CN111989151B - 集成有限流器和传感器的螺旋卷式组件 - Google Patents
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Abstract
一种螺旋卷式组件，所述螺旋卷式组件包括：压力容器，所述压力容器包括内部腔室、进料入口、浓缩物出口和渗透物出口；以及位于所述压力容器的内部腔室内的螺旋卷式膜模块；其中，所述组件的特征为包括：i)限流器，所述限流器包括：彼此密封接触的第一板和第二板；以及流体通道，所述流体通道位于所述第一板与所述第二板之间，并且所述流体通道包括与所述浓缩物出口和所述渗透物出口中的至少一个处于流体连通的第一端、以及适于从所述螺旋卷式组件排出流体的第二端；以及ii)传感器片，所述传感器片包括至少一个位于所述第一板与所述第二板之间并且与所述流体通道接触的传感器元件，其中，所述传感器片适用于测量穿过所述流体通道的流体的特性。
Description
技术领域
本发明涉及适合用于液体分离的螺旋卷式膜组件。
背景技术
螺旋卷式膜组件在各种各样的流体分离中使用。在常规的住宅实施例中，单个螺旋卷式反渗透(RO)膜模块(“元件”)容纳在压力容器内，该压力容器包括进料(例如，未过滤的水)入口，浓缩物(排出)出口和渗透物(例如净水)出口。在操作期间，加压的进料流体经由进料入口被引入容器中，穿过模块并且分成至少两股流离开容器：浓缩物和渗透物。螺旋卷式膜组件通常被设计为在特定通量和回收率范围内操作。在大型RO系统中，通常单独控制施加的压力和排出流量以获得最佳操作，并且定期清洁和维护操作进一步延长系统寿命。相比之下，住宅用RO系统会遇到广泛范围的进料压力和操作条件品质，并且最终用户很少进行系统维护。此外，为了适应可变的进料条件(特别是压力和渗透强度)和最终用户对高流量的普遍期望二者，可以将系统配置成在高且不可持续的初始通量下进行操作(“过通量”)。这继而导致膜过早积垢和结垢。当在高回收率下运行时，这些问题可能会加剧。
已经描述了各种技术来修改RO模块的流分布。例如，US 5119860、US 7017611和US2017/0247266描述了限流器的使用，以提供浓缩物从RO模块到排放口的流动阻力。US2017/0050149描述了位于或固定至渗透物收集管内的限流器(例如，顺应性构件、面积可变孔口等)，该限流器提供了随渗透物流量而变化的流动阻力。US 8043512描述了类似的系统。US 4046685描述了在容器的渗透通路内的限流器，以允许从容器的两端获得区分流。US2007/0272628利用具有不同标准特定的通量值的元件的组合来更好地管理整个容器的操作条件的差异，并且实施例利用渗透物收集管内的限流器将液体与不同类型的元件隔离。WO 2012/086478利用固定在上游元件的渗透物收集管内的阻力管来减少渗透物流量。US7410581描述了限流器的使用，该限流器可以沿互连模块的渗透物收集管移动到替代位置。还参见JP 2000/167358和JP 2001/137672。虽然没有公开对RO应用的适用性，但是US4418723也描述了限流器。
在操作之后，模块的积垢和结垢导致压力减小以及因此分离性能下降。对组件中的一个或多个位置处的压力或电导率进行监测可以识别压力损失并且允许操作者采取适当措施，例如，选择性地更换模块、增加对进料流体的预处理、使用更积极的清洁等。已经开发了各种技术，参见例如：US 2014/0180610、US 8808539、US 8617397、US 8568596、US8519559、US 8272251、US 8210042、US 7886582、US 2011/10114561、WO 2012/117669以及JP 2016/019932。也已经对其他类型的过滤装置使用类似技术，例如，US 6936160、US7048775和US 8221522。在US 7225683和US 20160178418中描述了更通用的流速传感器。尽管没有描述对RO系统的适用性，但是JP 64054220描述了一种包括限流器的流量计。
发明内容
本发明包括螺旋卷式组件(38)，所述螺旋卷式组件包括：
i)压力容器(40)，所述压力容器包括内部腔室(39)、进料入口(42)、浓缩物出口(44)和渗透物出口(46)；
ii)螺旋卷式膜模块(2)，所述螺旋卷式膜模块包括至少一个包膜(4)，所述包膜缠绕于在第一端(13’)与第二端(13)之间沿轴线(X)延伸的渗透物收集管(8)上并且形成入口卷面(30)和出口卷面(32)；
其中，所述螺旋卷式膜模块(2)位于所述压力容器的内部腔室(39)内，其中所述入口卷面(30)与所述进料入口(42)处于流体连通，并且所述出口卷面(32)与所述浓缩物出口(44)处于流体连通，并且所述渗透物收集管(8)与所述渗透物出口(46)处于流体连通；并且其中，所述螺旋卷式组件(38)的特征为包括：
iii)限流器(54)，所述限流器包括：
a)彼此密封接触的第一板(56)和第二板(58)；
b)位于所述第一板(56)与所述第二板(58)之间的流体通道(62/74)，并且所述流体通道包括与所述浓缩物出口(44)和所述渗透物出口(46)中的至少一个处于流体连通的第一端(64/76)、以及适于从所述螺旋卷式组件(38)排出流体的第二端(66/78)；并且
iv)传感器片(68)，所述传感器片包括至少一个位于所述第一板(56)与所述第二板(58)之间并且与所述流体通道(62/74)接触的传感器元件(70/80)，其中，所述传感器片(68)适用于测量穿过所述流体通道(62/74)的流体的特性。
附图说明
附图未按比例绘制并且包括理想化视图以方便描述。在可能的情况下，在所有附图和书面描述中使用了相似的附图标记来表示相同或类似的特征。
图1是螺旋卷式膜模块的部分剖切透视图。
图2是螺旋卷式膜组件的局部截面视图，示出了位于压力容器(壳体)内的螺旋卷式膜模块。
图3是部分组装的(无端盖(41))螺旋卷式膜组件的截面视图，示出了主题限流器的实施例。
图4A和图4B是透视分解视图和部分剖切视图，示出了压力容器以及主题限流器和传感器的实施例。
图5是通过可变形片的压缩来限制流动之前和之后的流体通道的截面视图。
图6是示出了传感器片的实施例的局部剖切放大透视图。
具体实施方式
反渗透(RO)和纳滤(NF)是基于膜的分离过程，其中压力在半渗透膜的一侧上被施加至进料溶液。施加的压力引起“溶剂”(例如水)穿过膜(即形成“渗透物”)，而“溶质”(例如盐)不能穿过膜并且浓缩在剩余的进料中(即形成“浓缩物”溶液)。一旦浓缩超过其溶解度极限，保留的盐(例如CaCO3)开始在膜上形成水垢。这种水垢对于高回收率的住宅用RO系统的长期运行尤其成问题。
本发明包括适合用于反渗透(RO)和纳滤(NF)系统中的螺旋卷式模块。这种模块包括缠绕在渗透物收集管上的一个或多个RO或NF包膜和进料间隔片。用于形成包膜的RO膜相对几乎不渗透所有溶解的盐并且典型地阻隔大于约95％的具有一价离子(比如氯化钠)的盐。RO膜典型地还阻隔大于约95％的无机分子以及分子量大于约100道尔顿的有机分子。NF膜比RO膜具有更好的渗透性并且典型地阻隔小于约95％的具有一价离子的盐，而取决于二价离子的种类，阻隔大于约50％(并且通常是大于90％)的具有二价离子的盐。NF膜典型地还阻隔纳米范围内的颗粒以及分子量大于大约200到500道尔顿的有机分子。为了本说明书的目的，术语“超滤”涵盖RO和NF两者。
图1中用2概括示出了代表性螺旋卷式膜模块。通过将一个或多个包膜(4)和可选的进料间隔片(“进料间隔件”)(6)同心地缠绕在渗透物收集管(8)上来形成模块(2)。渗透物收集管(8)具有沿着轴线(X)在相反的第一与第二端(13’，13)之间延伸的长度，并且沿其长度的一部分包括多个开口(24)。每个包膜(4)优选地包括两段大致矩形的膜片(10，10’)。每段膜片(10，10’)均具有膜侧或前侧(34)以及支撑侧或后侧(36)。通过将膜片(10，10’)叠加并将其边缘对齐来形成包膜(4)。在优选实施例中，这些膜片段(10，10’)包围渗透物间隔片(12)。此夹心型结构例如通过密封剂(14)沿三个边缘(16，18，20)固定在一起以形成包膜(4)，而第四边缘(即，“近侧边缘”(22))邻接渗透物收集管(8)，使得包膜(4)的内部(和可选的渗透物间隔件(12))与沿着渗透物收集管(8)的长度的一部分延伸的开口(24)处于流体连通。如本文所用，术语“流体连通”是指适于流体流动的密封通路。模块(2)可以包括单个包膜或各自被进料间隔片(6)隔开的多个包膜(4)。在所展示的实施例中，通过将相邻定位的膜叶片包的后侧(36)表面结合来形成包膜(4)。膜叶片包包括大致矩形的膜片(10)，所述膜片自身折叠以限定两个膜“叶片”，其中，每个叶片的前侧(34)面向彼此，并且折痕与包膜(4)的近侧边缘(22)轴向对齐、即与渗透物收集管(8)平行。进料间隔片(6)被示出为位于折叠后的膜片(10)的相对的前侧(34)之间。进料间隔片(6)有助于进料流体流过模块(2)。虽然未示出，但是组件中还可以包括附加的中间层。膜叶片包及其制造的代表性示例进一步如在Haynes等人的US7875177中进行了描述。
在模块制造过程中，可以围绕渗透物收集管(8)的周界附接渗透物间隔片(12)，其中膜叶片包插入在渗透物间隔片之间。围绕其周边部分(16，18，20)密封相邻定位的膜叶片(10，10’)的后侧(36)，以围住渗透物间隔片(12)并形成包膜(4)。用于将渗透物间隔片附接至渗透物收集管的合适技术在Solie的US 5538642中进行了描述。在渗透物收集管(8)上同心地缠绕或“卷起”(多个)包膜(4)和(多个)进料间隔件(6)来形成两个相反的卷面(入口卷面(30)和出口卷面(32))。所产生的螺旋束通过胶带或其他方式保持在位。然后可以修整模块的卷面(30，32)，并且可以可选地在卷面(30，32)与渗透物收集管(8)之间的接合处施加密封剂，如在Larson等人的US 7951295中所述。如在McCollam的US 8142588中所述，可以将不可渗透的层(比如胶带)缠绕在卷式模块的周界上。在替代性实施例中，可以将多孔胶带或玻璃纤维涂层施加到模块的周边。
在操作时，加压进料液体(水)在入口卷面(30)进入模块(2)，并且沿大体轴向方向流过模块，并沿着箭头(26)在出口卷面(32)处作为浓缩物离开。渗透物沿着总体上箭头(28)所示的渗透物流动路径流动，所述渗透物流动路径延伸穿过膜(10，10’)并且进入包膜(4)，在包膜中，渗透物流入开口(24)、流过渗透物收集管(8)并在出口卷面(32)处离开管(8)的第二端(13)。渗透物收集管(8)的第一端(13’)优选地被密封以防止流体从中流过。
用于构造螺旋卷式模块的各部件的材料在本领域中是公知的。用于密封包膜的合适的密封剂包括氨基甲酸酯、环氧树脂，硅树脂、丙烯酸酯、热熔性粘合剂、以及紫外光(UV)固化粘合剂。虽然不太常见，但还可以使用其他密封方式，比如施加热量、压力、超声焊接、以及胶带。渗透物收集管典型地由塑料材料制成，比如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚苯醚、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等。经编聚酯材料通常用作渗透物间隔件。在一些模块中，渗透物收集管包括多个段，并且这些段可以比如通过粘合剂或旋转焊接而结合在一起。额外的渗透物间隔件描述于US 8388848。
膜片不受特别限制，并且可以使用多种材料，例如醋酸纤维素材料、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚磺酰胺、聚偏二氟乙烯等。优选的膜是三层复合材料，其包含：1)非织造背衬网状物(例如非织造布，比如可从Awa Paper公司获得的聚酯纤维布)的背衬层(后侧)，2)包括具有约25-125μm的典型厚度的多孔支撑体的中间层，以及3)包括具有典型地小于约1微米(例如0.01微米至1微米、但更常见地约0.01μm至0.1μm)的厚度的薄膜聚酰胺层的顶部辨析层(前侧)。背衬层没有特别限制，但是优选地包括非织造布或纤维网垫，其包含可以定向的纤维。替代性地，可以使用比如帆布等织造布。代表性示例描述于US 4214994；US 4795559；US5435957；US 5919026；US 6156680；US 2008/0295951和US 7048855。多孔支撑体典型地是孔隙大小足以允许渗透物基本上不受限制地通过但并未大到足以干扰在其上形成的薄膜聚酰胺层的跨接的聚合物材料。例如，支撑体的孔隙大小优选为约0.001μm至0.5μm。多孔支撑体的非限制性示例包括由以下制成的那些：聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚乙烯、聚丙烯和各种卤代聚合物，比如聚偏二氟乙烯。优选地通过在微孔聚合物层的表面上进行多官能胺单体与多官能酰卤单体之间的界面缩聚反应来形成辨析层。
原型反渗透膜是FilmTec公司的FT-30TM型膜，通过使间苯二胺和均苯三甲酰氯发生反应来制得所述膜。这个和其他界面缩聚反应描述于若干来源(例如US 4277344和US6878278)。可以通过在多孔支撑体的至少一个表面上使多官能胺单体与多官能酰卤单体(其中每个术语均旨在指使用单种物种或多种物种)界面聚合来制备聚酰胺膜层。如本文所用，术语“聚酰胺”是指其中酰胺键(—C(O)NH—)沿着分子链出现的聚合物。多官能胺单体和多官能酰卤单体最常见地通过溶液的涂覆步骤施加至多孔支撑体，其中，多官能胺单体典型地由水性或极性溶液涂覆，而多官能酰卤由有机基或非极性溶液涂覆。
在操作中，主题螺旋卷式模块优选地容纳在压力容器内，并且限定了螺旋卷式组件，该螺旋卷式组件包括进料液体入口、浓缩物出口和渗透物出口。本发明所使用的压力容器没有特别限制，但是优选地包括能够承受与操作条件相关联的压力的固体结构。容器结构优选地包括腔室，所述腔室具有与要容纳在其中的螺旋卷式模块的外周边相对应的内周边。压力容器的取向没有特别限制，例如，水平取向和竖直取向都可以使用。适用的压力容器、模块安排和装载的示例描述于：US 6074595、US 6165303、US 6299772和US 2008/0308504。用于大型系统的压力容器的制造商包括明尼苏达州明尼阿波利斯市(Minneapolis MN)的滨特尔集团(Pentair)、加利福尼亚州维斯塔(Vista CA)的贝卡尔特公司(Bekaert)、以及以色列比尔谢瓦(Beer Sheva,Israel)的贝尔复合材料公司(BelComposite)。对于较小的系统，通常使用具有单个可拆卸端盖的模制塑料容器。同样，可以围绕螺旋卷式膜模块模制封装硬质泡沫，并且封装硬质泡沫配备有流体入口和出口。
本发明特别适合于被设计用于住宅用途的模块和螺旋卷式组件，例如，那些膜面积小于5m2、优选地小于2m2、更优选地小于1m2的模块和螺旋卷式组件。这种模块的优选长度小于0.5m。代表性的超滤模块包括FilmTec的1812配置(例如TW30-1812)，该配置的标称直径为1.8英寸(4.6cm)，标称长度为12英寸(30cm)。在图2所示的优选实施例中，单个模块(2)定位在压力容器(40)内，并且该组件包括单个进料入口、浓缩物出口和渗透物出口。当连接至进料泵(例如在25℃下向模块提供至少400kPa的水压)而没有用户可调节的速度控制时，该实施例是特别有利的。
代表性的螺旋卷式组件总体上在图2中以38示出，该螺旋卷式组件包括限定内部腔室(39)的压力容器(40)以及优选可拆卸的端盖(41)。压力容器(40)进一步包括进料入口(42)，提供与内部腔室(39)流体连通的浓缩物出口(44)和渗透物出口(46)。特别地，进料入口(42)适于与加压进料液体源连接。浓缩物出口(44)适于与通路连接，以便再次使用或丢弃。渗透物出口(46)适于与通路连接，以进行储存、使用、或进一步处理。在所展示的实施例中，螺旋卷式膜模块(2)位于压力容器内，其中入口卷面(30)与进料入口(42)处于流体连通，出口卷面(32)与浓缩物出口(44)处于流体连通，并且渗透物收集管(8)的第二端(13)与渗透物出口(42)处于流体连通。螺旋卷式模块(2)可以进一步包括一个或多个周边盐水密封件(9)，这些盐水密封件贴靠在容器(40)的内表面上。在组装期间，渗透物收集管(8)连接至渗透物出口(46)。O形环(11)可选地围绕管(8)设置，以完全与渗透物出口(46)密封。渗透物收集管(8)的相反端(13，13’)之间的长度可以变化，并且可以延伸超过或可以不延伸超过模块(2)的一个或两个卷面(30、32)。如图2所示，渗透物收集管(8)还可以包括联接延伸部(33)。出于本发明的目的，联接延伸部(33)被认为是渗透物收集管(8)的一部分。
在图3与图4A和图4B中总体上以38指示本发明的实施例。虽然类似于图2所展示的实施例，但是图3与图4A和图4B的实施例进一步包括限流器(54)，限流器包括彼此密封接触的第一板(56)和第二板(58)。板(56，58)优选地包括相对的彼此密封的平坦表面。可以通过常规方式将这些板固定在一起，例如螺栓、紧固件、带、胶粘剂等。在所展示的优选实施例中，板固定至压力容器(40)。在另一优选实施例中，板(56，58)中的一个板与压力容器(40)一体地形成。在未示出的替代实施例中，板(56，58)可以位于压力容器内，或外部并且与压力容器分离。
限流器(54)进一步包括至少一个流体通道(62/74)，该流体通道位于第一板(56)与第二板(58)之间，即沿相对的表面之间的界面。流体通道可以使用常规技术形成。例如，流动通道可以被雕刻、钻孔、模制或压印到一个或两个板(56，58)中。流体通道具有与浓缩物出口(44)和渗透物出口(46)中的至少一个处于流体连通的第一端(64/76)、以及适于从螺旋卷式组件(38)排出流体的第二端(66/78)。流体通道还可以包括其他出口或尽头出口。在优选的实施例中，组件包括以下二者：(a)浓缩物流体通道(62)，该浓缩物流体通道包括与浓缩物出口(44)处于流体连通的第一端(64)和适于从螺旋卷式组件(38)排出流体(例如，排出至排放口)的第二端(66)；以及(b)渗透物流体通道(74)，该渗透物流体通道包括与渗透物出口(46)处于流体连通的第一端(76)和适于从螺旋卷式组件(38)排出流体(例如，排出至水龙头)的第二端(78)。
限流器(54)适于在离开螺旋卷式模块(2)的流体中，即在离开浓缩物出口(44)的浓缩物和离开渗透物出口(46)的浓缩物中的一个或两个中引起压降。与浓缩物出口(44)和渗透物出口(46)相比，限流器通过利用具有相对窄尺寸的(一个或多个)流体通道(62/74)来引起压力下降。通道的流动“阻力”(R)可以被定义为通过流体通道的压降(Δp)与水流量(F)之比，即R＝Δp/F。可以通过已知方法对不同的通道几何形状并且在不同的条件下估计压降与流量之间的关系(例如，参见Sahar等人，“Effect of hydraulic diameter andaspect ratio on single phase flow and heat transfer in a rectangularmicrochannel[液压直径和纵横比对矩形微通道中单相流动和传热的影响]”，应用热工程，115(2017)，793-814。)通道的阻力(R)可以变化。对于长而窄的通道，阻力通常随通道长度而线性增大，但随液压直径非线性增大，例如在某些情况下，随着其第四次幂的倒数而增大。这种关系可以用压力损失(下降)达西-韦史巴赫方程(Darcy Weisbach equation)表示：Δp＝fD(L/d)(ρV2/2)：
其中：fD＝达西摩擦系数
L＝管道长度
D＝液压直径(m)
V＝流体流动平均速度(米/秒)
Ρ＝流体密度(kg/m3)
可以在特定的体积水流速和温度下测量通道的流动阻力。出于本说明书的目的，浓缩物流体通道(62)的阻力是在25℃下限定的，并且当模块(2)以25℃的纯水在通量为25lmh的通量下运行时，通过通道(62)的水流速等于浓缩物流的流量。类似地，渗透物流体通道(74)的阻力是在25℃下限定的，并且当模块(2)以25℃的纯水在通量为25lmh的通量下运行时，通过通道(74)的水流速等于渗透物流的流量。螺旋卷式膜模块(2)的跨膜流动阻力也可以被定义为当模块在25lmh下运行时其跨膜压降与渗透物流量之比(R＝Δp/F)。模块的这个阻力也可以变化，例如，阻力与模块的有效面积和膜渗透率大致成反比。(还可以为螺旋卷式模块限定取决于进料间隔件几何形状的进料水流动阻力，但是出于本发明的目的，这不是很重要。)
当将加压水施加到压力容器(40)的进料入口(42)时，离开容器的流被分开在浓缩物出口(44)与渗透物出口(46)之间。这两个流的比值由螺旋卷式模块(2)的跨膜流动阻力、浓缩物流体通道(62)和/或渗透物流体通道(74)的流动阻力以及螺旋卷式组件(38)内的其他水流动阻力决定。在优选的实施例中，浓缩物流体通道(62)在浓缩物出口(44)与排放口之间提供了大部分流体流动阻力。优选的是当组件(38)内的螺旋卷式模块(2)以25℃的纯水在25lmh的通量下运行时，在浓缩物流体通道(62)上产生至少3bar(～44psi)的压降。浓缩物流体通道(72)的阻力优选地在三倍的螺旋卷式模块的跨膜流动阻力内。最优选地，浓缩物流体通道(62)的阻力超过螺旋卷式模块(2)的跨膜流动阻力。在一些实施例中，当在限流器(54)上同时存在浓缩物流体通道(62)和渗透物流体通道(74)时，浓缩物流体通道(62)的阻力比渗透物流体通道(74)的阻力大十倍或更多。
限流器(54)在其流动阻力可以被调节的意义上可以是“可变的”。在图4A和图4B以及图5中展示了代表性实施例，其包括使用位于第一板(56)与第二板(58)之间的可变形片(60)，其中所述可变形片(60)适于在第一板(56)与第二板(58)的压缩下变形到流体通道中，以选择性地增加或减小流过浓缩物流体通道(62)的流动阻力。例如，可调节夹具、螺栓或类似的器件可以用于选择性地调节第一和第二板的压缩，从而调节可变形片(60)进入流体通道(62)的变形程度。在压缩增加的情况下，可变形片(60)可以通过限制流体通道的尺寸来增大流动阻力。图5展示了片(60)变形进入浓缩物流体通道(62)的至少一部分中，即，板(56，58)的收缩增大了流过流体通道(62)的流动阻力。可变形片(60)可以替代性地或另外地用于改变流过渗透物流体通道(74)的流动阻力。
组件(38)进一步包括传感器片(68)，传感器片用于测量穿过(一个或多个)流体通道的流体的特性。传感器片(68)包括至少一个、优选地两个传感器元件(70/80)，这些传感器元件被施加(例如被印刷)或以其他方式固定至片(86)的表面(72)上。传感器元件(70/80)适于检测穿过流体通道(62，74)的流体的压力、温度、传导率或离子浓度中的至少一个。在优选的实施例中，传感器片(68)的表面(72)包括柔性塑料基板，比如聚酰亚胺、聚醚醚酮和聚酯。传感器元件(70，80)可以用导电油墨印刷在其上。传感器片(68)的其他实施例包括通过光刻法制成的柔性印刷电路(FCP)、以及柔性箔电路(FFC)。
传感器片(68)位于第一板(56)与第二板(58)之间并与(一个或多个)流体通道(62/74)接触，即，适于与存在于通道的某个部分内的流体接触。在优选的实施例中，传感器片(68)包括与穿过浓缩物流体通道(62)的流体接触的传感器元件(70)。在另一个实施例中，传感器片(68)包括与穿过渗透物流体通道(74)的流体接触的传感器元件(80)。在又一实施例中，传感器片(68)包括两个上述传感器元件(70/80)，用于测量穿过浓缩物流体通道(62)和渗透物流体通道(74)二者的流体的特性。在又一实施例中，传感器片(68)包括两个位于浓缩物流体通道(62)或渗透物流体通道(74)的相反端附近的传感器元件(70/80)，这些传感器元件适于检测相对浓度。可以通过测量两个位置处传导率或浓度的变化对时间差的依赖来确定穿过通道的流体的流速。
传感器元件可以包括一个或多个额外的电子部件，例如电容器、电阻器和电力从外部电源提供的电子路径(例如导线)。替代性地，传感器元件可以包括内部电源(例如，电池)和可选的信号发射器(例如，导线或无线器件，包括例如蜂窝、蓝牙、NFC和WiFi)，用于从组件(38)发射信号至远程接收器。传感器元件可以进一步包括微处理器和/或存储器存储设备。合适的微处理器的示例包括Arduino板和树莓派(Raspberry Pi)板。微处理单元优选地包括用于存储协议、控制功能和数据的闪速存储器。
传感器元件(70，80)可以使用导电油墨形成，导电油墨可以包括呈多种物理形式(例如颗粒、薄片、纳米颗粒、纳米线、纳米管)的广泛范围的导电材料(例如导电聚合物、金属、碳)。市场上可买到的导电油墨包括杜邦的PE410和在www.Tekra.com上出售的各种油墨。可以印刷与流体通道(62/74)接触的相邻电极，以测量传导率。通过用选择性阻挡或吸收特定离子或其他离子的阻挡件或吸附剂进行覆盖，可以将此布置转换为特定离子的传感器元件。在US 8142641B2、US 8703022B2、US 20150276637A1、US 20160025517A1和WO2003012417A2中描述了用于通过各种方法感测不同成分的浓度的印刷电极。在US20150366608A1、US 7567183B2、WO 2017122178A1和KR 1669537B1中描述了印刷温度传感器。在US 5861558A，US 20160214881A1和US 20070240524A1中描述了印刷应变片。
关于压力的测量，将理解的是，可以相对于另一区域(例如，周围的大气、封闭的腔体、另一流体通道或同一流体通道的不同区域)测量流体的压力。在一个实施例中，传感器元件可以包括可变形阻挡件(例如，隔膜)，该阻挡件提供了简单、可靠且成本低的方式来测量压力差。跨可变形阻挡件的压力差可以引起电特性(例如，电阻、电容)的变化，并且这个部件可以集成到电子电路中以提供对压力差的测量。替代性地，可以光学地(例如，通过相机或通过阻挡层对光的偏转或散射)或通过声音的调制来检测阻挡层的变形。可变形阻挡件还可以包括天线，所述天线调制电磁波以使得能够对不同的压力进行无源测量。电动压差传感器的示例包括Omega PX26-001DV、Dwyer 629C-02-CH-P2-E5-S1和Cole-Parmer EW-68071-52。在另一个实施例中，可以使用在可拉伸薄膜上包括定向的金属线的应变片(例如，Omega SGD-LY系列)。由于拉伸，上游和下游的区域之间的压力差增大引起应变片电阻增大。结合作为传感器的一部分的电路允许将修改的电特性转换为由微处理单元读取的信号。替代性地，电阻的变化可以在天线电路中用来调制无线电波，并且提供对压差的无源(没有内部电力)测量。在又一个实施例中，包括天线的薄膜的偏转可以用来检测压差。例如，J.生物医学技术和研究(J.Biomedical Technology and Research)，2014年1(1)第8页的德拉赞(Drazan)、JF.等人的“Archimedean spiral pairs with no electricalconnections as passive wireless implantable sensors[作为无源的无线植入式传感器的没有电连接的阿基米德螺旋对]”描述了由两个相邻的螺旋天线形成的压力传感器，所述两个相邻的螺旋天线被可压缩介质隔开。
图6展示了包括应用到其表面(72)上的传感器元件(70)的传感器片(68)的实施例。传感器片(68)进一步包括若干传感器部件。符号传感器部件包括：压力传感器(88)，该压力传感器用于测量浓缩物流体通道上的压力差；压力传感器(90)，该压力传感器用于测量浓缩物流体通道(62)的第一端(64)与渗透物流体通道(74)的第一端(66)之间的压力差，温度传感器(92)和传导率传感器(94)。这些传感器部件可以通过各种常规方式(例如印刷、拾取和放置、焊接)应用于表面(72)上。
进一步参考图4A，展示的实施例示出了由限流器(54)的第一板(56)内的凹口形成的浓缩物流体通道(62)和渗透物流体通道(74)。图4B展示了第二板(58)中的额外的凹进的通道导管(82，84，86)，这些通道导管将传感器元件(70，80)流体地连接到浓缩物流体通道(62)和渗透物流体通道(74)。在图4B的图示中，通道导管(82)将浓缩物流体通道(62)的第二端(66)连接至也与浓缩物流体通道(62)的第一端(64)接触的传感器元件(80)，使得能够测量浓缩物流体通道(62)上的压降。通道导管(84)将渗透物流体通道(74)的第一端(66)连接至也与浓缩物流体通道(62)的第一端(64)接触的传感器元件(70)，并且此通道导管(84)能够测量螺旋卷式模块(2)的端部处的跨膜压力。通道导管(86)将渗透物流体通道(74)的第二端(78)连接至也与渗透物流体通道(74)的第一端(76)接触的传感器元件(80)，并且此通道导管(84)能够测量渗透物流体通道(74)上的压降。因此，通道导管(82，84，86)将传感器元件(70，80)与浓缩物流体通道(62)和渗透物流体通道(74)连接。
已经描述了本发明的许多实施例，并且在某些情况下，某些实施例、选择、范围、组成或其他特征已经被表征为“优选”。这种“优选”特征的指定绝不应被解释为本发明的重要或关键方面。表述的范围具体地包括端点。
Claims (8)
1.一种螺旋卷式组件（38），其包括：
i)压力容器（40），所述压力容器包括内部腔室（39）、进料入口（42）、浓缩物出口（44）和渗透物出口（46）；
ii) 螺旋卷式膜模块（2），所述螺旋卷式膜模块包括至少一个包膜（4），所述包膜缠绕于在第一端与第二端之间沿轴线（X）延伸的渗透物收集管（8）上并且形成入口卷面（30）和出口卷面（32）；
其中，所述螺旋卷式膜模块（2）位于所述压力容器（40）的内部腔室（39）内，其中所述入口卷面（30）与所述进料入口（42）处于流体连通，并且所述出口卷面（32）与所述浓缩物出口（44）处于流体连通，并且所述渗透物收集管（8）与所述渗透物出口（46）处于流体连通；并且
其中，所述螺旋卷式组件（38）的特征为包括：
iii)限流器（54），所述限流器包括：
a）彼此密封接触的第一板（56）和第二板（58）；以及
b）流体通道，所述流体通道位于所述第一板（56）与所述第二板（58）之间并且沿所述第一板（56）与所述第二板（58）的相对 的表面之间的界面，所述流体通道包括与所述浓缩物出口（44）和所述渗透物出口（46）中的至少一个处于流体连通的第一端、以及适于从所述螺旋卷式组件（38）排出流体的第二端；以及
iv) 传感器片（68），所述传感器片包括至少一个位于所述第一板（56）与所述第二板（58）之间并且与所述流体通道接触的传感器元件，其中，所述传感器片（68）适于测量穿过所述流体通道的流体的特性；
其中，所述流体通道包括浓缩物流体通道（62），所述浓缩物流体通道包括与浓缩物出口（44）处于流体连通的第一端以及适于从所述螺旋卷式组件（38）排出流体的第二端，并且其中，所述传感器片（68）与所述浓缩物流体通道（62）接触并且适于测量穿过所述浓缩物流体通道（62）的流体的压力、温度或传导率中的至少一个；
其中，所述限流器（54）进一步包括位于所述第一板（56）与所述第二板（58）之间的可变形片（60）；其中，所述浓缩物流体通道（62）具有流动阻力，并且其中，所述可变形片（60）适于在所述第一板（56）和所述第二板（58）的压缩下变形以增大流过所述浓缩物流体通道（62）的流动阻力。
2.如权利要求1所述的螺旋卷式组件（38），其中，所述流体通道包括渗透物流体通道（74），所述渗透物流体通道包括与所述渗透物出口（46）处于流体连通的第一端以及适于从所述螺旋卷式组件（38）排出流体的第二端，并且其中，所述传感器片（68）与所述渗透物流体通道（74）接触并且适于测量穿过所述渗透物流体通道（74）的流体的压力、温度或传导率中的至少一个。
3.如权利要求1所述的螺旋卷式组件（38），其中：
i)所述限流器（54）进一步包括：
（a）渗透物流体通道（74），所述渗透物流体通道包括与所述渗透物出口（46）处于流体连通的第一端以及适于从所述螺旋卷式组件（38）排出流体的第二端；并且
ii) 所述传感器片（68）包括固定在表面（72）上并且与所述浓缩物流体通道（62）接触的传感器元件，其中，所述传感器片（68）适于测量穿过所述浓缩物流体通道（62）的流体的压力、温度或传导率中的至少一个；以及传感器元件，所述传感器元件应用于所述表面（72）并且与所述渗透物流体通道（74）接触，其中，所述传感器片（68）适于测量穿过所述渗透物流体通道（74）的流体的压力、温度或传导率中的至少一个。
4.如权利要求1所述的螺旋卷式组件（38），其中，所述传感器片（68）进一步包括信号发射器。
5.如权利要求1所述的螺旋卷式组件（38），其中，所述传感器片（68）进一步包括微处理器。
6.如权利要求1所述的螺旋卷式组件（38），其中，所述浓缩物流体通道（62）具有流动阻力，所述螺旋卷式膜模块（2）具有跨膜流动阻力，并且其中，所述浓缩物流体通道（62）的流动阻力大于所述螺旋卷式膜模块（2）的跨膜流动阻力，
其中所述流动阻力（R）被定义为通过流体通道的压降（∆p）与水流量（F）之比，浓缩物流体通道（62）的阻力是在25℃下限定的，并且当螺旋卷式膜模块（2）以25°C的纯水在通量为25 lmh的通量下运行时，通过浓缩物流体通道（62）的水流速等于浓缩物流的流量，并且跨膜流动阻力被定义为当模块在25 lmh下运行时其跨膜压降与渗透物流量之比。
7.如权利要求1所述的螺旋卷式组件（38），其中，所述浓缩物流体通道（62）的流动阻力在三倍的所述螺旋卷式膜模块（2）的跨膜流动阻力内。
8.如权利要求6所述的螺旋卷式组件（38），其中，所述浓缩物流体通道（62）的阻力比渗透物流体通道的阻力大超过十倍。
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