CN113491948A - 高压螺旋缠绕膜组件 - Google Patents
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Abstract
一种螺旋缠绕膜组件具有与渗透载体结合的微咸水RO或NF膜，所述渗透载体在膜接触元件之间具有窄的间距。所述膜在25℃下的透水性(A值)可为至少8×10‑5 cm/s/巴。所述膜在25℃下的盐扩散速率(B值)可为至少0.5×10‑5 cm/s。所述渗透载体的密度可为54纵行/英寸或更大，相邻肋之间的间隙为215μm或更小。所述渗透载体的通道横截面面积可为16×10‑9 m2或更大。水在高进料压力下进料到组件中，例如至少50巴，任选地至多120巴的压力。渗余物可以100g/L、130g/L或150g/L或更高的浓度排放。
Description
技术领域
本说明书涉及螺旋缠绕膜组件，例如纳滤和反渗透组件，并且涉及纳滤和反渗透方法。
背景技术
反渗透(RO)和纳滤(NF)膜例如被制造用于海水和微咸水脱盐。微咸水RO膜(BWRO)通常具有比海水反渗透膜(SWRO)更高的透水性和盐渗透率。BWRO膜通常在比SWRO膜更低的压力下操作。例如，BWRO膜可以在约15巴下操作，而SWRO膜可以在约55巴下操作。
发明内容
本说明书描述了一种螺旋缠绕膜组件，所述组件具有与渗透载体结合的微咸水RO或NF膜，所述渗透载体在膜接触元件之间具有窄的间距。所述膜在25℃下的透水性(A值)可为至少8×10-5 cm/s/巴。所述膜在25℃下的盐扩散速率(或者称为盐渗透率) (B值)可为至少0.5×10-5 cm/s。所述渗透载体可为例如经编针织物，其中膜接触元件为一组通常平行的肋，或者称为纵行(wale)。所述渗透载体的密度可为54纵行/英寸或更大；在通道的宽部处测量的流动通道宽度为215微米或更小；或者，平均流动通道宽度为175微米或更小。任选地，所述渗透载体还可以具有20重量%或更小的环氧涂层；在通道的窄部处测量的流动通道宽度为83微米或更大；平均流动通道宽度为121微米或更大；或者，通道横截面面积为16×10-9 m2或更大。
本说明书描述了一种处理水的方法。用微咸水RO或NF膜处理水，但在高进料压力下，例如至少50巴的压力。在一些实例中，进料压力可为70巴或更高、90巴或更高、或在70-120巴的范围内。所述膜在25℃下的透水性(A值)可为至少8×10-5 cm/s/巴。所述膜在25℃下的盐扩散速率(或者称为盐渗透率) (B值)可为至少0.5×10-5 cm/s。所述膜可在螺旋缠绕组件中，所述组件任选地具有如上段所述的渗透载体。所述方法可具有100g/L或更高、130g/L或更高或150g/L或更高的浓度终点(从所述方法排放的渗余物的浓度)。
所述方法可用于例如盐水浓缩或高回收水或废水处理。通常，海水膜将用于旨在产生高浓度终点的方法中，主要因为海水膜具有较低的盐渗透率。然而，发明人已经观察到，微咸水膜实际上能够实现更好的通量和/或更高的浓度终点，特别是当在高压下操作时。不希望受理论的限制，当在高进料/渗余物浓度下操作时的渗透压，结合海水膜的较低初始透水性，可导致通过海水膜的渗透物流动不足以达到高浓度终点。
附图说明
图1显示在80巴下，在各种进料盐浓度下，两种组件的通量，一种具有微咸水膜(A)，一种具有海水膜(B)。
图2显示在80巴下，在各种进料盐浓度下，具有图1的膜A和膜B的组件的截留率。
图3显示来自具有图4的第一渗透载体PC-1的膜A和B的组件的盐浓度终点。
图4为第一渗透载体的放大照片。
图5为第二渗透载体的放大照片。
图6为第三渗透载体的放大照片。
图7为显示螺旋缠绕元件变形的示意图。
图8A和图8B显示在80巴下以不同的进料盐浓度操作时，具有不同渗透载体(图5的PC-2和图6的PC-3)的两种组件的通量。
图9A和图9B显示在80巴下以不同的进料盐浓度操作时图8的两种组件的截留率。
图10显示在不同压力下操作时图8的组件的测量和外推的浓度终点。
具体实施方式
本文所述的RO或NF螺旋缠绕组件可用于例如浓缩污染物，如盐、酸或有机化合物。该方法可用于生产过滤水或回收污染物。例如，螺旋缠绕组件可用于处理工业废水，例如在零液体排放应用中。
当螺旋缠绕膜组件在中等压力下操作时，增加进料压力将增加渗透通量。增加进料压力也增加从组件排放的渗余物中的污染物浓度，或者称为浓度终点(CEP)。然而，随着浓度终点增加，给水的渗透压也增加。增加的渗透压降低了渗透通量，这降低了进一步增加压力的益处。当在高压下操作时，螺旋缠绕膜也可能变形。
本文所述的螺旋缠绕膜元件具有压力驱动膜，例如反渗透(RO)或纳滤膜(NF)，其透水性和盐渗透率值高于海水RO膜中通常使用的值。这些膜的使用管理在高压和/或高浓度终点的操作期间的渗透压累积。在一些实例中，膜在25℃下的透水性(A值)为至少8×10-5cm/s/巴，在25℃下的透水性(A值)为至少20×10-5 cm/s/巴，或者在25℃下的透水性(A值)在8-45×10-5 cm/s/巴的范围内，或本文所述的其他值。在一些实例中，膜在25℃下的盐扩散速率(或者称为盐渗透率) (B值)为至少0.5×10-5 cm/s，在25℃下的盐扩散速率(或者称为盐渗透率) (B值)为至少3.2×10-5 cm/s，或者在25℃下的盐扩散速率(或者称为盐渗透率) (B值)在0.5-15×10-5 cm/s的范围内，或本文所述的其他值。
在水处理过程中，水可以在高压下被进料到螺旋缠绕组件，所述压力例如50巴或更高、70巴或更高、或在50-120巴的范围内。在中等到高浓度终点(例如50g/L或更高)下，本文所述的膜可以具有比典型的海水RO膜更大的通量。在本文所述的一些实例中，螺旋缠绕膜能够实现高浓度终点，例如超过130g/L或在130-150g/L的范围内，任选地同时在100巴或更高的压力下操作。
螺旋缠绕组件还可具有渗透载体，选择所述渗透载体以管理组件变形。在高压操作下，膜可以被推入膜支撑元件(例如经编针织物的肋)中的间隙中。在组件中，在高压下操作也可以使膜螺旋从抗伸缩装置(ATD)拉开。在一些实例中，本文所述的螺旋缠绕组件可以在100巴或更高的进料压力下，以超过130g/L(例如在130-150g/L的范围内)的浓度终点操作。
螺旋缠绕膜元件具有渗透载体。渗透载体可为具有一组通常平行的肋(或者称为纵行)的经编针织物。渗透载体可以由例如聚丙烯(PP)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的纱线针织而成。任选地，渗透载体可涂布有树脂，例如环氧树脂。任选地，组件具有渗透载体，所述渗透载体具有以下一种或多种：密度为54纵行/英寸(25.4 mm)或更大；在通道的宽部处测量的流动通道宽度为215微米(微米或μm)或更小；或者，平均流动通道宽度为175微米或更小，或本文所述的其他值。任选地，渗透载体的树脂(即)环氧涂层为20重量%或更小；密度为60纵行/英寸或更小；在通道的窄部处测量的流动通道宽度为83微米或更大；平均流动通道宽度为121微米或更大；或者，通道横截面面积为16×10-9 m2或更大，或本文所述的其他值。任选地，可以使用双层渗透载体。
实施例1-膜选择
用两种不同的平板膜制造螺旋缠绕膜组件。膜A为微咸水反渗透膜。膜B为海水反渗透膜。两种组件具有相同的进料隔网和渗透载体。进料隔网为34密耳(0.86 mm)厚。渗透载体具有48纵行/英寸(25.4 mm)和40重量%的环氧树脂。在25℃下测量两种类型的膜样品的A值和B值，结果提供于表1中。
表1
操作组件以在各种进料盐浓度和80巴的进料压力下浓缩盐(NaCl)溶液。图1显示在各种进料盐浓度下两种组件的通量。图2显示在各种进料盐浓度下两种组件的截留率。如图1和图2所示，具有膜A的组件的通量比具有膜B的组件的通量高得多，而与膜B相比，膜A仅具有略微降低的截留率。在进料浓度为100g/L时，具有膜A的组件仍然具有约7 LMH的通量和70%的截留率。相反，在进料浓度为100g/L时，具有膜B的组件不能保持5 LMH的最小渗透通量，认为该最小渗透通量为组件实际使用所必需的。具有膜B的组件不适于浓缩高于75g/L的进料浓度。
具有如上所述的膜A和膜B以及图4所示的渗透载体PC-1的组件在各种压力下操作，并测量它们的浓度终点。结果示于图3中。与具有膜B的组件相比，具有膜A的组件在各种操作压力下具有更高的浓度终点。总之，在盐浓缩过程中，膜A提供了对渗透压的更好管理。
数据显示优选在25℃下的透水性(A值)为至少20×10-5 cm/s/巴，或者在25℃下的透水性(A值)为至少21×10-5 cm/s/巴的膜。然而，据估计，在25℃下的透水性(A值)为至少8×10-5 cm/s/巴的膜也将是有用的。任选地，膜不具有极高的透水性，例如膜在25℃下的透水性(A值)为45×10-5 cm/s/巴或更小，在25℃下的透水性(A值)为35×10-5 cm/s/巴或更小，或者在25℃下的透水性(A值)为30×10-5 cm/s/巴或更小。数据还显示优选在25℃下的盐渗透率(B值)为至少5×10-5 cm/s，或者在25℃下的盐渗透率(B值)为至少6×10-5 cm/s。但是，可以估计，在25℃下的盐渗透率为至少3.2×10-5 cm/s，或者在25℃下的盐渗透率为至少0.5×10-5 cm/s可能是有用的。任选地，膜不具有极高的盐渗透率。例如，膜在25℃下的盐渗透率(B值)可为15×10-5 cm/s或更小，或者在25℃下的盐渗透率(B值)为11×10-5 cm/s或更小。
实施例2-渗透载体选择
获得三种渗透载体(PC)：PC-1、PC-2、PC-3。所有三种渗透载体都由经编针织物制成。每个渗透液载体的一侧具有一系列平行的纵行。渗透载体的密度为每英寸的纵行数。三种渗透载体中的两种PC-1和PC-3被环氧树脂涂布。PC-1为12密耳厚。PC-2为10密耳厚。所有渗透载体的纵行由间隙(或者称为通道)间隔开，所述间隙限定流动通道。间隙的宽度在间隙的窄部(在相邻纵行的环的最宽部之间)处和间隙的宽部(在相邻纵行的最薄部之间)处测量。在渗透载体上的代表性位置处进行测量。或者，对间隙的窄部进行多次(例如10次)测量并对其进行平均，并且对间隙的宽部进行多次(例如10次)测量并对其进行平均。通过测量经编针织物的片状部分上方的纵行的高度来确定间隙或通道高度。所有三种渗透载体的通道高度为约133μm。通过将通道高度乘以间隙窄部处和间隙宽部处的间隙宽度的平均值来确定通道面积。下表2给出了渗透载体的一些测量。
表2-渗透载体测量
用相同的膜但不同的渗透载体(PC)制造两种螺旋缠绕组件。膜为来自实施例1的膜A。渗透载体为图4所示的PC-1和图5所示的PC-2。在相同条件下在50-80巴的压力下操作元件300小时。通过测量凹度(d)来确定元件的变形，如图7所示。这些测量结果示于表3中。
表3-具有不同PC的元件变形
PC-1的纵行之间的间隙为183-250μm宽，分别在纵行的宽部和纵行的窄部之间测量。PC-2的纵行之间的间隙为100-183μm宽，分别在纵行的宽部和纵行的窄部之间测量。如表3所示，具有PC-1的组件具有更大的变形。在通道的宽部处通道宽度为183μm或更小，或平均通道宽度为142μm或更小，或密度为60纵行/英寸或更大的渗透载体能够基本上防止膜在高压下的变形。然而，可以从数据中预期，在PC-1和PC-2的测量之间，较小密度或较大通道宽度，例如在通道的宽部处通道宽度为215μm或更小，或平均通道宽度为175μm或更小，或密度为54纵行/英寸或更大的渗透载体也将能够实质抑制膜在高压下的变形。
用相同的膜但不同的渗透载体(PC)制造两种螺旋缠绕组件。膜为来自实施例1的膜A。渗透载体为图5所示的PC-2和图6所示的PC-3。PC-3的纵行之间的间隙为66-133μm宽，分别在纵行的宽部和纵行的窄部之间测量。PC-3具有与PC-2相同的密度，但由于PC-2被环氧树脂涂布，所以PC-3具有比PC-2更窄的流动通道。
在相同条件下操作组件。图8A和图8B显示在80巴下在不同进料盐度浓度下操作时组件的通量。图9A和图9B显示在80巴下在不同进料盐度浓度下操作时组件的截留率。图10显示在不同压力和5 LMH渗透通量下操作时组件的测量和外推的浓度终点。
如图8A、图8B、图9A、图9B和图10所示，在70-95g/L的进料盐度范围内，具有PC-2的组件比具有PC-3的组件具有更高的通量。如果进料盐度超过110g/L，则具有PC-3的组件具有极低的通量，并且将不实用。具有PC-2的组件还比具有PC-3的组件产生更高的浓度终点。例如，具有PC-2的组件能够在100巴的进料压力和130g/L的浓度终点下操作。数据的外推表明，如果操作压力增加到120巴，具有PC-2的组件将能够实现150g/L的浓度终点。数据表明，优选的组件具有未涂布环氧树脂的渗透载体，通道横截面面积为19×10-9 m2或更大，在通道的窄部处测量的通道宽度为100μm或更大，或平均通道宽度为142μm或更大。然而，可以估计，对于环氧涂层为20重量%或更小、通道横截面面积为16×10-9 m2或更大、在通道的窄部处测量的通道宽度为83μm或更大、或平均通道宽度为121μm或更大的渗透载体，也将实现改进的性能。
Claims (16)
1. 一种螺旋缠绕膜组件，所述组件包括，
膜，所述膜在25℃下的透水性(A值)为至少8×10-5 cm/s/巴，并且在25℃下的盐渗透率(B值)为至少0.5×10-5 cm/s；以及
渗透载体，所述渗透载体具有以下一种或多种：密度为54纵行/英寸或更大；在通道的宽部处测量的流动通道宽度为215微米或更小；或者，平均流动通道宽度为175微米或更小。
2. 根据权利要求1所述的螺旋缠绕组件，其中所述渗透载体具有以下一种或多种：树脂涂层为20重量%或更小；密度为60纵行/英寸或更小；在通道的窄部处测量的流动通道宽度为83微米或更大；平均流动通道宽度为121微米或更大；或者，通道横截面面积为16×10-9m2或更大。
3. 根据权利要求1所述的组件，其中所述膜在25℃下的透水性(A值)为至少21×10-5cm/s/巴。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的组件，其中所述膜在25℃下的透水性(A值)为45×10-5 cm/s/巴或更小，在25℃下的透水性(A值)为35×10-5 cm/s/巴或更小，或者在25℃下的透水性(A值)为30×10-5 cm/s/巴或更小。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的组件，其中，所述膜在25℃下的盐渗透率(B值)为至少3.2×10-5 cm/s，或者在25℃下的盐渗透率(B值)为至少6×10-5 cm/s。
6. 根据权利要求1-5中任一项所述的组件，其中，所述膜在25℃下的盐渗透率(B值)为15×10-5 cm/s或更小，或者在25℃下的盐渗透率(B值)为11×10-5 cm/s或更小。
7.一种用于处理水的方法，所述方法包括，
在至少50巴的压力下将水通过螺旋缠绕膜组件进料，从而产生渗透物和渗余物，
其中，所述组件包括膜，所述膜在25℃下的透水性(A值)为至少8×10-5 cm/s/巴，并且在25℃下的盐渗透率(B值)为至少0.5×10-5 cm/s。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述进料压力为70巴或更高、90巴或更高、或在70-120巴的范围内。
9.权利要求7或8所述的方法，其中所述渗余物的浓度为100g/L或更高、130g/L或更高或140g/L或更高。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中所述组件具有渗透载体，所述渗透载体具有以下一种或多种：密度为54纵行/英寸或更大；在通道的宽部处测量的流动通道宽度为215微米或更小；或者，平均流动通道宽度为175微米或更小。
11. 根据权利要求7-10中任一项所述的方法，其中所述组件具有膜，所述膜在25℃下的透水性(A值)为45×10-5 cm/s/巴或更小，在25℃下的透水性(A值)为35×10-5 cm/s/巴或更小，或者在25℃下的透水性(A值)为30×10-5 cm/s/巴或更小。
12. 根据权利要求7-11中任一项所述的方法，其中所述组件具有渗透载体，所述渗透载体具有以下一种或多种：树脂涂层为20重量%或更小；密度为60纵行/英寸或更小；在通道的窄部处测量的流动通道宽度为83微米或更大；平均流动通道宽度为121微米或更大；或者，通道横截面面积为16×10-9 m2或更大。
13. 根据权利要求7-12中任一项所述的方法，其中所述膜在25℃下的透水性(A值)为至少21×10-5 cm/s/巴。
14. 根据权利要求7-13中任一项所述的方法，其中所述膜在25℃下的盐渗透率(B值)为至少3.2×10-5 cm/s，或者在25℃下的盐渗透率(B值)为至少6×10-5 cm/s。
15. 根据权利要求7-14中任一项所述的方法，其中所述膜在25℃下的盐渗透率(B值)为15×10-5 cm/s或更小，或者在25℃下的盐渗透率(B值)为11×10-5 cm/s或更小。
16. 根据权利要求7-15中任一项所述的方法，其中所述膜在25℃下的透水性(A值)为45×10-5 cm/s/巴或更小，在25℃下的透水性(A值)为35×10-5 cm/s/巴或更小，或者在25℃下的透水性(A值)为30×10-5 cm/s/巴或更小。
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