涉及一种用于离子交换的膜单元堆叠件。本发明的另一方面涉及制造膜单元堆叠件的方法。
背景技术
国际申请WO 2015/153885公开了一种膜堆叠件布置，其包括多个对准的单元对，多个对准的单元对中的每一个包括构造和布置成在第一方向上提供流体流动的离子浓缩隔室以及构造和布置成在与第一方向不同的第二方向上提供流体流动的离子稀释隔室。每个离子浓缩隔室可包括阴离子交换膜、阳离子交换膜和位于阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的第一间隔件，第一间隔件具有掩蔽的第一组端部和封装的第二组端部。每个离子稀释隔室可包括阴离子交换膜、阳离子交换膜和位于阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的第二间隔件，第二间隔件具有封装的第一组端部和掩蔽的第二组端部。第一间隔件的掩蔽的第一组端部可以与第二间隔件的封装的第一组端部对准，并且第一间隔件的封装的第二组端部与第二间隔件的掩蔽的第二组端部对准。第一和第二组端部的每个端部可以限定穿过其延伸的通道，每个通道通过通道延伸的掩蔽的端部与那些间隔件流体连通，并且每个通道通过通道延伸的封装的端部与那些间隔件流体隔离。每个隔室中的流体流动具有从相应的输入通道到输出通道的单个主方向。所公开的电化学分离装置是交叉流动型的。
美国专利US-B-9,169,138公开了一种水处理系统，其具有结合膜堆叠件的隔室，其中内部流体歧管将输入和输出流分配到隔室。主流体流动方向是从输入通道到输出通道的单个方向。
发明内容
本发明试图提供一种用于离子交换的改进的多用途膜堆叠件布置，例如用于脱盐的电渗析(反向)，或用于产生能量等的反向电渗析(RED)，可以从基本膜单元堆叠件设计创建各种特定实施方案，包括并流、逆流和交叉流设计类型。
根据本发明，提供了一种膜单元堆叠件布置，包括具有中心轴的壳体；膜堆叠件，每个膜包括主膜表面并被壳体包围，主膜表面基本垂直于中心轴；膜单元堆叠件布置还包括多个流体隔室，每个流体隔室至少部分地插入两个相邻的膜之间，其中每个流体隔室包括流入通道、流出通道和在流入通道和流出通道之间延伸的主流动通道，流入通道、流出通道和主流动通道分别具有主流入方向、主流出方向和主流动方向，其中在平行于主膜表面的平面中，主流入方向和主流出方向以与主流动方向成相应的预定角度布置，每个流入通道包括入口开口，并且每个流出通道包括出口开口，膜单元堆叠件布置还包括与多个流体隔室的流入通道和流出通道的相应的入口开口和出口开口连通的内部流体歧管系统，其中主流动通道具有主流动通道宽度(wm)，入口开口具有宽度(w1)，出口开口具有宽度(w2)，其中宽度(w1)和宽度(w2)每个都大于主流动通道宽度(wm)的45％。
每个流体隔室至少部分地由间隔开的两个相邻的膜限定，并且包括位于这些膜之间的封闭边缘，封闭边缘被流体隔室的入口开口和出口开口中断。每个入口开口和/或每个出口开口可包括单个开口或多个相邻开口，多个相邻开口通过薄壁彼此分隔开，薄壁可具有导流元件的功能。主流入方向、主流出方向和主流动方向基本上平行于限定流入通道、流出通道和主流动通道的封闭边缘。
当流入通道和/或流出通道由两个非平行的封闭边缘限定时，主流入方向和/或主流出方向可以被认为是流体流过该通道的平均方向。在数学上，如果流入通道或流出通道的两个封闭边缘相对于彼此成γ度角，那么该通道的主流入或流出方向相对于那两个封闭边缘是1/2γ度。
主流入方向和主流出方向在平行于主膜表面的平面中相对于主流动方向(10c)以相应的预定角度(α、β)布置，以允许流体隔室的增加的流体流动入口面积和增加的流体流动出口面积，从而可以获得更大和更有效的流体流动。因此，膜单元堆叠件布置提供降低的液压阻力和更高的膜效率(介于两个相邻流体隔室之间的膜上的离子交换)。膜单元堆叠件布置的这种设计允许选择膜单元堆叠件布置中的相邻流体隔室的并流、逆流和交叉流设计。
在另一方面，本发明涉及一种制造膜单元堆叠件布置的方法，包括以下步骤：
提供具有中心轴的壳体；
构建膜堆叠件，每个膜具有主膜表面并被壳体包围，主膜表面基本垂直于中心轴布置，膜单元堆叠件布置还包括：
多个流体隔室，每个流体隔室至少部分地插入两个相邻的膜之间，其中每个流体隔室包括流入通道、流出通道和在流入通道和流出通道之间延伸的主流动通道，每个流入通道具有入口开口，并且每个流出通道具有出口开口，
流入通道、流出通道和主流动通道分别具有主流入方向、主流出方向和主流动方向，其中主流入方向和主流出方向在与主膜表面平行的平面中与主流动方向成相应的预定角度布置，其中主流动通道具有主流动通道宽度(wm)，入口开口(5a)具有宽度(w1)，并且出口开口(6a)具有宽度(w2)，其中宽度(w1)和宽度(w2)大于主流动通道宽度(wm)的45％；
提供内部流体歧管系统；和
将膜堆叠件和流体歧管系统安装在壳体中，使得内部流体歧管系统与多个流体隔室的流入通道和流出通道的相应入口开口和出口开口连通。
该方法允许根据相邻流体隔室的并流、逆流或交叉流设置中的任何一个或者用于并流、逆流或交叉流设置的任何组合来非常有效地制造膜单元堆叠件布置。
附图说明
附图说明下面将参考附图使用多个示例性实施例更详细地讨论本发明，其中
图1示出了现有技术的膜单元堆叠件布置的实施例的示意性顶视图；
图2示出了根据本发明的两个流体隔室的实施例的顶视图；
图3示出了根据本发明的膜单元堆叠件布置的实施例的顶视图；
图4示出了根据本发明的膜单元堆叠件布置的另一个实施例的顶视图；
图5示出了根据本发明的膜单元堆叠件布置的另一实施例的顶视图。
具体实施方式
膜单元堆叠件的现有交叉流设计包括交替的流体隔室，其中膜形成流体隔室之间的分离。流体隔室的输入和输出使用合适的歧管布置互连。
现有技术的并流和逆流膜单元堆叠件(例如用于离子交换)通常包括一个或多个流体隔室，其中每个流体隔室包括仅远小于最大可用的流体入口面积和流体出口面积的50％的可用的流体入口面积和流体出口面积。例如，在实践中，现有技术流体隔室的可用流体入口面积和流体出口面积可以低至最大可用流体入口面积和流体出口面积的30％或甚至小于25％，例如，当使用圆形输入和输出通道时，也为了提供堆叠组件的足够结构强度。例如，在现有技术公开CN104084046中公开了一种膜单元堆叠件，其中主流动通道的宽度的仅约21％可用于流入和流出通道。相对于最大可用流体入口面积和流体出口面积，这种小百分比的可用流体入口面积和流体出口面积通常在其运行期间在流体隔室内引起相对高的液压阻力。然而，流体隔室内的高液压阻力通常会降低膜单元堆叠件的能量效率。
通过图1可以进一步阐明上述内容，示出了不属于本权利要求的对比膜单元堆叠件的实施例的简化示意顶视图，其中为了清楚，两个流体隔室2、2'已经分开并且并排放置。在次级(右侧位置)流体隔室2'中，存在与主要(左侧位置)流体隔室2中相同的元件，但是具有添加到相应附图标记的重点。在实际实施方式中，两个流体隔室2、2'以堆叠方式布置。
对比膜单元堆叠件包括相邻的流体隔室2的堆叠件，其间插入膜，例如可用于两个相邻流体隔室2之间的离子交换。每个流体隔室2可被视为平坦或平面流体隔室2，其相对于其宽度和深度具有小的高度。布置在两个相邻的流体隔室2之间的膜流体地隔开两个流体隔室2，但是当流体流过每个流体隔室2时，在膜单元堆叠件的操作期间允许在其间发生离子交换。通常，两个相邻的流体隔室2中的一个是离子浓缩隔室，而两个相邻的流体隔室2中的另一个是离子稀释流体隔室。
图1中示意性示出的对比膜单元堆叠件具有矩形构造，并且每个流体隔室2、2’包括流入通道2a、2a'和流出通道2b、2b'(在图1中，每个流体隔室2、2’包括四个流入通道2a、2a'和四个流出通道2b、2b')。此外，流入通道2a、2a'和流出通道2b、2b'位于膜单元堆叠件的相对侧。在对比图1中，示出了并流流动布置(以示意性方式)。在逆流流动布置中，流入通道2a'和流出通道2b'将是反向的。图1中的箭头表示主流入方向10a、10a'、主流出方向10b、10b'和主流动方向10c、10c'。
因此，理论上，主流动通道2c的横截面的至多50％可用于流入和流出通道2a、2b。如在实际实施中一样，还必须注意膜单元堆叠件的结构强度是足够的，因此主流动通道2c的横截面的甚至更低百分比可用于流入和流出通道，例如，最多40％或甚至低至30％或21％(参见上述对现有技术CN104084046的评论)。
此外，虽然图1中未示出，但是将容易理解的是，膜单元堆叠件的流体隔室2、2’由具有中心轴的壳体包围，其中膜单元堆叠件沿着中心轴布置，即流体隔室2、2’之间的(平面)膜垂直于中心轴设置。
平的或平面的间隔件(例如以间隔网的形式)可以布置在每个流体隔室2的主流动通道2c内，限定每个流体隔室2的高度，即限定膜单元堆叠件的两个相邻膜之间的距离。间隔网可用于改善流过流体隔室的流体的均匀分布。
从图1中可以明显看出，在膜单元堆叠件运行期间，流体通过相对小的流入通道2a和流出通道2b进入和离开主流动通道2c。这种通道构造的缺点在于获得了相对高的液压阻力以及通过主流动通道2c的相对不均匀的流动模式，主流动通道2c在图1中可以认为是矩形的。此外，甚至间隔网可能不能提供足够的流量分布以在其中布置的整个主流动通道2c中进行最佳的离子交换。
根据本发明的实施例，为了以更有效的方式利用每个主流动通道2c，流入通道2a和流出通道2b应该相对于插入它们之间的主流动通道2c的横截面具有最大可能的流入面积/开口和流出面积/开口。这样做允许流体以更均匀分布的方式流过每个主流动通道2c，并且降低了液压阻力，并且最终改善了跨膜的离子交换。
图2示出了根据本发明的膜单元堆叠件布置1的两个流体隔室2的实施例的顶视图，其中两个流体隔室2已被分开并且为了清楚而并排放置。在次级(右侧位置)流体隔室2'中，存在与主要(左侧位置)流体隔室2中相同的元件，但是具有添加到相应附图标记的重点。在实际实施中，两个流体隔室2以堆叠方式布置。
在所示的实施例中，膜单元堆叠件布置1包括两种类型的流体隔室2，它们交替地位于堆叠件中。未示出膜单元堆叠件1的膜，因为它可以布置在流体隔室2的下方或上方，其中膜流体地分离两个相邻的流体隔室2并允许其间的离子交换。在一个实施例中，一种类型的流体隔室2可以是离子浓缩隔室，而另一种类型的流体隔室2可以是离子稀释隔室，反之亦然。
膜单元堆叠件布置1还包括作为流体隔室2的一部分的(上部)流入通道2a和(上部)流出通道2b，以及作为下部流体隔室2'的一部分的次级(或下部)流入通道2a'和次级(或下部)流出通道2b'。在上部流入通道2a和上部流出通道2b之间设置有上部主流动通道2c，并且在下部流入通道2a'和下部流出通道2b'之间设置有下部主流动通道2c'。
在一个实施例中，上部主流动通道2c和/或下部主流动通道2c'可各自分别包括上部隔离网和下部隔离网。当膜单元堆叠件1运行时，每个间隔网可以改善通过其中布置的主流动通道2c、2c'的流动分布。此外，为了流体地分离相邻的流体隔室，可以沿流体隔室2的圆周的一部分设置垫圈4，留下用于流入通道2a的入口开口5a和用于流出通道2b的出口开口6a。垫圈4可以形成限定流体隔室2的封闭边缘。
在一个实施例中，主流动通道2c可包括例如矩形或正方形形状，例如。由图2中的阴影线勾勒出的平面矩形或平面正方形形状。主流动通道2c可包括基本均匀的厚度或高度。主流动通道2c优选地占据由流体隔室2的封闭边缘限定的总流动通道面积的50％以上，更优选地大于60％。
根据本发明，通过相对于主流动通道2c的宽度扩大(加宽)流入通道2a和流出通道2b，可以改善通过主流动通道2c的流动分布。由于流体隔室2可以具有均匀的高度或厚度，流入通道2a和流出通道2b的扩大是通过加宽所述通道2a、2b来实现的。通过相对于主流动通道2c的宽度wm增加每个流入通道2a的宽度w1和每个流出通道2b的宽度w2，可以实现这种加宽。
流入通道2a具有入口开口5a，流出通道2b具有出口开口6a，其与膜单元堆叠件布置1的内部流体歧管系统连通。在本发明实施例中，主流动通道2c具有主流动通道宽度wm，入口开口5a的宽度w1和出口开口6a的宽度w2，其中宽度w1和宽度w2中的每一个都大于主流动通道宽度wm的45％，优选地大于主流动通道宽度wm的一半，即比率w1/wm大于0.45，优选大于0.5，并且比率w2/wm大于0.45，优选大于0.5。
优选地，主流动通道2c的宽度wm大于流体隔室2的总宽度的50％(更优选地大于75％)。因此，优选地，主流动通道2c形成从流入通道2a到流出通道2b的直接直线路径，没有180°转弯。该配置减小了隔室2的长度上的压降。
在一个实施例中，存在于膜单元堆叠件中的一个或多个流体隔室构造成使得主流动方向在主流动通道2c中改变一次180°的角度。在该实施例中，流入通道2a和流出通道2b可以彼此相邻定位。该实施例几乎使主流动通道的有效长度加倍，并且几乎使流体以相同的流速在相关流体隔室内的停留时间加倍。该实施例特别适用于高浓度流体的脱盐。
鉴于上述情况并参考图2，本发明的膜单元堆叠件布置1因此包括多个流体隔室2，流体隔室2具有流入通道2a、流出通道2b和在它们之间延伸的主流动通道2c。流入通道2a具有主流入方向10a，流出通道2b具有主流出方向10b，其中主流入和主流出方向10a、10b与主流动通道2c的主流动方向10c成相应的预定角度α、β布置。每个流体隔室2至少部分地由间隔开的两个相邻的膜限定，并且包括位于这些膜之间的封闭边缘，封闭边缘由入口开口5a和出口开口6a中断。主流入方向10a、主流出方向10b和主流动方向10c基本上分别平行于限定流入通道2a、流出通道2b和主流动通道2c的封闭边缘。封闭边缘可以被认为包括基本上直的侧面(参见例如下面参考图4的实施例的描述)。封闭的边缘例如由聚合物材料制成，并且可以包括密封材料，例如粘合剂。
在实际应用中，流体隔室2可以适合用作离子浓缩隔室或离子稀释隔室，例如，如图2所示的两种类型的流体隔室2，其中处于堆叠构造的两种类型的流体隔室2的输入和输出流可以容易地保持分离。
在不脱离本发明的教导的情况下，在上面的段落中省略了术语“上部”和“下部”，因为原则上“上部”和“下部”流体隔室2可具有相当的几何形状和尺寸，除了它们可以在如图2所示的膜单元堆叠件布置1中相对于彼此镜像。另外，当使用时，术语“上部”和“下部”可以互换，并且不指定这样的限制特征。此外，术语“上部”和“下部”并不具体表示垂直位移；它也可以表示水平位移，即壳体的中心轴可以是垂直的或水平的或甚至是倾斜的。
主流入方向10a和主流出方向10b分别相对于主流动方向10c布置的预定角度α、β的显着优点是流体可以通过更宽的面积进入/离开主流动通道2c。因此，不是具有主流动通道2c的宽度wm的最大40％的用于进入/离开的宽度w1、w2，而是预定角度α、β允许宽度为w1、w2用于例如主流动通道2c的宽度wm的70％的流体进出的流体流入和流出。流入和流出通道2a、2b的增加的宽度w1、w2在上部和下部主流动通道2c内提供更均匀分布的流动模式，从而在其间产生改进的离子交换。此外，结果将是流体隔室2中较少的“死空间”，以及膜单元堆叠件布置1中较低的结垢。
如上所述，膜单元堆叠件布置1包括多个流体隔室2，每个流体隔室至少部分地插入两个相邻的膜之间。在典型的实施例中，在两个相邻的流体隔室2之间至少部分地提供膜，通过该膜可以发生离子交换。
多个流体隔室2中的每一个包括流入通道2a、流出通道2b和在它们之间延伸的主流动通道2c。流入通道2a、流出通道2b和主流动通道2c分别具有主流入方向10a、主流出方向10b和主流动方向10c，其中在与主膜表面平行的平面中，主流入方向10a和主流出方向10b相对于主流动方向10c以相应的预定角度α、β布置。
如上所述，流入通道2a、主流动通道2c和流出通道2b中的流动方向可以与流体隔室2的封闭边缘相关。作为替代，与本说明书中使用的方向相关的术语“主要”可以理解为在操作中流过流体隔室的相应部分的流体的总平均方向。
如上所述，主流入和主流出方向10a、10b相对于主流动方向10c布置的预定角度α、β的优点在于通过每个主流动通道2c获得更均匀分布的流动模式，因为流体在其较大宽度w1、w2上进入和离开每个主流动通道2c，有利于改善每个主流动通道2c内的流体流动分布并降低液压阻力。
在一个实施例中，主流入方向10a基本上平行于主流出方向10b，即角度α和β是相同的，例如图2的实施例中所示。显然主流入和主流出方向10a、10b是平行的，由于在流体隔室2中的对角线相对侧设置流入和流出通道2a、2b。这样，两种类型的流体隔室2可以与相邻流体隔室2的主流动方向10c堆叠，与主流动方向10c相同(并流)或相反(逆流)。这也可以通过使主流入方向10a和主流出方向10b彼此成一定角度来实现，即通过使流入和流出通道2a、2b处于流体隔室2中的镜像相对侧(即，图2中左侧类型的流体隔室2的左侧和右侧(次级)类型的流体隔室2'的右侧)。例如，这示出在下面进一步详细讨论的图3的实施例中。
例如，在如图2所示的实施例中，相邻流体隔室2的至少一部分的主流动方向10c处于并流取向。该实施例由图2中的箭头清楚地表示，表示沿相同方向的主流动方向10c。
在可选实施例中，相邻流体隔室2的至少一部分的主流动方向10c处于逆流取向。当所描绘的上部主流动通道2c和下部主流动通道2c的主流动方向10c将沿相反方向布置时，例如，通过在图2所示的配置中更换流入通道2a'和流出通道2b'，获得该实施例。
如图2所示，在一个实施例中，流入通道2a和流出通道2b中的一个或多个可设置有导流元件14。除了先前描述的结构特征之外，导流元件14还有助于获得主流动通道2c内的均匀的流动分布，从而提高其中的离子交换效率。
图3示出了膜单元堆叠件布置1的实施例的截面图，其允许选择相邻流体隔室2的并流、逆流或交叉流动布置。流体隔室2的堆叠件(在它们之间具有膜和间隔件(如果适用的话))容纳在壳体7中，壳体7在该实施例中是正方形(通常是矩形的)壳体7。图3的截面图示出了单个流体隔室2，其中主流入方向10a和主流出方向10b彼此成一角度，并且两者都与主流动方向10c成预定角度α、β。在如图所示的对称结构中，预定角度α、β均为135°。还示出了形成封闭边缘的垫圈4，其限定了通过图3中可见的流体隔室2的主流动方向。由于壳体7的对称构造，可以在壳体7内部具有与一组流体隔室2相关联的输入通道5和输出通道6(例如，浓缩液流过整个膜单元堆叠件布置1)。这将在下面进一步详细说明。由于所示实施例的对称性质，可以使相邻的流体隔室2处于并流、逆流和甚至交叉流取向。使用该堆叠结构也可以容纳多个流。此外，可以改变与一组流体隔室2相关联的输入通道5和输出通道6的位置。在图3中，用虚线表示相邻流体隔室2'的元件，相对于流体隔室2旋转90°。
此外，本领域技术人员将理解，主流入和主流出方向10a、10b可以被认为被定义为基本垂直于具有流入通道2a的宽度w1的入口开口5a和具有流出通道2b的宽度w2的出口开口6a，如图3所示，针对135°的优选角度α、β。
从参考图2和3所示和描述的实施例中，预定角度α、β明显允许流入和流出通道2a、2b的宽度w1、w2大于主流动通道2c的宽度wm的45％，从而允许通过主流动通道2c的改进的分布的流体进入/离开。因此，允许比率w1/wm大于0.45，优选大于0.5。比率w1/wm可以通过公式w1/wm＝1/(2sinα)计算，并且比率w2/wm可以通过公式w2/wm＝1/(2sinβ)计算，从而假设封闭边缘的厚度对于主流动通道2c和流入和流出通道2a、2b是相同的。
本发明提供一种膜单元堆叠件布置1(本文中有时缩写为“膜单元堆叠件1”)，其包括具有中心轴的壳体7(图2中未示出)和膜堆叠件，每个膜包括主膜表面并且被壳体7包围，主膜表面基本上垂直于中心轴设置。壳体7可选地包括框架，该框架将膜堆叠件的组成部分紧紧地保持在一起。这种框架可用于防止流体泄漏。
图4示出了根据本发明的膜单元堆叠件布置1的另一实施方案的截面图。膜单元堆叠件布置1在此设置有管状壳体7，在该具体示例性实施例中具有圆形横截面。在所示的实施例中，示出了流体隔室2(具有流入通道2a、主流动通道2c和流出通道2b)，并且用虚线示出了相邻流体隔室2'的元件，其相对于流体隔室2旋转90°。流体隔室的主流动通道2c的主流动方向10c垂直于相邻流体隔室2'的主流动方向(未示出)。与图3中的实施例一样，预定角度α、β允许膜单元堆叠件布置1具有主流动通道2c的最大可能的流体入口面积和流体出口面积，以提供改善的和均匀的流动分布，并且降低液压阻力。
该实施例可以容易地推广到一个实施例，其中相邻流体隔室2的至少一部分(或更精确地说是相邻的主流动通道2c)的主流动方向10c处于交叉流取向。
在另一个实施例中，如图4的截面图所示，每个流体隔室2包括六个(或更通常至少四个)直边，其中四个直边与形成流体隔室的封闭边缘对准，在每两个相邻的直边之间存在角部凹槽18。然后，另外的直边对应于入口开口5a和出口开口6a。在该实施例中，角部凹槽18允许膜单元堆叠件布置1的多个流体隔室2彼此密封，例如在角部凹槽18中使用可固化灌封剂。为了分离膜单元堆叠件布置1中的各种流，提供了通道形成结构15，其相对于彼此和在壳体7的内表面密封各种通道。
如前所述，预定角度α、β允许流入通道2a的宽度w1增加，并允许且流出通道2b的宽度w2增加，超过主流动通道2c的宽度wm的45％。例如，在一个有利的实施例中，预定角度α和β可以在100°和170°之间，例如，在100°和170°之间或在110°和150°之间或在125°和145°之间。在一个具体实施例中，预定角度约为135度，因此流入/流出通道2a、2b的宽度w1、w2约为主流动通道2c的宽度wm的71％(1/(2sin135°)≈0.71)。在另一个优选实施例中，如图5所示，预定角度约为112.5度，因此流入/流出通道2a、2b的宽度w1、w2约为主流动通道2c的宽度wm的54％。对于更加极端的情况，其中预定角度是大约100度，流入/流出通道2a、2b的宽度w1、w2是主流动通道2c的宽度wm的大约51％，而对于预定角度为约170度的情况，流入/流出通道2a、2b的宽度w1、w2是主流动通道2c的宽度wm的约288％。对于预定角度约为110度的情况，流入/流出通道2a、2b的宽度w1、w2约为主流动通道2c的宽度wm的53％，并且对于预定角度约为145°的情况。流入/流出通道2a，2b的宽度w1、w2约为主流动通道2c的宽度wm的87％。
在图5所示的优选实施例中，其中预定角度α和β约为112.5度，膜叠可具有八边形的形状，使得单独的通道形成结构15是多余的。
为避免疑问，对于直线通过流入通道2a、主流动通道2c和流出通道2b的流体，在不改变方向的情况下，角度α和β都将是180°。预定角度α和β不是0°或180°。
优选地，每个流体隔室2具有六边形形状并且包括六个角部凹部18.可以堆叠膜，使得部分或全部流体隔室2具有垂直于下一个相邻流体隔室中的主流动方向10c的主流动方向10c。
可选的角部凹槽18与壳体7的内壁一起可用于为流体密封的密封材料提供八个适当限定的空间。
膜堆叠件也可以具有六边形形状。当膜堆叠件具有六边形形状时，可以实现不超过三种不同的配置，而对于八边形形状的膜堆叠件，四种不同的配置是可能的，如下面更详细地讨论的。在实际实施中，由于形成流体隔室的封闭边缘的垫圈的宽度，因此宽度w1、w2和wm将略小于附图中所示的。因此，在一个实施方案中，膜单元堆叠件被配置成使得膜单元堆叠件可以同时脱盐多于一种流体流，例如，两股流体。这种流体流的化学组成可以彼此不同或彼此相同。在另一个实施方案中，膜单元堆叠件配置成使得膜单元堆叠件可以通过同时混合一种以上流体(例如浓缩的离子溶液)与一种或多种具有较低离子浓度的流体(稀释的离子溶液)来产生电。如前所述，主流入方向(10a)和主流出方向(10b)可以基本平行，或者主流入方向(10a)可以与主流出方向(10b)成一角度，例如，角度在10°和170°之间。
如图4和图5的实施例中所例示的，具有圆形壳体7的膜单元堆叠件布置1的交叉流取向也是容易实现的。通过将随后的流体隔室2布置成具有连接到适当的相应输入和输出通道5、6和5'、6'的流体可以容易地实现这种交叉流取向。通过使用相应的输入和输出通道5、6和5”、6”或5'、6'和5”’、6”’，相同的壳体允许相邻流体隔室之间的并流和逆流取向。因此，本发明的膜单元堆叠件布置1可以构造成仅包含并流和/或逆流取向的膜流体隔室，或仅包含交叉流的流体隔室，或者并流、逆流和交叉流的流体隔室的组合。如上面针对图4和5所示的实施例所述，利用本发明的膜单元堆叠件布置1可以实现具有四种不同构造的流体隔室2，从而允许在膜单元堆叠件布置1中处理四种不同的流体。根据膜单元堆叠件布置1的结构，膜单元堆叠件布置1可选地包括例如多达四个流体隔室2的重复单元。
圆形壳体7的一个优点是它允许容易地制造膜单元堆叠件布置1，因为它可以由例如具有圆形横截面的管状材料制成，例如管。在进一步的实施例中，壳体7可包括圆形横截面中；椭圆形横截面；矩形横截面；多边形横截面(例如六边形、八边形、......)的一种。
本发明的膜单元堆叠件布置1通常包括如上所述的流体隔室2的堆叠布置，由插入在它们之间的膜分隔开的上部流体隔室2和下部流体隔室2'通常成对。上部流体隔室2可以用作离子浓缩隔室，下部流体隔室2'可以用作离子稀释隔室，反之亦然。
再一次，术语“上部”和“下部”可用于区分本发明中使用的两个相邻的流体隔室2，但应该清楚的是，上部和下部流体隔室2具有相似的几何形状并且可以互换。
此外，从上面参照图2至图5描述的示例性实施例可以推断，膜单元堆叠件布置1可以设置有具有相同的主流动方向10c、主流入方向10a和主流出方向10b的取向的一组流体隔室2，该组流体隔室2的流入通道2a和流出通道2b分别与输入通道5和输出通道6流体连通。也就是说，输入通道5和输出通道6可以共同耦合与例如离子浓缩隔室或离子稀释隔室相关的所有流体隔室2。在膜单元堆叠件布置1的实施例中，可以有利地获得流体隔室2的这种集合耦合，其中输入通道5和输出通道6平行于中心轴布置。例如，在壳体7包括细长管状壳体的情况下，细长管状壳体包围或环绕不同类型的成对的相邻流体隔室2的堆叠布置，然后输入通道5可以平行于中心轴定位在壳体7内部以用于流体地耦合一个或多个流入通道2a，并且输出通道6可以平行于中心轴定位在壳体7内部，用于流体地连接一个或多个流出通道2b，参见例如图4和5中所示的实施例。
在更通用的措辞中，根据本发明的实施例提供了一种膜单元堆叠件布置1，其包括具有中心轴的壳体7、膜堆叠件，每个膜包括主膜表面并被壳体7包围。主膜表面基本垂直于中心轴布置。膜单元堆叠件布置1还包括多个流体隔室2，每个流体隔室至少部分地插入两个相邻的膜之间，其中每个流体隔室2包括流入通道2a、流出通道2b和在流入通道和流出通道之间延伸的主流动通道2c。包括输入通道(5)和输出通道(6)的内部流体歧管系统设置成与多个流体隔室2的流入通道2a和流出通道2b的相应入口开口5a和出口开口6a连通。内部流体歧管系统可以设置在壳体7内部或作为壳体结构的一部分。此外，主流动通道2c具有主流动通道宽度wm、入口开口5a的宽度w1和出口开口6a的宽度w2，其中宽度(w1)和宽度(w2)大于主流动通道宽度wm的45％，优选大于主流动通道宽度wm的一半。该通用实施例可以与这里描述的任何其他实施例的特征组合。
在典型的实施例中，膜单元堆叠件布置1可包括两组、三组或甚至四组流体隔室2，它们是流体分离的，即这些组是流体分离的或不连接的。这些流体隔室组是流体不连接的，并且每个流体隔室都连接到分开的输入通道5、5'、5”、5”’和输出通道6、6'、6”、6”’。
本发明的实施例的膜单元堆叠件布置1的膜可包括具有矩形形状的活性区域。矩形形状可以对应于如图2至图5的实施例中所示的主流动通道2c的形状。在一个实施例中，膜的活性区域可以具有正方形形状。而且，在有利的实施例中，膜可以包括具有六边形形状的活性区域。例如，当具有并流或逆流实施例时，则还可以有效地使用流入通道2a和/或流出通道2b的区域进行离子交换。在该实施例中，参见图2、图4和图5，除了主流动通道2c的矩形区域之外，有效区域限定在流入和流出通道2a、2b的侧面和主流动通道2c的侧面之间。结果，获得了膜的六边形活性区域，在该区域上可以进行离子交换。
膜优选是离子交换膜，例如标准离子交换膜、单价离子交换膜、双极离子交换膜或离子选择性离子交换膜。膜单元堆叠件布置1可包括一种类型的离子交换膜或上述几种类型的组合。
膜可具有光滑表面或可具有异形表面，即纹理化表面轮廓。因此，在优选的实施方案中，至少一个膜的至少一个主膜表面包括纹理化表面轮廓。离子交换膜的一个或两个表面可具有肋和/或突起形式的轮廓，其高度在例如5和800μm之间，这取决于所需的功能。低高度的突起可以增强流过流体隔室2的流体的湍流。较高的突起可以有助于保持流体隔室2的膜分开，从而使得间隔件变得多余。合适的突起的实例包括圆锥、多角金字塔(例如三角锥形、正方锥形和六角锥形)、半球形、台面形(例如正方形、三角形和圆形台面)、圆顶、圆形截锥、截棱锥、菱形、短脊以及前述两种或更多种的组合。当在突起的底部测量时，优选的是平均长度(L)与平均宽度(W)之比为10:1至1:10的突起，更优选7:1至1:7，特别是5:1至1:5，更特别是2.5:1至1:2.5。出现这些偏好是因为使用上述L至W比率时通常可以获得比使用连续肋条时更好的对流和更低的阻塞问题，其中颗粒可以完全阻挡两个肋条之间的液体通过。优选地，纹理化表面轮廓包括至少80％(优选100％)的突起，突起在所有方向(长度、宽度和高度)上的最大尺寸小于20mm。优选地，纹理化表面轮廓包括在所有方向(长度、宽度和高度)上具有0.04至10mm，更优选0.05至6mm的最大尺寸的突起。优选地，纹理化表面轮廓包括彼此分开平均至少0.1mm的突起，更优选至少0.5mm，例如，为1、2、4、8或12mm。
在另一方面，本发明涉及一种制造膜单元堆叠件布置1的方法，例如，如上所述，包括以下步骤：
提供具有中心轴的壳体7；和
构建膜堆叠件，每个膜具有主膜表面并且被壳体7包围，主膜表面基本垂直于中心轴布置，其中膜单元堆叠件布置1还包括
多个流体隔室2，每个流体隔室至少部分地插入两个相邻的膜之间，其中每个流体隔室2包括流入通道2a、流出通道2b和在它们之间延伸的主流动通道2c，每个流入通道具有入口开口5a，并且每个流出通道具有出口开口6a，
流入通道2a、流出通道2b和主流动通道2c分别具有主流入方向10a、主流出方向10b和主流动方向10c，其中主流入方向10a和主流出方向10b在与主膜表面平行的平面中相对于主流动方向10c成相应的预定角度α、β，其中主流动通道具有主流动通道宽度(wm)，入口开口5a具有宽度(w1)，并且出口开口6a具有宽度(w2)，其中宽度(w1)和宽度(w2)各自大于主流动通道宽度(wm)的45％(更优选地大于50％)；
提供内部流体歧管系统；和
将膜堆叠件和流体歧管系统安装在壳体7中，使得内部流体歧管系统与多个流体隔室的流入通道和流出通道的相应入口开口和出口开口连通。
在一个有利的实施例中，构建膜堆叠件的步骤可包括将膜放置在壳体中，在膜的顶部放置间隔件或垫圈，并将膜放置在间隔件或垫圈的顶部，其中膜之一是阴离子交换膜，并且另一个是阳离子交换膜。
在另一个有利的实施例中，构建膜堆叠件的步骤可包括在壳体中放置第一膜，例如阳离子交换膜，以及在第一膜的顶部上放置第二膜，例如阴离子交换膜，其中两个膜沿特定侧面通过例如粘合剂或超声波焊接固定在一起。在该实施例中，流体隔室2的高度可以保持，例如通过将所需尺寸的颗粒包括在粘合剂中或通过提供具有所需高度的轮廓的表面的膜。在该实施例中，粘合剂形成流体隔室2的封闭边缘。
在更进一步有利的实施例中，构建膜堆叠件的步骤可以包括在壳体7外部构建如上所述的堆叠件，并且随后将堆叠件放置并固定在壳体7内。可以首先构建完整的堆叠件，并且随后放置和固定在壳体7中，或者可以构建两个或更多个堆叠件，并且随后将它们一个接一个地放置并固定在壳体7中。
膜单元堆叠件布置1非常适合于具有多于两组流体隔室的应用，即具有三个或四个流体隔室的重复单元，例如电渗析置换构造。这种构造包括：至少部分地由两个相邻膜限定的第一流体隔室，其中一个膜是标准阴离子交换膜，另一个膜是标准阳离子交换膜，共用标准阳离子交换膜并且进一步由单价阴离子交换膜限定的第二流体隔室，共享单价阴离子交换膜并由一价阳离子交换膜进一步限定的第三流体隔室，以及共用单价阳离子交换膜并且进一步由标准阴离子交换膜限定的第四流体隔室，标准阴离子交换膜部分地限定下一个重复单元的第一流体隔室。对于这四组隔室中的每一组，可获得流体分离(即不连接)的输入通道和输出通道。相邻流体隔室中的流动方向对于所有隔室可以是交叉流的，或者是交替的交叉流和并流或逆流的。第一和第三流体隔室优选是离子稀释隔室，第二和第四流体隔室优选是离子浓缩隔室，反之亦然。此外，膜单元堆叠件布置1非常适用于需要逆流的具有两组流体隔室的电渗析工艺，与现有布置相比，主要优点是低的压降和与较宽的流入和流出通道相关的均匀流动分布。
如上面参考各种示例性实施例所解释的，可以提供用于相邻流体隔室的并流、逆流或交叉流设置中的各种应用的膜单元堆叠件布置。这允许提供用于电渗析装置、反向电渗析(RED)装置和甚至其他替代方案的膜单元堆叠件布置。而且，不同的流体装置甚至可以在单个装置组合，使用适当的流入和流出连接以及歧管到各个流体隔室。
在应用中可以提到海水或微咸水的脱盐，一般工艺用水、来自石油和天然气工业的产出水、干酪乳清和糖浆的脱矿质，葡萄酒的酒石酸稳定化，果汁的酸化(去酸化)，工业和农业用水回收，酸回收，(表)盐生产和能源产生。
因此，本发明还提供电渗析装置和反向电渗析装置，其包括根据本发明第一方面的膜单元堆叠件布置，以及这种电渗析装置用于处理含水液体的用途以及这种反向电渗析装置用于发电的用途。
以上已经参考如附图中所示的多个示例性实施例描述了本发明实施例。一些部件或元件的修改和替代实施是可能的，并且包括在所附权利要求中限定的保护范围内。

Claims (21)

1.一种膜单元堆叠件布置，包括：
壳体（7），具有中心轴；
膜堆叠件，每个膜包括主膜表面并且被壳体（7）包围，所述主膜表面基本垂直于所述中心轴布置；
所述膜单元堆叠件布置（1）还包括多个流体隔室（2），每个流体隔室至少部分地插入两个相邻的膜之间，其中，每个流体隔室（2）包括流入通道（2a）、流出通道（2b）以及在所述流入通道和所述流出通道之间延伸的主流动通道（2c），
所述流入通道（2a）、所述流出通道（2b）和所述主流动通道（2c）分别具有主流入方向（10a）、主流出方向（10b）和主流动方向（10c），其中，所述主流入方向（10a）和所述主流出方向（10b）在与所述主膜表面平行的平面中相对于所述主流动方向（10c）以相应的预定角度α、β布置，所述预定角度α、β在100°和170°之间,
每个流入通道（2a）包括入口开口（5a），并且每个流出通道（2b）包括出口开口（6a），
所述膜单元堆叠件布置（1）还包括内部流体歧管系统，所述内部流体歧管系统与所述多个流体隔室（2）的流入通道（2a）和流出通道（2b）的相应的入口开口（5a）和出口开口（6a）连通，其中，所述主流动通道（2c）具有主流动通道宽度wm，所述入口开口（5a）具有宽度w1，所述出口开口（6a）具有宽度w2，其中，宽度w1、宽度w2和所述主流动通道宽度wm满足公式：w1/wm=1/(2sinα)，并且w2/wm=1/(2sinβ)。
2.根据权利要求1 所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述多个流体隔室（2）中的每一个包括封闭边缘，并且其中，所述主流入方向（10a）、所述主流出方向（10b）和所述主流动方向（10c）基本上分别平行于限定所述流入通道（2a）、所述流出通道（2b）和所述主流动通道（2c）的封闭边缘。
3.根据权利要求1 所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述多个流体隔室（2）中的每一个包括封闭边缘，并且如果流入通道（2a）或流出通道（2b）的两个封闭边缘相对于彼此成γ度的角，则通道的主流入方向（10a）或主流出方向（10b）相对于所述两个封闭边缘成1/2γ度的角。
4.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述主流入方向（10a）基本平行于所述主流出方向（10b）。
5.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述主流入方向（10a）与所述主流出方向（10b）成一角度。
6.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述膜中的至少一个包括纹理化表面轮廓。
7.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述膜是离子交换膜。
8.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，相邻流体隔室（2）的至少一部分的主流动方向（10c）处于逆流取向。
9.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，相邻流体隔室（2）的至少一部分的主流动方向（10c）处于交叉流取向。
10.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，相邻流体隔室（2）的至少一部分的主流动方向（10c）处于并流取向。
11.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述壳体（7）包括以下横截面的一种：圆形横截面；椭圆形横截面；矩形横截面；多边形横截面。
12.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，具有相同的主流动方向（10c）、主流入方向（10a）和主流出方向（10b）的取向的一组流体隔室（2）的流入通道（2a）和流出通道（2b）分别与输入通道（5）和输出通道（6）连通。
13.根据权利要求12所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述输入通道（5）和所述输出通道（6）平行于所述中心轴布置。
14.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述膜单元堆叠件布置（1）包括流体分离的两组、三组或四组流体隔室（2）。
15.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述膜包括矩形形状的活性区域。
16.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，所述膜包括六边形形状的活性区域。
17.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，流入通道和流出通道（2a、2b）中的一个或多个设置有导流元件（14）。
18.根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置，其中，每个流体隔室（2）包括至少四个直边和位于每两个相邻直边之间的角部凹槽（18）。
19.一种制造膜单元堆叠件布置的方法，包括以下步骤：
提供具有中心轴的壳体（7）；
构建膜堆叠件，每个膜具有主膜表面并且被壳体（7）包围，所述主膜表面基本垂直于所述中心轴布置，所述膜单元堆叠件布置（1）还包括：
多个流体隔室（2），每个流体隔室至少部分地插入两个相邻的膜之间，其中，每个流体隔室（2）包括流入通道（2a）、流出通道（2b）和在流入通道（2a）和流出通道（2b）之间延伸的主流动通道（2c），每个流入通道具有入口开口（5a），每个流出通道具有出口开口（6a），
流入通道（2a）、流出通道（2b）和主流动通道（2c）分别具有主流入方向（10a）、主流出方向（10b）和主流动方向（10c），其中，主流入方向（10a）和主流出方向（10b）在与所述主膜表面平行的平面中相对于主流动方向（10c）以预定角度α、β布置，所述预定角度α、β在100°和170°之间；
其中，所述主流动通道具有主流动通道宽度wm，入口开口（5a）具有宽度w1，出口开口（6a）具有宽度w2，其中，宽度w1、宽度w2和主流动通道宽度wm满足公式：w1/wm=1/(2sinα)，并且w2/wm=1/(2sinβ)；
提供内部流体歧管系统；和
将所述膜堆叠件和流体歧管系统安装在所述壳体中，使得内部流体歧管系统与多个流体隔室的流入通道和流出通道的相应的入口开口和出口开口连通。
20.一种电渗析装置，包括根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置。
21.一种反向电渗析装置，包括根据权利要求1所述的膜单元堆叠件布置。
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