CN114025869A

CN114025869A - 包括纵向脊的管状膜、设有该膜的设备及制造该膜的方法

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Publication number: CN114025869A
Application number: CN202080042109.5A
Authority: CN
Inventors: 金伯尔·塞巴斯蒂安·勒洛夫斯; 冈瑟·比斯勒; 皮奥特·爱德华·德卢戈莱茨基
Original assignee: Beigaofu Membrane Technology Co ltd
Current assignee: Beigaofu Membrane Technology Co ltd
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2022-02-08
Also published as: US20220161203A1; WO2020209720A1; MX2021012380A; CA3136588A1; EP3953025A1; NL2022918B1

Abstract

本发明涉及管状膜、膜模块、包括多个这种膜的设备以及制造这种膜的方法。根据本发明的管状膜包括：管状基底，其提供支撑并且具有内表面和外表面，其中管状基底限定用于进料流的腔；被提供在管状基底的内表面上的膜层，其中管状膜的内表面包括多个向内突出的脊，这些脊沿着管状膜的基本上纵向的方向延伸。

Description

包括纵向脊的管状膜、设有该膜的设备及制造该膜的方法

本发明涉及管状膜。这种管状膜用于过滤流体，例如废水处理(在生物反应器中)、可再利用材料的回收、反渗透浓缩处理和进料流的浓缩。

膜并且更具体地管状聚合物膜从实践中是已知的，并且包括来自多孔支撑材料的基底。这种管状基底用作支撑管，并且能够以不同的方式制造。例如，EP 0 684 068 A2、GB1325673 A和US 4 214 612公开了用于这种管状基底的制造方法，其中管状基底的内壁设置有膜层。

为了最小化污垢层的累积，有时提供湍流增强器以混合边界层。例如，WO 2015/108415公开了在膜内壁上提供至少一个向内突出的螺旋脊，其中该螺旋脊被膜层覆盖或形成膜层的部分。虽然这样减少积累污垢，但是沿着膜层出现的污垢仍然是一个问题。定期地化学清洗该膜是必须的。然而，如果发生严重的膜污染或严重的膜堵塞，仅化学清洗可能是不够的。因此，有时可能需要机械清洗以从管的腔侧去除严重污垢以及恢复膜的性能。这种类型的清洗可能会损坏湍流增强器从而降低其效果。例如，在清洗操作过程中,(机械)清洗可能会损坏湍流增强器，诸如螺旋脊。这导致在管状膜的寿命期间性能降低。

本发明旨在避免或至少减少上述的问题并且提供一种有效的管状膜，该管状膜提供膜表面扩大并且提高膜的有效性。

该目标是通过根据本发明的管状膜来实现的，该管状膜包括：

管状基底，其提供支撑并且具有内表面和外表面，其中管状基底限定用于进料流的腔；

膜层，该膜层设置在该管状基底的内表面上，

其中管状膜的内表面包括多个向内突出的脊，这些脊沿管状膜的基本上纵向的方向延伸。

根据本发明的管状聚合物膜包括作为支撑层的管状基底，该支撑层成形为支撑管。该管状基底可以通过弯曲或缠绕多孔材料的带并且将这些带密封或焊接在一起来提供，以得到形成用于进料流的腔的管状基底。该管状基底提供了管状膜的(机械)稳定性。例如，对于超滤膜，管状基底涉及双层非织造支撑。

管状基底具有内表面和外表面。内表面设有膜材料以在管状基底的内表面上提供膜层。该膜层能够以不同的方式设置在内表面上。例如，将液态聚合物(涂料)溶液浇铸到管的内表面上，随后进行刮涂处理(doctoring process)。在浇铸和刮涂过程中，聚合物溶液可以部分地侵入管状基底层。

根据本发明的管状膜包括多个设置在管状膜内表面的向内突出的脊，其中向内突出的脊沿着管状膜的基本上纵向的方向延伸。在这方面注意到，沿着管状膜的基本上纵向方向延伸被本领域的技术人员理解为沿着平行于膜的纵向轴线的基本上直线的方向延伸。根据本发明的管状膜也被称为纵向脊膜。

在本发明的当前优选实施例中，脊基本上由膜材料形成。此外，纵向脊的成形优选地在向管状基底的内表面提供膜材料之后在刮涂部分实现。这种脊的成形涉及一种制造工艺，该工艺能够在工业规模上以经济可行的方式相对地容易被制造，从而可以提供具有较大膜表面积的成本效益高的管状膜。

提供纵向脊增加了总的有效膜表面积。这增加了管状膜的总容量，从而增加了管状膜模块的总容量，导致更高的模块通量。

通过为管状膜提供纵向脊实现的另一优点和效果是增加了表面湍流。这种增加的表面湍流可能是由脊引起的更高的搅拌造成的和/或由在管的中心和管状基底的内表面附近的相邻脊之间的区域之间的速度差造成的。由于污垢减少，这种增加的湍流实现更高的通量。

此外，在根据本发明的具有纵向脊的管状膜中能够相对直接地执行清洗，诸如机械清洗。损坏纵向脊的风险被保持到最小，使得膜模块的性能能够被恢复并且在清洁后进一步被应用，确保管状膜模块的更长寿命。换句话说，在严重污垢的情况下，具有纵向脊的膜对机械清洗耐受性强并且它们能够被(机械)清洗，使得膜的性能能够被恢复。对机械清洗的改进的耐受性(即，在机械清洗期间损坏更小)主要是因为脊在基本上沿膜的长度的直线方向上延伸的事实。通过提供平行于膜纵向轴线的纵向(即直的)脊，机械清洗装置向膜表面施加连续的力，这导致在膜壁上的应力较低，因此对膜壁的损伤较小。

此外，具有纵向脊的管状膜在该模块上具有较小的压降，从而实现用于膜模块的较低运行成本。

在本发明的当前优选实施例中，管状膜的内表面包括多于一个向内突出的纵向延伸脊。

通过提供多于一个向内突出的纵向延伸脊，进一步地增大膜表面积并且改善局部湍流以减少污垢。这进一步增强管状膜的性能。

优选地，管状膜的内表面包括多于4个脊，优选地多于6个脊，并且最优选地包括在7-12个范围内的多个脊。实验示出，在4-12范围内的多个脊进一步提高管状膜的整体性能，同时保持(基本上)恒定的管状膜压降。

在本发明的另一优选实施例中，脊包括垂直于通过腔的平均进料流方向的横截面，其中脊的横截面具有非圆形形状。

通过为脊提供非圆形形状进一步增大有效膜表面积。此外，非圆形形状使得能够提供额外的支撑，使得脊是坚固耐用的并且被完全地连接到管状基底。在形状类似于椭圆更具体地说是半个椭圆的情况下尤其如此。

在本发明的当前优选实施例中，脊的平均高度在50-2000微米的范围内，优选地在100-500微米的范围内，更优选地在150-400微米的范围内，并且最优选地在200-350微米的范围内。

优选地，脊的宽度在0.1-10毫米的范围内，优选地在0.5-5毫米的范围内，更优选地在1-4毫米的范围内，并且最优选地在1.5-3毫米的范围内。将会理解，前述宽度与平均宽度相关，并且脊之间的偏差可能发生，偶尔宽度会落在期望的范围之外。

脊的平均高度和宽度的这些范围是当前对于具有大约8毫米(内部)直径的管状膜是优选的。将会理解，根据本发明的其他管状膜也可以具有其他(内部)直径，例如直径在5-14毫米的范围内，具有大约15.7-44.0毫米的周长。或者，脊高度与膜内径相关，使得脊高度在膜内径的0.4％-40％的范围内，并且优选地为膜内径的1％-10％，更优选地为膜内径的1.5％-8％，并且最优选地为膜内径的2％-7％。类似地，脊宽度与膜内周长相关，使得宽度在膜内周长的0.2％-63.7％的范围内，优选地在膜内周长的1.6％-31.8％的范围内，更优选地在膜内周长的3.2％-25.5％的范围内，并且最优选地在膜内周长的4.8％-19.1％的范围内。

将会理解，在管状膜中多于一个脊的情况下，高度和宽度与平均高度和平均宽度相关。实验示出了在商业上可获得的管状膜几何形状中具有这些尺寸的有效脊。

本发明还涉及膜模块和用于过滤流体的(过滤)设备，在根据本发明的实施例中，膜模块和设备包括多个管状膜。

膜模块和/或设备提供与参照管状膜描述的相同的或相似的效果和优点。这些模块和/或设备能够用于不同的操作，例如废水处理(在生物反应器中)、可再利用材料的回收、反渗透浓缩处理和进料流的浓缩。

根据本发明在过滤设备(诸如水处理设备)中使用管状膜提高了总容量并且减少了污垢，使得与传统膜相比，管状膜的性能在其寿命期间得到提高和/或保持基本上恒定。

本发明还涉及一种用于生产根据本发明的实施例的管状膜的方法，该方法包括以下步骤：

提供管状基底；

提供膜构造工具，其被配置成用于向管状基底的内表面提供膜层材料，

其中构造工具被配置成在管状基底的内表面上提供多个向内突出的脊，这些脊沿着管状膜的基本上纵向方向延伸。

该方法提供了与参照管状膜和/或设备描述的相同的或相似的效果和优点。

该方法包括提供管状基底的步骤。例如，这种管状基底能够通过螺旋地缠绕一个或更多个多孔材料带来提供，其中将重叠的边缘密封在一起以提供管状基底结构。提供膜构造工具使得能够向管状基底的内表面提供膜层材料。根据本发明，膜构造工具被配置成在管状构件的内表面提供多个向内突出的脊，这些脊沿着管状膜的基本上纵向方向延伸。优选地这在浇铸部分完成，其中聚合物涂料离开心轴并且在刮涂部分上进入。膜构造工具优选地在管状基底的内腔上由聚合物涂料形成限定的层。能够以不同的实施例和/或方式提供该构造工具。例如，构造工具可以包括多个纵向凹槽，使得膜材料由这些凹槽成形并且膜材料被提供在内表面上作为其上纵向延伸的脊。或者，构造工具包括多个纵向凹槽或螺旋凹槽并且构造工具旋转，使得膜材料被提供在管状基底的内表面上，提供沿着基本上纵向的方向延伸的脊。例如，这涉及以与管状基底层相同的旋转速度旋转构造工具。这涉及在形成管状基底时有效控制工具旋转并且优选有效控制卷绕速度。这能够通过提供专用的速度控制器来实现和/或由在构造工具和管状基底的缠绕之间提供连接来实现，使得沿着形成管状膜的纵向方向提供脊。例如这能够由构造工具相对于管状基底的摩擦或夹紧来实现。此外，在脊之间应该施加足够厚度的聚合物膜层，以保持膜性能恒定并且防止在膜层的薄部分中出现针孔或其他缺陷。

基于本发明优选的实施方案来阐明本发明的另外的优点、特征和细节，其中对附图进行了参考，在附图中：

图1A示意性示出了本发明的实施例的管状膜；

图1B示出了图1A的管状膜的横截面；

图1C示意性地示出了具有多个图1A的管状膜的设备；

图2A示出了图1A的管状膜的脊的详细横截面；

图2B示出了在图1A的管状构件中两个脊之间的表面区域的详细横截面；和

图3A-图3B示出了根据本发明的管状膜的实验结果。

管状膜2(图1A)具有长度L、内径D_in和外径D_out。此外，管状膜2具有外壁4和内壁6。外壁4由外层8限定，在所示实施例中外层8包括非织造材料。非织造材料可选地包括PET、PBT、PP、PE、PA、PAN或其组合。管状构件的横截面是基本上圆形的，尽管也能够设想其他形状，例如卵形或椭圆形。应当理解，根据本发明，也可以设想用于管状膜2和/或其部分的其他尺寸。

内壁6包括聚合物膜材料10。聚合物膜材料优选地包括聚醚砜(PES)、聚砜(PSf)、聚苯矾(PPSU)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚酰胺(PA)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及其组合中的一种或更多种。管状基底的部分被聚合物膜材料侵入，限定过渡区域12。

管状膜2的内壁6包括多个纵向脊14。在图示的实施例中管状膜2包括八个脊14，该八个脊14基本上平行于管状膜2的中心轴线16延伸。

脊14(图1B)具有高度H和宽度W。在图示的实施例中，高度H是在200-350微米的范围内并且宽度W是在1.5-4毫米的范围内。优选地，所有脊的高度H和宽度W都在该范围内。

设备18(图1C)包括在支架或外壳22中的管状膜2的束20。这使得进料流可以进入束20的腔侧。在壳侧，渗透物被收集并且通过渗透物端口从系统中被导出。应当理解，本领域技术人员可以设想包括多个管状膜2的设备18的不同实施例。

脊14(图2A)具有不对称的孔结构24，该孔结构24具有在腔侧26上的小的表面孔，正如在横截面中所看到的，该腔侧被定位于朝向管状膜2的中心，并且该孔结构24具有靠近和/或附接到管状基底8的大的孔区域28。在图示的实施例中，脊14的总(平均)高度H是在250-350微米的范围内。在相邻脊14之间的膜表面区域具有小得多的高度(图2B)。事实上，该膜材料层的厚度大约为40-60微米。

通过提供管状基底8来提供管状膜2。在图示的实施例中，管状基底8通过螺旋地缠绕多孔材料(优选地为非织造材料)并且将相邻带之间的重叠部密封或焊接在一起而提供。在下一步骤中，使用设置有凹槽的构造工具将膜材料浇铸和刮涂到内表面上，从而形成脊14。

已经用管状膜2进行测试。在测试中，使用未过滤的苹果汁流体来确定污垢的影响。管状膜2与没有脊的传统膜对比。测试在1巴(bar)的TMP下执行，管状膜2具有八个脊。通量被定义为在限定的时间间隔内通过限定的膜表面积收集的渗透物体积。在横向流速度处于1-4m/s的范围内的情况下，通量/TMP以升/平方米/小时/巴(L/m²/h/bar)来确定。使用第一膜的结果被示出在图3A中并且使用第二膜的结果被示出在图3B中。具有纵向脊的管状膜示出的结果(■)与参照膜(▲)相比基本上更高。这实现了显著的通量增加(○，以％表示)。这种通量增加是通过有效膜表面积的扩大和通过作为湍流增强器的脊所实现的增加的湍流来实现的。这些综合效应是协同的，并且出乎意料地比膜表面扩大所预期的更高。因此，根据本发明的管状膜2的性能甚至比预期的更好，从而提高了其工业应用的可能性。这些可能性通过提高的清洗可能性甚至进一步被增强。

示例1-实验结果

根据本发明的管状膜已经在垃圾填埋场的渗滤液处理膜生化反应器(MBR)装置中进行了测试。测试的目的是将根据本发明的管状膜与参照膜进行比较，在这里的参照膜是没有脊的管状流膜(即具有平坦的膜壁)。为了测试的目的，根据本发明的膜已经被标记为纵向脊膜，而具有平坦膜壁的参照膜已经被标记为参照膜。

测试装置的设计流入量为1.8最小液体排出量(MLD)，尽管它实际上已经处理2.2最小液体排出量(MLD)的峰值负荷。该工艺是典型的

工艺，其中加压生物反应器罐在下述情况下操作：水力停留时间(HRT)为15小时，固体停留时间(SRT)为53天，并且曝气速率为4000Nm³/h。在流平衡后，渗滤液在两条平行管道中被处理，每条管道由一个反硝化罐和两个硝化罐组成。来自每条管线的污泥被泵入两个超滤(UF)装置，该装置包括串联的6个模块的三个流(stream)，渗透物被直接地排出。

具有纵向脊膜和参照膜的模块被事先备好。为了提供相似的测试条件，纵向脊膜和参照膜被放置在两个不同的平行回路中，它们从相同的生物反应器进料以提供相似的测试条件。

每个模块是83G类型模块，其直径为20.32厘米(8英寸)并且模块长度为3米。在模块中的每个膜的直径为8毫米，这导致每个模块中的总的膜面积为27.2平方米。

测试期间，应用下面的测试参数：

过滤类型：连续的，进料和出料，从下到上；

横向流速度(CFV)：4米/秒；

跨膜压力(TMP)：2.0-2.2巴；

温度25-30摄氏度；

进料混合液悬浮固体(MLSS)：21-23克/升；

入口化学需氧量(COD)：1500-2300毫克/升

测试结果表明，根据本发明的管状膜的化学需氧量的去除率达到85％-87％，而总悬浮固体(TSS)低于75毫克/升。此外，由于直的纵向延伸的脊，根据本发明的管状膜比没有脊的参照膜实现了显著的更高的流速。这在下面提供的图表1中也被示出。

图表1：纵向脊膜与参照膜

本发明不意图限于上面描述的其优选的实施方案。所寻求的权利由所附权利要求描述，其中在所附权利要求的范围之内，能够设想很多修改。

Claims

1.一种管状膜，包括：

管状基底，其提供支撑并且具有内表面和外表面，其中所述管状基底限定用于进料流的腔；

被提供在所述管状基底的所述内表面上的膜层，

其中所述管状膜的内表面包括多个向内突出的脊，所述脊沿着所述管状膜的基本上纵向方向延伸。

2.根据权利要求1所述的管状膜，其中所述脊包括膜材料。

3.根据权利要求1或2所述的管状膜，其中所述管状膜的所述内表面包括多于一个向内突出的纵向延伸脊。

4.根据权利要求3所述的管状膜，其中所述管状膜的所述内表面包括多于4个脊，优选地多于6个脊，并且最优选地包括在7-12个范围内的多个脊。

5.根据前述权利要求之一所述的管状膜，其中所述脊包括横截面，所述横截面垂直于通过所述腔的平均进料流方向，其中所述横截面具有非圆形形状，诸如椭圆形。

6.根据前述权利要求之一所述的管状膜，其中所述脊的平均高度在50-2000微米的范围内，优选地在100-500微米的范围内，更优选地在150-400微米的范围内，并且最优选地在200-350微米的范围内。

7.根据前述权利要求之一所述的管状膜，其中所述脊的宽度在0.1-10毫米的范围内，优选地在0.5-5毫米的范围内，更优选地在1-4毫米的范围内，并且最优选地在1.5-4毫米的范围内。

8.根据前述权利要求之一所述的管状膜，其中所述脊的脊高度与膜内径相关，使得所述脊高度在所述膜内径的0.4％-40％的范围内，优选地为所述膜内径的1％-10％，更优选地在所述膜内径的1.5％-8％的范围内，并且最优选地在所述膜内径的2％-7％的范围内。

9.根据前述权利要求之一所述的管状膜，其中所述脊的脊宽度与膜内周长相关，使得所述脊宽度在所述膜内周长的0.2％-63.7％的范围内，优选地在所述膜内周长的1.6％-31.8％的范围内，更优选地在所述膜内周长的3.2％-25.5％的范围内，并且最优选地在所述膜内周长的4.8％-19.1％的范围内。

10.一种膜模块，包括多个根据前述权利要求之一所述的管状膜。

11.一种用于过滤流体的设备，所述设备包括多个根据前述权利要求之一所述的膜模块和/或管状膜。

12.一种用于生产管状膜的方法，所述管状膜是根据前述权利要求1-9之一所述的管状膜，所述方法包括以下步骤：

提供管状基底；

提供膜构造工具，其被配置成用于向所述管状基底的内表面提供膜层材料，

其中所述构造工具被配置成在所述管状基底的所述内表面上提供多个向内突出的脊，所述脊沿着所述管状膜的基本上纵向方向延伸。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括移动所述构造工具使得所述脊被提供在所述内表面上的步骤。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述构造工具包括多个凹槽，所述凹槽被配置成用于向所述内表面提供膜材料。