CN110191752B - 包含弯曲通道的切向流分离元件 - Google Patents

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Abstract

本发明的主题涉及一种切向流分离元件，其包括单件式刚性多孔支撑构件(2)，在该支撑构件内具有至少一个通道(41)，用于使流体介质的循环被处理，该通道具有通过扫描沿着曲线路径围绕参考轴线的生成元截面限定的弯曲的循环体积(V1)；该参考轴线不穿过所述生成元截面并且该参考轴线被包含在多孔支撑构件的体积内。

Description

包含弯曲通道的切向流分离元件
技术领域
本发明涉及用于将待处理的流体介质分离成滤液和滞留物(retentate，渗余物)的横流(cross-flow，切向流)分离元件的技术领域，这些横流分离元件通常被称为滤膜。
更确切地说，本发明涉及用于这种分离元件的新型通道形状，其能够增加滤液的流动和/或用于降低使用这种分离元件的设施的能量消耗。
本发明还提供了一种通过添加技术来制造这种横流分离元件的方法。
背景技术
使用膜的分离方法用于多种行业，特别是在用于生产饮用水(potable water)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，其在传送力的作用下，允许待处理的流体介质的某些成分通过或被阻止。这些成分的尺寸相对于膜中的孔的尺寸(的大小)导致其通过或被阻止，因而膜类似于过滤器。根据孔尺寸的不同，这些技术被称为“微滤”、“超滤”、或“纳米过滤(纳滤)”。
存在具有不同的构造和质地(texture，结构)的膜。一般而言，膜被构建在多孔支撑体(载体)上，该支撑体为膜提供机械强度，并且通过限定通道的数量和形态确定膜的总过滤表面积。具体地，被称为“分离层”、“过滤层”、“分隔层”、“活性层”或“皮肤”的层在这些通道的内壁上进行分离。在分离期间，被过滤的流体的传送经过分离层进行，且随后该流体通过支撑体的多孔质地而散布开以便朝向多孔支撑体的周缘表面行进。用于处理的流体的已穿过分离层和多孔支撑体的部分被称为“渗透液”或“滤液”，其被围绕膜的收集室回收。其余的部分被称为“滞流物”，且其通常经由循环回路被再次注入到膜的上游的待处理流体中。
在传统方式中，当支撑体由陶瓷材料制成时，支撑体初始通过挤塑(挤出成型)而被制造成所需形状，然后在足以确保所需坚固性的温度和时间下烧结，同时在所得陶瓷中保留所需的开放和互连的多孔质地。该方法限于获得一个或多个直线通道，在该直线通道内沉积和烧结一个或多个分离层。支撑体传统上是管状的，具有一个或多个直线通道，所述直线通道与支撑体的中心轴线平行地布置。通常，通道的内表面是光滑的并且不存在任何不规则之处。
然而，已经观察到由具有这种形状的支撑体制成的滤膜面临着堵塞或“结垢”的问题，且因此呈现出在生产量方面受限的性能。具体地，小颗粒和大分子可以被吸附在分离层的表面上或者可以沉积在其上以形成凝胶或沉积物，并且它们甚至可以渗透到孔中并阻塞一些孔。
所有利用过滤元件的膜式分离、特别是横流分离均有赖于选择性传送的原理，其效率取决于膜(活性层)的选择性以及被视为一个整体(支撑体+活性层)的过滤元件的渗透性(流动)。选择性和渗透性并非仅由活性层和其支撑体的特性决定，这是因为选择性和渗透性会由于浓差极化、沉淀和/或被阻塞的孔所引起的堵塞现象而降低或受限。
在过滤操作期间当待处理的液体中存在的大分子在膜/溶液界面上变得浓密时，会发生浓差极化现象，此时大分子施加与分离力相反的渗透背压，或者在菲克定律的作用下散射回到待处理液体的中心。这种浓差极化现象的起因是由于溶剂的渗透而使残留的成分聚集在膜的附近。
当膜表面上的颗粒浓度增加到足以导致出现呈凝胶或粘性沉积物形式的凝聚相时，还会出现除了膜的流体阻力之外的流体阻力。
当尺寸小于或等于孔的尺寸的颗粒侵入时，孔被堵塞，从而减小过滤表面积。
堵塞及其可逆性或不可逆性是复杂的现象，并取决于过滤元件且特别是取决于分离层、以及用于处理的液体和操作参数。
堵塞是过滤的经济吸引力的主要阻碍，这是因为在设定过滤设施的尺寸时，其导致增加安装的表面积以满足待处理的体积的要求，并且还必须实施特定的技术手段例如使用洗涤剂的清洁循环或定期回洗以防止后期堵塞。
在现有技术中，已经为许多技术解决方案提出了如下建议：通过在过滤元件的通道内产生湍流状态来寻求减少堵塞现象从而增加滤液的流动。
在第一种类型的解决方案中，已经提出了管状过滤元件中的通道以接收螺旋件或螺旋体以产生湍流或涡流，如专利US 3648754或出版物“Reduction of membrane foulingusing a helical baffle for cross-flow microfiltration”(School of ChemicalEngineering,University Sains Malaysia-2003,A.L.Ahmad,A.Mariadas,M.M.D.Zulkali)中所教导的。插入通道中的螺旋件是一个单独的配件，需要被保持在适当的位置(通常在通道的入口处)。将这样的螺旋件插入每个通道并将其紧固到每个通道的入口变得难以实现。此外，螺旋件的直径适当地小于通道的直径，以使该螺旋件能够被插入(该通道中)，并且如有必要，还允许该螺旋件被引出。因此，间隙保持不变，允许螺旋件“浮动”并在通道中自由振动，并导致与活性层摩擦，从而不可逆地损坏活性层。另外，间隙的存在导致横向泄漏，这会使流体的螺旋流短路，从而降低螺旋件的有效性。
另一种类型的解决方案在于在通道的内壁中或内壁上形成凹口或凸起，从而在过滤表面附近对流体介质产生干扰，由此限制物质的积聚和堵塞。专利EP 0813445提出使每个通道在其壁中包括一个、两个或三个起始螺旋凹槽，该凹槽具有约为通道总截面的25％的横截面。申请FR 2736843教导了制造具有单个通道的多孔管，且该通道的壁具有凹口，而支撑体的周缘壁是光滑的。为此目的，多孔管通过挤压模具成形，该挤压模具包括布置在其轴线上的圆柱形销，模具的出口销或矩阵被安装成旋转的并且具有非圆形的截面。
在通道的内表面中形成凹槽或凹口不会引起所有流体介质遵循螺旋路径，从而限制了这种解决方案的优点。此外，用于制造这种分离元件的技术局限于某些类型的凹口，主要是从分离元件的一端到另一端连续的凹口，并且不会引起通道的贯穿部分的任何变化。此外，它不能转换为制造具有多个内部通道的分离元件。然而，由于多通道分离元件用于增加过滤表面积并因此改善性能，因此越来越需要多通道分离元件。
出于相同的目的，专利申请FR3 024665提出了一种用于将待处理的流体介质分离成滤液和滞留物的横流分离元件。该元件包括单件式刚性多孔支撑体，其具有至少一个通道，该通道使流体介质流过，以便在入口与出口之间进行处理。多孔支撑体具有外表面，用于回收已通过支撑体的滤液。
该文件提出对处在通道的内壁上的待过滤液体流制造障碍物，这些障碍物呈现材料的连续性和具有支撑体的多孔质地。根据专利申请FR3024664，至少一个通道具有障碍物，该障碍物特别地以螺旋件形式布置在支撑体的内壁上。这些障碍物阻碍或妨碍流体的流动，流体必须绕过它们，从而产生有助于减少堵塞的湍流，但是，尽管如此，仍然具有在每个障碍物的紧邻下游同时产生速度几乎为零的不起作用的区域的主要缺点。
另一种类型的解决方案涉及产生迪恩涡流(Dean vortex)以减少堵塞并增加有机超滤膜中渗透液的流动。因此，出版物“Developing lengths in woven and helicaltubes with Dean vortices flows”(Engineering Applications of ComputationalFluid Mechanics,Vol.3,No.1,pp.123-134(2009),F.Springer,E.Carretier,D.Veyret,P.Moulin)给出了迪恩涡流外观和速度增加进行了数字模拟的理论处理，上述速度增加局部诱导螺旋形弯曲的圆形截面的有机中空纤维，同时仍然存在所述圆形截面的直径被限制在最大2毫米(mm)的主要缺点。另外，如该出版物中所述的用于弯曲有机纤维的技术引起了节距(pitch)与盘旋数(turns)之间的依赖性。
发明内容
在本文中，本发明提出提供新颖的刚性过滤元件，其呈现单通道或多通道结构，且上述通道结构的形状适于增加滤液流动并减少使用这种分离元件的设施中的能量消耗。
为了实现该目的，本发明提供了一种用于将待处理的流体介质分离成滤液和滞留物的横流分离元件，所述分离元件包括单件式刚性多孔支撑体，单件式刚性多孔支撑体在其体积内布置有至少一个通道用于使待处理的流体介质的流过待处理的流体介质的入口和用于滞留物的出口之间，单件式刚性多孔支撑体具有用于回收已经通过所述支撑体的滤液的外表面。根据本发明，至少一个通道在入口与出口之间存在弯曲流动体积，弯曲流动体积通过沿着围绕参考轴线的曲线路径扫过生成元(generator)平截面而限定，并且参考轴线不与所述生成元截面相交并且包含在多孔支撑体的体积内。
分离元件还包括以下附加特征中的一个和/或多个：
-至少一个通道的弯曲流动体积在入口与出口之间的仅其长度的一部分上限定或在从其入口到其出口的其整个长度上限定；
-单件式刚性多孔支撑体具有用于流体介质的多个流动通道，这些流动通道被布置在所述支撑体内；
-至少一个通道具有恒定或可变的面积的生成元截面；
-至少一个通道具有恒定或可变的形状的生成元截面；
-至少一个通道的生成元截面与参考轴线间隔开恒定的距离；
-至少一个通道的生成元截面与参考轴线间隔开可变的距离；
-参考轴线与至少一个通道的生成元截面相切；
-一系列的多个通道，多个通道呈现与参考轴线间隔开距离R的生成元截面，距离R适于确保它们通过分离隔板彼此分开；
-至少一个通道的生成元截面遵循一路径，该路径由恒定或可变方向的平移运动结合在入口和出口之间截取的至少一部分上的以在左旋(left-handed，左手的)或右旋(right-handed，右手的)方向上的恒定或可变的节距围绕从参考轴线旋转运动产生；
-路径具有在0.1mm至250mm范围内的节距p，并且曲线路径与参考轴线之间的距离在0.1mm至100mm的范围内；
-在入口和出口之间的至少一部分上截取的至少一个通道的生成元截面遵循螺旋路径；
-从入口到出口的有限部分上截取的至少一个通道的生成元截面遵循平行于参考轴线的平移移动所产生的路径；
-至少一个通道具有垂直于参考轴线或与参考轴线平行延伸的生成元截面；
-多孔支撑体由从以下材料中选择的材料制成：诸如聚酰胺、聚醚酮、聚苯乙烯、铝化物、聚苯砜、氟化热塑性弹性体、聚丙烯、聚乙烯、环氧树脂、丙烯酸酯、丙烯腈丁二烯、苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、尼龙、聚醚酰亚胺、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚乳酸、聚氯乙烯及其混合物的有机材料；诸如氧化铝、氧化钛、氧化锆、钛酸铝、氮化铝、氮化钛、氮化硼、氮化硅、硅铝氧氮聚合材料、石墨碳、碳化硅、碳化钨及其混合物的无机材料；诸如铝、铝合金、钴和铬合金、镍合金、镍和铬合金、钢和不锈钢、钛、钛合金、铜和锡合金、铜、锡和铝的合金、铜和锌的合金、以及它们的混合物的金属材料；
-该横流分离元件包括多孔支撑体和连续沉积在每个通道的内壁上的至少一个分离层，每个分离层由选自氧化铝、氧化钛、氧化锆、钛酸铝、氮化铝、氮化钛、氮化硼、氮化硅、硅铝氧氮聚合材料、石墨碳、碳化硅、碳化钨及其混合物、氮化钛、氮化铝、氮化硼、碳化硅、可选的与另一种陶瓷材料混合的陶瓷制成；
-通道具有在0.5mm至20mm范围内的水力直径；
-每个通道具有恒定或可变的水力直径；
-支撑体的平均孔径在4微米(μm)至100μm的范围内；
-平均孔径对应于体积分布的d50值，其中孔的总体积的50％对应于直径小于d50值的孔的体积，通过压泵获得体积分布，例如使用ISO标准15901-1：2005中描述的技术。
本发明还提供一种制造横流分离元件的新颖的方法，其中，通过形成被叠置的单个层，将这些叠置的单个层相继地彼此粘合以便逐渐地生长支撑体的三维形状来制成支撑体，根据本发明的至少一个弯曲通道被布置在支撑体的三维形状内。
另外，本发明的方法包括通过添加技术制造支撑体，其中，通过使用计算机辅助设计软件，将支撑体的形状细分为切片，这些切片通过重复以下两个步骤、以连续地被叠置和粘合到一起的单个层的形式一个接一个地制成：沉积用于形成支撑体的粉末材料床，床是连续的、均匀的、并且具有恒定的厚度，并且在所述层的高度上，覆盖大于所述多孔体的待形成截面的区域；根据为每个层确定的图案以局部方式固结一部分沉积材料，以便形成单独层；这两个步骤以这样的方式重复，以确保在每次重复时以这种方式形成的单独层同时与先前形成的层粘合，从而使支撑体的形状逐渐增长。
附图说明
通过以下参照附图的描述可显现其它多种特征，这些附图示出作为非限制性示例的本发明的多个实施例。
图1A是示出根据本发明的分离元件的第一实施例的端视图。
图1B是图1A中所示的分离元件的立体图。
图1C是图1A的C-C线上的分离元件的纵截面。
图1D是立体图，示出了用于构造被布置在图1B所示的分离元件中的弯曲通道的路径。
图2A示出了如何为根据本发明的分离元件的通道构造弯曲流动体积。
图2B是根据本发明的弯曲流动体积的立体图，示出了标记为F1至F5并在别处描述的实施例的各种可能的形状。
图3A示出了构造的根据本发明弯曲流动体积的示例，其中包含相对于参考轴线倾斜90°的用于产生体积的平截面的平面。
图3B示出了使用图3A中所示的构造技术获得的根据本发明的弯曲流动体积。
图4A示出了构造根据本发明的弯曲流动体积的示例，其中包含用于产生容积的截面的平面也包含参考轴线。
图4B示出了根据本发明的弯曲流动体积，其通过图4A中所示的构造技术获得。
图5A示出了根据本发明的弯曲流体积的构造的更一般的示例，其中包含产生平截面的平面具有在0°和90°之间(边界被排除在外)的相对于参考轴线的倾斜角度。
图5B示出了使用图5A中所示的构造技术获得的根据本发明的弯曲流动体积。
图6是示出制造根据本发明的弯曲流动体积的示例的立体图，其中产生平截面和参考轴线之间的距离是使得参考轴线与产生截面相切。
图7是示出制造根据本发明的弯曲流动体积的示例的立体图，其中产生平截面与参考轴线之间的距离变化。
图8是示出制造根据本发明的弯曲流动体积的一个示例的立体图，其中产生平截面与参考轴线之间的距离是恒定的，同时节距也是恒定的，参考轴线是曲线的。
图9A是示出制造根据本发明的弯曲流动体积的示例的立体图，其中左旋路径通过平行于参考轴线的直线路径连接到右旋路径。
图9B是示出根据图9A的弯曲流动体积实施例的横截面视图。
图10A是表示根据本发明的弯曲流动体积的一个实施例的立体图，其中产生截面的形状是变化的。
图10B是包含参考轴线的纵向截平面的视图，示出了根据图10A的弯曲流动体积的实施例。
图11A是示出了根据本发明的弯曲流动体积的一个实施例的立体图，其中产生截面的面积变化。
图11B是包含参考轴线的纵向截平面的视图，示出了根据图11A的弯曲流动体积的实施例。
图12A是示出了根据本发明的弯曲流动体积的一部分的立体图，其中左旋路径的区段直接与右旋路径的区段交替。
图12B是示出根据图12A的弯曲流动体积的实施例的立体图。
图13A是根据本发明的设有一对通道的支撑体的端视图。
图13B是示出了根据本发明的、如图13A所示的具有一对通道的支撑体的立体图。
图13C是图13A的线C-C上的支撑体的纵截面视图。
图13D是分别示出了根据本发明的用于图13A至图13C中所示的两个通道中的每个通道的弯曲流动体积V1和V2的立体图。
图13E是分别示出了根据本发明的用于图13A至图13D所示的两个通道中的每个通道的弯曲流动体积V1和V2的路径H1和H2的立体图。
图14A是设置有重复七次的通道对的支撑体的端视图，每对通道符合图13A至图13E。
图14B是示出了在单个支撑体内重复七次的如图13A至图13E所示的根据本发明的弯曲流动体积的立体图。
图15A是设置有由三类通道构成的二十三个通道的支撑体的端视图。
图15B是图15A的线B-B上的支撑体的纵截面。
图15C是示出图15A中所示的中心通道的流动体积的立体图。
图15D是示出了根据本发明的用于属于中间类别的六个通道之一的弯曲流动体积的立体图。
图15E是示出了根据本发明的用于属于中间类别并围绕中心通道的六个通道的弯曲流动体积的立体图。
图15F是示出了根据本发明的用于属于外围类别的十六个通道之一的弯曲流动体积的立体图。
图15G是示出了根据本发明的用于围绕中间类别的通道的十六个外围通道之一的弯曲流动体积的立体图。
图15H是立体图，示出了在单个支撑体内，根据本发明的用于围绕一中心通道的如图15D至15G所示的二十二个通道的弯曲流动体积。
具体实施方式
首先，下面给出在本发明的上下文中使用的术语的一些定义。
术语“平均粒径”用于表示体积分布(volume distribution，容量分布)的d50值，在该体积分布中，50％的颗粒的总体积对应于直径小于该d50值的颗粒的体积。该体积分布是表示以颗粒体积频率作为颗粒直径的函数的曲线(分析函数)。该d50值对应于将通过激光衍射粒径测量获得的频率曲线下方的区域分成两个相等部分的中值，其是在本发明的上下文中用于测量平均粒径的参考技术。对于测量d50的技术，可具体参考以下内容：
·ISO标准13320：2009，用于激光粒径测量技术；
·ISO标准14488：2007，用于对所分析的粉末进行取样的技术；以及
·ISO标准14887：2000，用于在通过激光粒径测量进行测量之前将粉末样品可再现地分散在液体中。
术语“平均孔径”用于表示体积分布的d50值，其中孔的总体积的50％对应于直径小于该d50值的孔的体积。该体积分布是表示以孔体积频率作为孔的直径的函数的曲线(分析函数)。该d50值对应于将频率曲线下方的区域分成两个相等部分的中值，对于几纳米(nm)的数量级的平均直径，该频率曲线是通过压汞(mercury penetration，汞渗透)获得，或者对于较小孔径，通过吸附气体，特别是吸附N2(来得到频率曲线)，这两种技术在本发明的上下文中用作参考，以供测量平均孔径。
特别地，可以使用以下文中描述的技术：
·ISO标准15901-1：2005，用于通过压汞进行测量的技术；以及
·ISO标准15901-2：2006和15901-3：2007，涉及气体吸附测量技术。
本发明提出了用于将待处理的流体介质分离成滤液和滞留物的横流分离元件，其包括多孔单件支撑体，所述多孔单件支撑体设置有一个或多个形状通道，该通道被选择为沿着对于主要部分或者对于所有待过滤的流体而言弯曲的、蜿蜒的并且有利地是螺旋形的路径以供流动，任何剩余的流体可能在一个或多个不弯曲的通道中流动。
用于待过滤流体的一个或多个流动通道被布置在多孔支撑体中。这些流动通道中的每一个都具有入口和出口。通常，流动通道的入口被放置在支撑体的一个端部处，该端部用作待处理的流体介质的入口区域；并且出口被放置在支撑体的另一端部处，用作用于滞留物的出口区域。
在这种分离元件中，构成支撑体的本体呈现多孔的质地。这种多孔质地的特征在于由通过压泵孔隙率测定法测量的孔的分布推导出的平均孔径。通常，多孔支撑体的平均孔径在4μm至100μm的范围内。
支撑体的多孔质地是开放的并形成互连孔的阵列，从而使得通过过滤分离层过滤出的流体能够通过多孔支撑体并在周缘处被回收。实践中测量支撑体对水的渗透性，以便指定支撑体的流体阻力。具体地，在多孔介质中，不可压缩粘性流体的稳定流动受达西定律控制。孔中的流体(渗透液)的速度与压力梯度成比例并且与流体的动态粘度成反比，其与被称为“渗透性”的特征参数相关，该特征参数可以通过应用1996年12月法国标准NF X45101的方式来测量。
因此，渗透液从多孔支撑体的周缘表面被回收。通道的壁被至少一个过滤分离层连续地覆盖，该过滤分离层用于过滤流体介质以进行处理。根据定义，过滤分离层的平均孔径必须小于支撑体的平均孔径。分离层限定了横流分离元件的表面，该表面与用于处理的流体接触并且用于处理的流体沿着该表面流动。
过滤分离层的厚度通常在1μm至100μm的范围内。当然，为了实现其分离功能，并且为了用作活性层，每个分离层的平均孔径小于支撑体的平均孔径。通常，过滤分离层的平均孔径小于支撑体的平均孔径至少3倍，优选地至少5倍。
微滤、超滤和纳滤分离层的概念是本领域技术人员所公知的。通常认为：
-微滤分离层的平均孔径在0.1μm至10μm的范围内；
-超滤分离层的平均孔径在10nm至0.1μm的范围内；以及
-纳滤分离层的平均孔径在0.5nm至10nm的范围内。
这种被称为“活性”层的微滤层或超滤层能够直接沉积在多孔支撑体上，或者沉积在具有较小平均孔径的中间层上，该中间层本身直接沉积在多孔支撑体上。
举例来说，分离层可以由选自氧化物、氮化物、碳化物或其它陶瓷材料及其混合物的陶瓷构成，特别是由选自钛氧化物、氧化铝、氧化锆或其混合物、氮化钛、铝氮化物、氮化硼、碳化硅、可能与其它陶瓷材料混合的陶瓷构成。
举例来说，分离层也可以由一种或多种聚合物构成，上述聚合物例如聚丙烯腈(PAN)、聚苯乙烯(PS)、聚苯乙烯磺酸盐(PSS)、聚醚砜(PES)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、醋酸纤维素、或其它聚合物。
图1A至图1D示出了根据本发明的横流分离元件1的第一实施例，其包括多孔支撑体2，该多孔支撑体被制成细长形状，使得多孔支撑体可以说是“直线”型的。图1A至图1D所示的多孔支撑体2具有圆形的正横截面，因此具有圆柱形的外表面3，然而该正横截面可以是任意的或多边形的。在本发明特征的优选实施例中，支撑体的外表面或周缘表面3呈现恒定的轮廓。换言之，除了由于材料固有的表面粗糙度以及由于所使用的成形方法，外表面3不存在任何表面不规则性。因此，外表面3不具有任何变形或凹口。
多孔支撑体2包括至少一个流动通道，并且通常包括多个用于使流体介质通过的流动通道4i(符号i以一般方式被用来表示支撑体的一些特征，并且此符号可以根据实施例中描述的特征数量取值1、2、3……)，每个流动通道被布置在多孔支撑体2内。
在图1A至图1D所示的第一实施例中，多孔支撑体2具有单个通道41，而在图13A所示的第二实施例中，它具有两个通道41和42。在图14A所示的第三实施例中，多孔支撑体2具有十四个通道，而在图15A所示的第四实施例中，多孔支撑体2具有二十三个通道，这二十三个通道被布置在三类通道41、42和43中。
每个通道4i对应于多孔支撑体2的一区域，该区域不包括多孔材料并且通过壁5而被限定在多孔支撑体内部，该壁5具有被至少一个分离层覆盖的表面，用于与在通道内流动的待处理的流体介质接触。一部分流体介质通过沉积在多孔支撑体2的壁5上的分离层，使得对应量的被处理的流体(被称为“渗透液”)流过多孔支撑体的外表面3。待处理的流体介质在由箭头f表示的流动方向上在入口6与出口7之间的通道中流动。入口6位于多孔支撑体的一端处，出口7位于多孔支撑体的另一端处。
根据本发明，多孔支撑体2包括至少一个通道4i，通道的形状适于增加滤液的通过量。该形状事实上限定如下：每个通道4i在入口6和出口7之间呈现至少一个弯曲流动体积Vi，该体积通过沿着围绕参考轴线Ai的曲线路径Hi扫过生成元截面Si来限定，生成元截面Si位于被称为“参考”平面的平面P中。此外，参考轴线Ai不与所述生成元截面Si相交并且被包含在多孔支撑体2的体积内。
应该理解的是，根据本发明的通道4i具有至少一个如上所述的弯曲流动体积Vi。当然，该弯曲流动体积Vi对应于多孔支撑体2的不包括任何多孔材料的区域，并且该区域由通道的多个壁限定。应该观察到，多孔支撑体2在位于其外表面3与所截取的通道的壁5之间的平面P中呈现出变化的厚度。
根据本发明的这种弯曲流动体积Vi被限定在入口6与出口7之间。该弯曲流动体积Vi可以仅存在于入口6与出口7之间所截取的通道的长度的一小部分上，或者在其入口与其出口之间的所截取的通道的整个长度上。当然，多孔支撑体2可以包括待处理的流体介质的至少一个流动通道，该流动通道不包括根据本发明的弯曲流动体积Vi。
在图2A中特别清楚地示出了构造根据本发明的呈现流动体积Vi的弯曲通道的一般原理。用于构造弯曲通道的一般原理在于，使平面生成元截面Si遵循曲线路径Hi，而曲线路径是通过属于平面生成元截面、并位于距离参考轴线Ai一定距离R处的点M的运动，而在流动体积Vi的两端之间被构造出来的。该点M围绕参考轴线Ai进行旋转运动，并且该点M同时沿着该参考轴线进行平移运动。旋转可以是恒定的或可变的。同样，平移运动可以是恒定的或可变的。距离R也可以是恒定的或可变的。点M是位于参考平面P中的生成元截面Si的任何点。因此，流动体积Vi的曲线路径Hi确实赋予通道弯曲性质，至少在该流动体积的长度上赋予通道弯曲性质。
从以上描述可以看出，通道的弯曲流动体积Vi可以呈现非常多种几何特征。如图2B所示，参考轴线Ai可以呈直线状和/或没有任何尖头的弯曲状。参考轴线Ai可以沿着弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度呈直线状。同样地，参考轴线Ai可以在弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度上弯曲。该参考轴线Ai不与生成元截面Si相交，即它总是位于弯曲流动体积Vi之外。因此，该参考轴线Ai可以与生成元截面Si相切，或者它可以与其间隔开确定的距离，该距离可以是可变的或恒定的。
由于弯曲通道必须被包含在多孔支撑体2的体积内，因此出现了以下结果：曲线路径Hi和参考轴线Ai本身必须被包含在多孔支撑体2的体积内。
曲线路径Hi可以根据距离R的值以及旋转和平移方面的同时移动而呈现各种各样的几何特征。
弯曲通道的形态取决于参考轴线Ai、曲线路径Hi，还取决于尺寸和生成元截面Si的形状以及生成元截面Si相对于曲线路径Hi的位置和相对于参考轴线Ai的位置。更确切地说，图3A和图3B示出了以下情况，其中包含在垂直于直线参考轴线Ai的平面中的圆形截面Si遵循围绕参考轴线Ai的螺旋路径Hi。在该示例中，包含圆形截面Si的参考平面P垂直于直线参考轴线Ai。将圆形截面Si围绕直线参考轴线Ai的旋转与圆形截面Si沿着直线参考轴线Ai的平移移动结合，能够获得弯曲通道，对于该弯曲通道来说，所得到的螺旋形几何形状借助术语“所罗门(Solomonic)”柱或“麦芽糖(barley-sugar)”柱是已知的。图3A和图3B仅通过图示的方式示出了两个圆形截面S1和S2，每个圆形截面被包含在垂直于直线参考轴线Ai的相应平面P1、P2中。
图4A和图4B示出了如下情况，其中圆形截面Si被包含在参考平面中，参考平面还包含直线参考轴线Ai，圆形截面Si遵循围绕参考轴线Ai的螺旋路径Hi。在该示例中，包含圆形截面Si的参考平面P平行于直线参考轴线Ai。围绕直线参考轴线Ai旋转圆形截面Si同时还沿着直线参考轴线Ai移动圆形截面Si，用于获得弯曲通道，所产生的螺旋梯状被称为“圣吉尔式螺旋(screw of Saint-Gilles)”。图4A和图4B仅通过图示的方式示出了两个圆形截面S1和S2，每个圆形截面被包含在平行于直线参考轴线Ai的相应平面P1、P2中。
图5A和图5B示出了更一般的中间情况，其中包含在平面中的圆形截面Si呈现相对于直线参考轴线Ai在0°至90°之间的倾斜角度，该直线参考轴线遵循围绕参考轴线Ai的螺旋路径Hi。围绕直线参考轴线Ai旋转圆形截面Si同时沿直线参考轴线Ai平移移动圆形截面Si，用于获得弯曲通道，所得到的线圈几何形状被称为“蛇形”。通常是在将管缠绕在圆筒上时获得的几何形状。图5A和图5B仅通过图示的方式示出了两个圆形截面S1和S2，每个圆形截面包含在相对于直线参考轴线Ai倾斜的相应平面P1、P2中。
下面的表1总结了这三个示例的特征：
Figure BDA0002102272920000141
通常，节距p或生成元截面Si围绕参考轴线Ai的旋转值可以采用不同的值。对于螺旋路径Hi，生成元截面Si围绕参考轴线Ai的旋转值等于2π弧度的倍数(对于具有多个盘旋的螺旋件)或者等于2π弧度的分数(对于盘旋数小于一个的螺旋件)。
从图3A-图3B、图4A-图4B和图5A-图5B可以看出，在这三个示例中示出的曲线路径Hi具有恒定的节距值p。当然，曲线路径Hi可以具有可变的节距值p，因为它取决于旋转和平移运动的值。
曲线路径Hi具有在弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度上恒定的节距p，或者具有沿着弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度上可变的节距p。
在图2B中，区段F2具体示出了不可变的节距p的情况，而区段F3具体示出了可变的节距p的情况。
应该观察到，图2B示出了根据本发明限定弯曲通道所涉及的各种其它参数。因此，区段F4具体地示出了由直通道部分Tr分开的左旋和右旋之间的交替，并且区段F5特别地示出了具有可变形态的截面Si的情况，而区段F1具体示出了可变距离R的情况。
参考轴线Ai可以与曲线路径Hi隔开距离R，该距离R在弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度上不可变(图3A-图3B、图4A-图4B和图5A-图5B)，或者在弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度上变化的距离，如图7所示，其中距离R有规律地变化，然而它也可以自然地以不规则的方式变化。在该示例中，通道遵循螺旋-螺旋路径。
应该回顾一下，距离R可以使得参考轴线Ai与生成元截面Si相切。尽管在图1A至图1D所示的示例中，参考轴线Ai与生成元截面S1间隔开，但是可以设想生成元截面S1与参考轴线A1相切，如图6的示例所示，该参考轴线A1也是多孔支撑体的纵向对称轴线。
应该观察到，图6示出了特定情况，其中包含用于产生体积的平截面Si(在该示例中为三角形)的平面相对于切向参考轴线Ai倾斜90°(在该示例中三角形顶点之一)到所述三角形生成元平截面。该图示出了如下情况，其中被包含在垂直于直线参考轴线Ai的平面Pi中的三角形平截面Si遵循围绕与所述三角形生成元平截面相切的参考轴线Ai的螺旋路径Hi。三角形截面围绕直线参考轴线Ai(其在该示例中在一点处接触)的旋转与沿着直线参考轴线Ai平移的该三角形截面Si的移动相结合，用于获得呈现几何形状的弯曲通道，该几何形状被称为“阿基米德螺旋”。应当观察到，在包含用于产生体积的平截面的平面平行于在一个或多个点处与所述生成元平截面相切的参考轴线Ai的特殊情况下，以及在包含用于产生体积的平截面的平面相对于在一点处与所述生成元平截面相切的参考轴线Ai倾斜任意角度的更一般的情况下，弯曲通道获得也被称为“阿基米德螺旋”的几何形状。
当节距p和距离R同时恒定时，曲线路径Hi被称为螺旋形(图3B、图4B、图5B)。该曲线路径Hi可以在逆时针方向(右旋)和/或相反方向(左旋)上在弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度上围绕参考轴线Ai盘旋。因此，曲线路径Hi可以在单个方向上建立，或者它可以沿着可以被选择为具有相同或不同长度的区段的两个相反方向交替。
在图8所示的示例中，生成元截面沿右旋方向遵循螺旋路径Hi，该螺旋路径具有围绕曲线参考轴线Ai的恒定节距p。
在图9A-图9B所示的示例中，左旋路径H1通过平行于参考轴线Ai的直线路径Tr连接到右旋路径H2，而在图10A和10B所示的示例中，路径H1是左旋的并且直接连接到左旋路径H2。
有利地，例如，曲线路径Hi在可以具有相同长度的区段上在右旋和左旋之间交替(图12A-图12B)。
该弯曲流动体积Vi的生成元截面Si可以呈现任何类型的轮廓。
生成元截面Si的形态或形状沿着弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度可以是恒定的，或者该生成元截面的形态或形状可以沿着弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度变化。作为非限制性示例，用于该流动体积的生成元截面Si的形态可以是多边形、圆形、半圆形或椭圆形。图10A-图10B示出了生成元截面Si的形态变化的情况。
生成元截面Si的面积沿着弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度可以是恒定的，或者生成元截面的面积可以沿着弯曲流动体积Vi的全部或一部分长度是变化的。图11A-图11B示出了生成元截面Si的面积变化的情况。
上述图中所示的示例弯曲体积的特征总结在下面的表2中：
Figure BDA0002102272920000161
Figure BDA0002102272920000171
下面的描述给出多孔支撑体2的优选但非限制性的实施例，所述多孔支撑体包括具有根据本发明的弯曲流体积Vi的通道4i。
在图1A至图1D所示的示例中，生成元截面S1是盘的一部分，并且参考轴线A1是与多孔支撑体的纵向对称轴线重合的直线。曲线支撑体H1是螺旋形的，即曲线路径H1与参考轴线A1之间的距离R是恒定的，因此螺旋节距p也是恒定的。参考轴线A1不通过生成元截面S1，在所示的示例中，生成元截面S1位于距轴线一定距离处。当然，生成元截面S1可以与参考轴线A1相切。
通道41的弯曲流动体积V1沿着通道长度的仅一部分，在通道的入口6和出口7之间延伸。从图1B中可以更清楚地看出，通道的弯曲流动体积V1被布置在多孔支撑体2的长度L上，该长度L短于多孔支撑体的总长度。
根据有利的实施例特征，相对于入口6与出口7在有限部分上取得的生成元截面S1遵循由平行于参考轴线A1的平移运动产生的路径。从入口6和出口7离开，通道41因此具有平行于参考轴线A1并且与通道的弯曲流动体积V1连通的相应的直线入口和出口流动体积Ve和Vs。因此，在其入口6和出口7之间，通道41具有入口流动体积Ve、弯曲流动体积V1和出口流动体积Vs。
在图13A至图13E所示的示例中，多孔支撑体2具有管式形状和圆形截面，并且它包括两个通道41和42。这两个通道呈现生成元截面S1和S2，这些生成元截面通过分离隔板11而彼此分开。这些生成元截面S1和S2呈现出与具有同样相同的面积的盘部分相同的形状。
每个通道41和42呈现沿着螺旋曲线路径H1、H2延伸的弯曲流动体积V1、V2，其围绕参考轴线A1、A2盘旋。呈现相同恒定节距的曲线路径H1、H2彼此平行。参考轴线A1和A2沿着共同的直线(有利地对应于多孔支撑体的纵向对称轴线)重合。每个曲线路径H1、H2与参考轴线A1、A2间隔开相同的恒定距离R，使得通道相对于共同参考轴线对称地延伸并且彼此嵌套。
在图13A至图13E所示的示例中，两个通道具有平行的路径，但是很清楚，可以提供一系列的多个(多于两个)通道，这些通道中路径是平行的或者实际上不平行的。如果不平行，则这些通道自然地还存在与参考轴线Ai以距离R间隔开的生成元截面，距离R适于通过分离隔板11来确保这些通道彼此分离。
以类似于图1A至图1D所示实施例的方式，通道的弯曲流动体积V1、V2仅在通道长度的一小部分上在通道的入口6与出口7之间延伸。因此，每个通道41和42分别从其入口6到其出口7呈现直线路径的入口流动体积Ve、其弯曲流动体积V1、V2和直线路径的出口流动体积Vs，应理解的是，在本发明中，并没有采用特定的流动方向，并且入口和出口同样可以互换。
在图13A至图13E所示的示例中，多孔支撑体2具有两个通道41和42，然而清楚的是，多孔支撑体可以具有更多数量的通道，这些通道被布置成可选地对称地围绕可选的共同参考轴线，这些通道通过分离隔板彼此分开。
应该观察到，通道41和42的这种嵌套结构可以如图14A和图14B所示的示例那样被复制，其中多孔支撑体2具有一系列七个结构，每个结构包括两个通道41和42，如图13A至图13E所描绘的。在图14A和图14B所示的该实施例中，多孔支撑体2因此具有十四个通道，但显然可以规定多孔支撑体具有某些其它数量的通道。
在图15A至图15H所示的实施例中，多孔支撑体2具有二十三个通道4，这些通道被细分为三个类别，这三个类别的通道从多孔支撑体的中心到周缘同心地排列。在该实施例中，多孔支撑体2是管状的并且截面是圆形，并且在第一类别中它具有中心通道41，该中心通道是直线型并且以多孔支撑体2的纵向对称轴线A1为中心。该中心通道41具有根据本发明的不具有弯曲特性的流动体积V1(图15C)。
在被称为中间类别的第二类别中，多孔支撑体2具有一系列六个通道42，这些通道被布置在以多孔支撑体2的纵向对称轴线A1为中心的环中。通道42呈现形状和面积相同的生成元截面S2。在该示例中，每个生成元截面S2呈现非圆形的一般形状。每个通道42呈现沿着恒定节距和恒定距离R的螺旋曲线路径H2延伸的弯曲流动体积V2，曲线路径H2围绕对应于纵向对称轴线A1的参考轴线盘旋(图15D)。
每个弯曲流动体积V2位于围绕中心通道41的一定距离处。如图15E所示，中间类别中的通道组42的弯曲流动体积V2沿着具有相同节距和相同距离R的螺旋曲线路径H2延伸，该螺旋曲线路径围绕对应于纵向对称轴线A1的参考轴线。六个通道42相对于共同参考轴线A1对称地延伸，并且它们彼此嵌套。
以类似于图1A至图1D所示实施例的方式，通道的弯曲流动体积V2在通道的入口6与出口7之间延伸超过通道长度的仅一部分。因此，中间类别中的每个通道42在其入口6和其出口7之间呈现遵循直线路径的入口流动体积Ve、弯曲流动体积V2和遵循直线路径的出口流动体积Vs.
在被称为“周缘”的第三类别中，多孔支撑体2具有一系列十六个通道43，这些通道被布置在以多孔支撑体2的纵向对称轴线A1为中心并且围绕第二类别环形通道42同心地延伸的环中。该第三类别中的通道43呈现出形状和面积相同的生成元截面S3。在该示例中，每个生成元截面S3通常为等腰梯形的形状。每个通道43呈现沿螺旋路径H3延伸的弯曲流动体积V3，且该曲线路径H3围绕对应于纵向对称轴线A1的参考轴线盘旋(图15F)。每个弯曲流动体积V3位于第二类通道42周围的一距离处。从图15G中可以看出，第三类别通道43的弯曲流动体积V3沿着螺旋曲线路径H3延伸，该螺旋曲线路径的节距和回转半径相对于对应于纵向对称轴线A1的参考轴线相同。十六个通道43相对于共同参考轴线A1对称地延伸，并且它们彼此嵌套。
以与图1A至图1D所示的示例类似的方式，每个通道的弯曲流动体积V3在通道的入口6和出口7之间延伸超过通道长度的仅一部分。因此，周缘类别中的每个通道43分别在其入口6和其出口7之间呈现遵循直线路径的入口流动体积Ve、弯曲流动体积V3和遵循直线路径的出口流动体积Vs。
图15H示出了多孔支撑体2，其中布置有三个类别的通道41、42和43，并且呈现如图15C至图15G所示的弯曲流动体积。当然，本发明可以用多孔支撑体实现，该多孔支撑体具有分布在一些其它数量的类别中的一些其它数量的通道。
应用于图13A至图13E中所示的实施例的计算流体动力学(CFD)类型的数字模拟在与具有相同水力直径的直通道相比时在性能和能量消耗方面已经给出了如下结果。这些是使用基于实验测量结果建立的数字模型而得到的模拟结果，该实验测量结果通过使红葡萄酒作为用于处理的流体在跨膜压力为1.5巴且截止阈值为0.2μm的单个直线圆形通道中流动而获得。
在下表3中，渗透液体积流动体积Qp(立方米/小时(m3/h))与用于处理的流体所被供给的体积流动体积Qa(m3/h)之间的比率Qp/Qa以％表示，对于相同的跨膜压力(TMP)和相同的截止阈值(μm)，揭示了与具有相同水力直径(Dh)的直线通道相比，弯曲通道的固有性能。
过滤单元的能量效率，其中具有这种类型的弯曲通道的过滤元件本身以每千焦耳能量所提取的渗透液的立方米(m3/KJ)表示，以使用于处理的流体在通道中流动。表3中通过指示给出了相应通道中的平均速度(以米/秒(m/s)为单位)。
Figure BDA0002102272920000201
Figure BDA0002102272920000211
对于如图1A至图1D所示的螺旋弯曲通道的示例，该表格中给出的结果表明，与具有相同水力直径的直线通道的过滤元件相比：
-与具有直线通道的过滤元件相比，当螺旋节距为24mm时，过滤元件的固有性能乘以17，其能量效率乘以5；以及
-当螺旋节距为12mm时，过滤元件的固有性能乘以26，其能量效率乘以8。
根据本发明的有利特征，根据本发明的弯曲通道4i可以呈现与曲线路径H1和参考轴线A1之间的距离R的值独立的节距p的值。因此，可以制造具有节距p的小值连同距离R的小值的弯曲通道。通常，可以提供具有在1mm至250mm范围内的节距p且在0.1mm至100mm的范围内的距离R的弯曲通道。此外，根据有利的特征，本发明的弯曲通道呈现出0.5mm至20mm范围内的水力直径。应该记得，水力直径Dh使得Dh＝4A/P，其中A是通道的流动截面的面积，P是该截面的湿润周长。
有利地，每个通道具有可以是恒定的或可变的水力直径。
在本发明的上下文中，多孔支撑体2或实际上整个横流分离元件使用添加技术制造。本发明的方法在于通过形成叠置的单个层，这些层被相继地彼此粘合以使得支撑体的三维结构逐渐生长，来制成支撑体的三维结构。
与现有技术相比，所述技术具有以不需要使用工具或机加工的单个生产步骤来制造支撑体的优点，因此能够获得更大范围的支撑形状并且能够改变通道中障碍物的形状和尺寸。
当使用诸如粉末这样的固体材料时，粉末床的厚度、且由此每个连续固结层的厚度相对较小，以使其能够通过施加能量或通过喷洒液体而与在下面的层粘合。特别地，沉积的粉末的厚度在20μm至200μm的范围内，该厚度是已经选择的添加技术的函数。
一层又一层地重复上述二元序列，以此能够构建所需的三维形状。合并的模式可以从一层到另一层变化。沿着选定的生长方向生长所需的三维形状。
沉积粉末的粒径是决定每个粉末床的最小厚度的因素之一，并且粒径还决定最终获得的平均孔径。特别地，使用包含构成支撑体的材料的粉末，例如，金属氧化物粉末，或用于其前体之一的粉末。举例来说，沉积的粉末可以呈现约35μm的平均粒径，以便在陶瓷支撑体中获得约10μm的平均孔径。
申请人已经观察到，通过调节各种参数，例如所选择的材料，并且对于给定的材料，所使用的粉末的平均粒径，以及对于给定的材料和粒径，逐层重复的粉末床的厚度，以及通过调整特定于为合并目的选择的技术的各种参数的设置，能够获得和控制固结的整体材料内的互连的残余孔质地。剩余的多孔质地是粉末颗粒的烧结或受控的粘合剂粘合的结果，从而在颗粒之间留下互连的空隙。
当使用能量束时，能够起作用的主要参数是它的焦点，即它撞击粉末床之处的光束直径，粉末床被光子束或电子束扫描的速度，或者实际上在构建层时受能量束撞击的表面之间的重叠量。
当使用液体喷洒时，能够起作用的主要参数是液滴的重量、它们的频率、通过液滴的“喷射”扫描粉末床的速度、或者实际上通路之间的重叠量。
申请人还观察到，通过调节上述各种参数，能够调节孔径的分布，并且对于每个给定的孔群，能够控制孔的数量和它们的弯曲度。
一旦粉末在所选区域中结块，通过任何适当的技术除去未结块的粉末材料颗粒，且通过所用粉末的初始流动性促进该操作。能够使用气流技术(抽吸)或水流技术，或实际上利用振动，以便去除残留在弯曲通道中或已经制成的形状的壁上的最后痕迹的粉末。
过滤器的最终固结和多孔质地的最终状态通常通过一次或多次后续热处理来获得，所述热处理被设定为适当消除材料的粘合剂(脱粘合)和/或烧结。选择用于这种最终烧结的温度取决于所用无机材料的性质和所用粉末颗粒的平均尺寸。
因此，支撑体或实际上整个横流分离元件作为整体是一层又一层地被构建出的。为此目的，在上游，并且通过使用计算机辅助设计软件，将要制造的支撑体的三维结构或横流分离元件的三维结构细分为切片。因此，要制作的虚拟三维物体被细分为厚度非常小的二维切片。然后，这些薄切片以叠置的单个层的形式被一个接一个地制成，并且它们被彼此粘合，以便使所需的三维形状逐渐生长。
这种三维结构以下列方式被制造：
-通过重复以下步骤：
·制备固体材料(有机或无机粉末)床或液体材料(有机前体或其中分散有粉末(可以是有机或无机的)的液体)的床，其形成多孔支撑体，该床具有恒定的厚度并在层的高度处占据大于所述多孔支撑体的截面的面积；以及
·按照每层的确定图案以局部方式固结材料的一部分，以便形成单独的层，同时将所得的单层粘合到前一层上；
-或者通过熔化投射到激光束中的有机或无机粉末并且按照每个层的预定图案形成连续的材料珠；
-或者通过连续或不连续地(逐滴)熔化一股热熔固体前体。当前体是单独使用的热熔有机聚合物时，该支撑体具有有机性质并且可以立即用于沉积有机性质的层。当前体是热熔有机聚合物和陶瓷或金属无机粉末的混合物时，一旦用作粘合剂的聚合物被消除并且无机粉末的颗粒已被烧结，则该支撑体是无机的。
一般而言，在第一种情况下，所使用的材料是固体或液体，并且通过施加能量或通过以细小液滴喷洒液体来固结各单个层。能量的局部传递可以用定向光束(LED或激光)或定向电子束进行，或者实际上用可以在粉末床上聚焦和扫描的符合CAD选择的模式的任何能源进行。然后，能量和材料之间的相互作用导致烧结，或者导致材料的熔化和固化，或者实际上导致材料的光聚合或光固化，这取决于其性质和所用能源的性质。
可以使用由压电系统产生的微液滴以局部方式将液体输送到粉末床上，该液滴可以任选地在电磁场中充电和被引导。然后，液体是用于活化已经添加到陶瓷粉末中的粘合剂的试剂的粘合剂。
使用如在本发明的上下文中设想的添加技术，与现有技术相比，能够首先获得生产量和可靠性方面的改进，其次获得关于可能被选择用于支撑体以及可以在支撑体内的一个或多个通道中形成的形状和浮雕部分的形状的很大变化。
在本发明的上下文中，为了设计三维形状，可以使用各种添加技术，例如：选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化(SLM)；3D打印或粘合剂喷射；基于平版印刷的陶瓷制造(LCM)；熔融沉积模型(FDP)；和/或立体光刻设备(SLA)。
在本发明的上下文中，提供了分离元件(通常称为滤膜)，用于通过横流过滤分离流体介质。这种分离元件包括由可以是有机或无机材料制成的多孔支撑体。
对于有机多孔支撑体，可以选择以下有机材料，作为非限制性示例给出：聚酰胺、聚醚酮、聚苯乙烯、铝化物、聚苯砜、氟化热塑性弹性体、聚丙烯、聚乙烯、环氧树脂、丙烯酸酯、丙烯腈丁二烯、苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、尼龙、聚醚酰亚胺、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚乳酸、聚氯乙烯及其混合物。
对于非金属(陶瓷)无机多孔支撑体，可以选择下列无机材料，作为非限制性示例给出：氧化铝、氧化钛、氧化锆、钛酸铝、氮化铝、氮化钛、氮化硼、氮化硅、硅铝氧氮聚合材料、石墨碳、碳化硅、碳化钨及其混合物。
对于金属(金属和合金)无机多孔支撑体，可以选择以下金属材料，作为非限制性示例给出：铝、铝合金、钴和铬合金、镍合金、镍和铬合金、钢和不锈钢、钛、钛合金、铜和锡合金、铜、锡和铝的合金、铜和锌的合金、以及它们的混合物。

Claims (25)

1.一种用于将待处理流体介质分离成滤液和滞留物的横流分离元件，所述分离元件包括单件式刚性多孔支撑体(2)，所述单件式刚性多孔支撑体在其体积内布置有至少一个通道(4i)用于使所述待处理流体介质流过用于所述待处理流体介质的入口(6)和用于所述滞留物的出口(7)之间，所述单件式刚性多孔支撑体具有用于回收已经通过所述支撑体的所述滤液的外表面(3)，所述分离元件的特征在于，至少一个通道(4i)在所述入口与所述出口之间存在弯曲流动体积(Vi)，所述弯曲流动体积通过沿着围绕参考轴线(Ai)的曲线路径(Hi)扫过生成元平截面(Si)而被限定，以及所述参考轴线(Ai)不与所述生成元截面(Si)相交且被包含在所述多孔支撑体的体积内。
2.根据权利要求1所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)的所述弯曲流动体积(Vi)在所述入口与所述出口之间的仅其长度的一部分上被限定或在从其入口到其出口的其整个长度上被限定。
3.根据权利要求1所述的横流分离元件，其特征在于，所述单件式刚性多孔支撑体(2)具有多个用于所述流体介质的流动通道(4i)，所述流动通道被布置在所述支撑体内。
4.根据权利要求2所述的横流分离元件，其特征在于，所述单件式刚性多孔支撑体(2)具有多个用于所述流体介质的流动通道(4i)，所述流动通道被布置在所述支撑体内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4)具有面积恒定或可变的生成元截面(Si)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)具有形状恒定或可变的生成元截面(Si)。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)的所述生成元截面与所述参考轴线(Ai)间隔开恒定的距离。
8.根据权利要求7所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)的所述生成元截面与所述参考轴线(Ai)间隔开可变的距离。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，所述参考轴线(Ai)与至少一个通道(4i)的所述生成元截面相切。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，所述横流分离元件包括至少一系列的多个通道，所述多个通道呈现与所述参考轴线(Ai)间隔开距离(R)的生成元截面，所述距离(R)适于确保所述多个通道通过分离隔板(11)而彼此分开。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)的所述生成元截面(Si)遵循一路径，该路径由恒定或可变方向的平移运动结合在所述入口和所述出口之间截取的至少一部分上的以在左旋或右旋方向上的恒定或可变的节距(p)围绕所述参考轴线(Ai)的旋转运动产生。
12.根据权利要求11所述的横流分离元件，其特征在于，所述路径具有在0.1mm至250mm范围内的节距(p)，并且所述曲线路径(H1)与所述参考轴线(A1)之间的距离(R)在0.1mm至100mm的范围内。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，在所述入口和所述出口之间的至少一部分上截取的至少一个通道(4i)的所述生成元截面(Si)遵循螺旋路径(Hi)。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，从所述入口(6)到所述出口(7)的有限部分上截取的至少一个通道(4i)的所述生成元截面(Si)遵循平行于所述参考轴线的平移移动所产生的路径(Hi)。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)具有垂直于所述参考轴线或与所述参考轴线平行延伸的生成元截面(Si)。
16.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，所述多孔支撑体(2)由从有机材料、无机材料、金属材料中选择的材料制成，所述有机材料选自聚酰胺、聚醚酮、聚苯乙烯、铝化物、聚苯砜、氟化热塑性弹性体、聚丙烯、聚乙烯、环氧树脂、丙烯酸酯、丙烯腈丁二烯、苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、尼龙、聚醚酰亚胺、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚乳酸、聚氯乙烯及其混合物；所述无机材料选自：氧化铝、氧化钛、氧化锆、钛酸铝、氮化铝、氮化钛、氮化硼、氮化硅、硅铝氧氮聚合材料、石墨碳、碳化硅、碳化钨及其混合物；所述金属材料选自：铝、铝合金、钴和铬合金、镍合金、镍和铬合金、钢和不锈钢、钛、钛合金、铜和锡合金、铜和锡和铝的合金、铜和锌的合金、以及它们的混合物。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，该横流分离元件包括多孔支撑体(2)和连续沉积在每个通道(4i)的内壁上的至少一个分离层，每个分离层由选自以下材料的陶瓷制成：氧化物、氮化物、碳化物和其它陶瓷材料及其混合物。
18.根据权利要求17所述的横流分离元件，其特征在于，每个分离层由选自以下材料的陶瓷制成：氧化铝、氧化钛、氧化锆、或其混合物，氮化钛、氮化铝、氮化硼、碳化硅，或与另一种陶瓷材料混合。
19.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，所述通道(4i)具有在0.5mm至20mm范围内的水力直径。
20.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，每个通道(4i)具有恒定或可变的水力直径。
21.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，所述支撑体(2)的平均孔径在4μm至100μm的范围内。
22.根据权利要求21所述的横流分离元件，其特征在于，所述平均孔径对应于体积分布的d50值，在所述体积分布的d50值处，孔的总体积的50％对应于直径小于d50值的孔的体积，所述体积分布是通过压汞获得的。
23.根据权利要求22所述的横流分离元件，其特征在于，所述体积分布是使用ISO标准15901-1：2005中描述的技术获得的。
24.一种制造根据权利要求1至23中任一项所述的横流分离元件的方法，其中，所述支撑体通过形成叠置的多个单个层来制成，所述叠置的单个层被相继地彼此粘合以便逐渐地生长所述支撑体的三维形状，所述至少一个通道(4i)被布置在所述支撑体的三维形状内。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过添加技术来制造所述支撑体，其中，通过使用计算机辅助设计软件，将所述支撑体的形状细分为切片，这些切片通过重复以下两个步骤、以连续地被叠置和粘合到一起的多个单个层的形式被一个接一个地制成：沉积用于形成所述支撑体的粉末材料床，所述床连续均匀且具有恒定的厚度，并且在所述层的高度处覆盖大于所述多孔支撑体的待形成截面的区域；根据为每个层确定的图案，以局部方式固结一部分沉积材料，以便形成所述单个层；这两个步骤以这样的方式被重复：确保在每次重复时，如此形成的所述单个层同时与先前形成的层粘合，从而使所述支撑体的形状逐渐增长。
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