TW201321074A - 螺旋捲繞之膜元件及滲透載體 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於螺旋捲繞之膜元件之滲透載體，該滲透載體具有兩個或三個(例如)經編織物構造層。該兩個外層或僅一外層阻止膜片移動至該滲透載體中之滲透通道中。該滲透載體片之總厚度可與典型經編織物滲透載體片之厚度相似。可塗覆該滲透載體片以使其表面親水。塗層可係(例如)交聯聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯吡咯啶酮(PVP)。在該螺旋捲繞之元件中，滲透載體片可圍繞中心管纏繞一或多層。該滲透載體片中之通道係相對於該中心管之縱向軸螺旋形地定向。

Description

螺旋捲繞之膜元件及滲透載體
本說明書係關於螺旋捲繞之膜元件及模組且係關於用於螺旋捲繞之膜元件及模組之滲透載體。
螺旋捲繞之膜元件係藉由圍繞穿孔中心管纏繞一或多個膜葉及進料間隔片製成。該等葉具有置於兩個大體矩形膜片之間之滲透載體片。膜片沿三個邊緣密封在一起。葉之第四邊緣開口且緊靠中心管。亦可圍繞中心管纏繞一或多層滲透載體片以將膜葉支撐於中心管中之穿孔上且在葉之邊緣與中心管之間提供流動路徑。產物水(亦稱為滲透物)通過膜片且然後流動穿過滲透載體片到達中心管。
滲透載體片可係自環氧樹脂或三聚氰胺塗覆之聚酯細絲織造之經編織物。經編織物係多孔的且形成一系列平行脊，該等平行脊防止膜葉塌縮且由織物之一側之凹槽分離。凹槽垂直於中心管定向以為滲透物提供阻塞較小之通路，以向內流動穿過葉至中心管。可將(例如)由氈或另一非織造或原本多孔片材料製成之單獨增強或抗膨大層(anti-bagging layer)置於膜片與經編織物之間以有助於防止膜片被壓至經編織物之凹槽中。
美國專利第6,656,362號揭示可與高壓螺旋捲繞之膜一起使用之滲透載體片及強化片的多種尺寸及材料。國際公開案第WO 03/101575號揭示意欲具有低流動抗性之滲透載體材料。美國專利第4,802,298號及第7,048,855號闡述直接結 合至膜片之滲透載體材料。美國專利申請公開案第2004/0195164 A1號闡述螺旋捲繞之膜元件，其中a)中心管中之穿孔之總面積乘以開口佔圍繞中心管纏繞之滲透載體之一層之百分比至少係與b)中心管之內部橫截面積相等。
下文欲詳細闡述之滲透載體包括兩個或三個層。該兩個外層或僅一外層阻止膜片移動至該滲透載體中之滲透通道中。滲透通道可位於中心層中或外層之內部上或兩者。所有層可自經編織物片製成。就滲透通道不會被膜片阻塞之意義上而言，該等通道對滲透物流動之阻力較小。膜片亦可耐受較高壓力或遭受較小損壞，此乃因並不將膜片拉伸至滲透通道中。滲透載體片之總厚度可與典型單層經編滲透載體片之厚度相似，例如約0.010至0.012英吋。
塗覆下文欲闡述之滲透載體片以使其表面親水。親水塗層促進水在滲透通道中流動。塗層可係(例如)交聯聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯啶酮(PVP)或其他化學品。
下文欲闡述之滲透載體片係圍繞中心管纏繞一或多層。相對於中心管之縱向軸螺旋形地定向滲透載體片中之通道。通道之螺旋形定向降低對滲透物沿中心管之長度自滲透載體片中在膜葉之開放邊緣處之通道流動至中心管中之穿孔之阻力。
滲透載體片可用於螺旋捲繞之膜元件或模組中。滲透載體片或其特徵中之任一或多者可組合用於相同螺旋捲繞之膜元件或模組中。
參考圖1及2，螺旋捲繞之膜元件10係藉由圍繞穿孔中心管16纏繞一或多個膜葉12及進料間隔片14而形成。膜葉12亦可稱為封套。進料間隔片14亦可稱為鹽水通道間隔件。中心管16亦可稱為核心、滲透管或產物水收集管。葉12包括兩個圍繞滲透載體片20之大體矩形膜片18。緊靠中心管16之膜葉12之邊緣係開口，但葉12之其他三個邊緣係(例如)由黏著劑密封。
膜片18可具有澆鑄至支撐層或背襯層上之分離層。分離層可係(例如)乙酸纖維素、聚醯胺、薄膜複合物或可形成分離膜之其他材料。分離層可具有(例如)逆滲透、奈米過濾或超濾範圍內之孔。經過濾之產物水(亦稱為滲透物)通過膜片，同時端視膜片18之孔徑而定，其拒絕溶解鹽或懸浮固體或其他污染物通過。
滲透載體20經由膜葉12之開口緊靠邊緣與中心管16中之小孔22之列流體接觸。在將第一膜葉12附接至中心管16之前，可將額外滲透載體片(未顯示)(其可係與膜葉12中之滲透載體20相同之材料或可係不同材料)或第一膜葉12之滲透載體20之延伸部分可圍繞中心管16纏繞一或多層。此滲透載體20之初始纏繞物將膜葉12支撐於孔22上且提供將滲透水自膜葉12傳導至中心管16中之孔22之路徑。孔22通常具有約0.125英吋(3.2 mm)之直徑且將產物水傳導至中心管16之內部。
每一葉12係由亦圍繞中心管16捲繞之進料間隔片14隔 開。進料間隔件14與元件10之兩端流體接觸且該進料間隔件14充作導管以橫跨膜片18之表面進給溶液。進料流動之方向係平行於中心管16之軸A自入口端24至濃縮物端26。
參考圖2，螺旋捲繞之膜模組30具有位於壓力容器32內部之元件10。壓力容器32具有大體管狀主體34、入口端36及出口端38。進料水經由壓力容器32之入口(未顯示)進入。進料水穿過元件10之進料間隔件14。一部分不通過膜片18之進料水(其可稱為滲餘物或廢水)經由排放管42離開壓力容器32。產物水或滲透物收集於中心管16之內部且然後通常在自中心管16之第一端52至第二端54之方向上行進。最後或僅元件10之第二端54可係密封的，可離開壓力容器32或可與離開壓力容器之設備連接。第一或僅元件10之第一端52可係密封的，可離開壓力容器32或可與離開壓力容器32之設備連接。若壓力容器32中具有多個元件10，則上游元件10之第二端54通常與下游元件之第一端52連接。進料水串聯流動穿過壓力容器中之多個元件10之進料間隔件14。可在元件10之外纏繞物(未顯示)與壓力容器32內部之間提供周邊密封以防止進料水流過元件10而不通過其進料間隔件14。
圖3、4及5顯示滲透載體20之上層60、中間層62及下層64。中間層62係可選的。層60、62、64中之每一者皆係織造片。層60、62、64可由織造成經編織物之經塗覆聚合物細絲製成。在經編織物中，紗線沿編織之列呈垂直Z字形，從而在織物之前側(或者稱為經圈側)上產生一系列分 離滲透通道68之平行凸起經圈66。在織物之背側(其可稱為緯圈側)上垂直於凸起經圈66形成棱紋，但該等棱紋不如凸起經圈66邊界清晰且不如凸起經圈66高。
在圖3、4及5中，上層60及下層64可比中間層62薄，但所有三個層60、62、64皆具有凸起經圈66。將層60、62、64置於彼此之頂部以形成滲透載體20。將上層60及下層64定向於滲透載體中以使得其背側係在滲透載體20之外部。內層62可依其背側朝向上層60或下層64定向。所有層60、62、64之凸起經圈66較佳置於彼此頂部之上以使得垂直於滲透載體之平面通過滲透載體20之管線可通過層60、62、64中之每一者之凸起經圈66。
本發明者已觀察到利用單層經編滲透載體膜18，接觸凸起經圈之葉12之側上之鬆弛或壓印多於葉12之另一側，尤其在高壓下操作之海水應用中。由滲透物朝向中心管16流動造成之壓力損失隨著凸起經圈之間之凹槽之高度之三次方而變化。膜片18下陷至凹槽中增加自滲透物流動產生之壓力損失。藉由定向上層60及下層64使得其緯圈側支撐膜片18，從而減少下陷及壓力損失。然而，層60、62、64經編織使得其總厚度與典型單層滲透載體之厚度(例如約0.010至0.012英吋)大約相同且凹槽68於層60、62、64中之總深度與凹槽於典型單層滲透載體中之深度大約相同。因此，本文所闡述之滲透載體20可藉由阻止毗鄰膜片18下陷至滲透通道68中減少朝向中心管16之滲透物流動之壓力損失。此提高穿過膜片18之淨驅動壓力(NDP)，因此提高滲 透物之通量或收集速率。
滲透載體20中之細絲可係由諸如耐綸、聚丙烯或聚酯等有機聚合物製成。由有機聚合物構築而成之滲透載體通常不具有水潤濕性，因此水不自發地在其上散佈。塗覆本文所闡述之滲透載體20以使其親水以促進滲透通道68中之水流動。塗層可係中等分子量之交聯聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯啶酮(PVP)或另一相似化學品。
參考圖6，在將膜葉12附接至中心管16之前，已圍繞中心管16纏繞滲透載體材料70之片。滲透載體材料70可環繞中心管一或多次(例如2至4次)以形成初始纏繞物。自葉12排放之滲透物通過初始纏繞物到達中心管中之孔22。
在典型初始纏繞物中，圍繞中心管纏繞滲透載體，其凸起經圈係沿中心管之中心縱向軸圍繞一個點沿圓圈而纏繞。然而，經編織物在其水流動抗性方面係各向異性的。水可容易地垂直於織物之平面流動，但較不易沿織物平面中之滲透通道流動且甚至較不易垂直於織物平面中之經圈流動。在典型初始纏繞物中，滲透物在徑向方向上朝向中心管流動之抗性可較低。然而，自中心管中之孔之間之葉排放至少一些滲透物且其必須沿中心管之長度軸向地行進以到達孔。滲透物在此軸向方向上流動之抗性較高。此外，由於經編織物之孔隙率值介於20-40%範圍內，因此經編織物阻塞孔面積之大部分。
為減少軸向方向上滲透物流動之抗性，滲透載體材料70相對於其滲透通道68之方向以一角度經切割。例如，滲透 載體材料之後緣72可相對於滲透通道68成80度或更低或70度或更低之角度74。角度74可大於45度或大於60度。因此，滲透通道68相對於中心管16之軸A螺旋形地定向。在圖6中，已極大地放大經圈66及滲透通道68之寬度來允許顯示其螺旋形路徑。螺旋形滲透通道68藉由當滲透物朝向中心管16向內移動時使滲透物沿中心管16之長度移動來減少滲透物朝向中心管16中之孔22軸向流動之抗性。淨驅動壓力提高相同量，因此提高滲透物之通量。
滲透載體材料70可以任一側接觸中心管16之方式捲繞。然而，較佳使滲透載體材料70之經圈側與中心管16之外表面接觸，以減少孔22之阻塞。此外，可將滲透載體材料70編織成具有高於葉12中所用之典型滲透載體之滲透率或孔隙率，此乃因滲透載體材料70不需要抵抗同樣多的壓力。
螺旋捲繞之元件10中之滲透物之通量或收集速率與施加至膜上之壓力相關。驅動滲透物流動穿過葉12中之滲透通道68及自葉12之邊緣朝向中心管16之孔22所需要之壓力使滲透物流動穿過膜之淨驅動壓力減少相同量。藉由使用一或多個具有多層60、62、64之滲透載體20、滲透載體20上之親水塗層及具有螺旋形滲透通道86之圍繞中心管周圍之纏繞物，淨驅動壓力增加從而允許在相同施加壓力下每一元件10使更多滲透物流動。
此書面說明使用實例揭示本發明(包含最佳模式)，且亦使任一熟習此項技術者能夠實踐本發明，包含製造及使用任何裝置或系統及實施納入之任何方法。本發明之可取得 專利之範疇係由申請專利範圍來界定，且可包含彼等熟習此項技術者構想出之其他實例。若該等其他實例具有與申請專利範圍之字面語言無差異之結構要素，或若其包含與申請專利範圍之字面語言具有非實質性差異之等效結構要素，則該等其他實例意欲屬於申請專利範圍之範疇內。
10‧‧‧螺旋捲繞之膜元件
12‧‧‧膜葉
14‧‧‧進料間隔片
16‧‧‧中心管
18‧‧‧大體矩形膜片
20‧‧‧滲透載體片
22‧‧‧小孔
24‧‧‧入口端
26‧‧‧濃縮物端
30‧‧‧螺旋捲繞之膜模組
32‧‧‧壓力容器
34‧‧‧大體管狀主體
36‧‧‧入口端
38‧‧‧出口端
42‧‧‧排放管
52‧‧‧第一端
54‧‧‧第二端
60‧‧‧上層
62‧‧‧中間層
64‧‧‧下層
66‧‧‧凸起經圈
68‧‧‧凹槽/滲透通道
70‧‧‧滲透載體材料
72‧‧‧後緣
圖1係螺旋捲繞之膜元件之透視剖面圖。
圖2係包含圖1之元件之螺旋捲繞之膜模組之透視剖面圖。
圖3係滲透載體片之頂層之照片。
圖4係滲透載體片之中間層之照片。
圖5係滲透載體片之底層之照片。
圖6係圍繞螺旋捲繞之膜元件之中心管纏繞之滲透載體片之側視圖。
10‧‧‧螺旋捲繞之膜元件
14‧‧‧進料間隔片
16‧‧‧中心管
18‧‧‧大體矩形膜片
20‧‧‧滲透載體片
22‧‧‧小孔
24‧‧‧入口端
26‧‧‧濃縮物端

Claims (12)

  1. 一種滲透載體，其包括：a)具有緯圈側及具有凸起經圈之經圈側之經編織物之第一層；及b)具有緯圈側及具有凸起經圈之經圈側之經編織物之第二層，其中該第一層及該第二層之該等凸起經圈皆朝向該滲透載體之內部定向。
  2. 如請求項1之滲透載體，其進一步包括位於該第一層與該第二層之間且具有凸起經圈之經編織物之第三層。
  3. 如請求項1或2之滲透載體，其中該第一層之該等凸起經圈係位於該第二層之該等凸起經圈上方。
  4. 如請求項2之滲透載體，其中該第三層之該等凸起經圈係位於該第一層之該等凸起經圈與該第二層之該等凸起經圈之間。
  5. 如請求項1或2之滲透載體，其具有0.012英吋或更小之厚度。
  6. 如請求項1或2之滲透載體，其中塗覆該第一層及該第二層之細絲以使其表面親水。
  7. 一種具有膜葉之螺旋捲繞之膜元件，其包括圍繞中心管纏繞之如請求項1之滲透載體及圍繞該中心管之第二滲透載體之初始纏繞物，其中該第二滲透載體包括相對於該中心管之中心縱向軸螺旋形定向之滲透通道。
  8. 一種滲透載體片，其包括親水塗層。
  9. 如請求項8之滲透載體片，其中該親水塗層包括交聯聚乙烯醇或聚乙烯吡咯啶酮。
  10. 一種螺旋捲繞之膜元件，其包括：a)中心管；及b)包括圍繞該中心管纏繞之滲透通道之滲透載體，其中該等滲透通道係相對於該中心管之中心縱向軸螺旋形地定向。
  11. 如請求項10之螺旋捲繞之膜元件，其中該滲透載體包括經編織物片且該等滲透通道係由該經編織物片之毗鄰經圈之間之空間界定。
  12. 如請求項10或11之螺旋捲繞之膜，其中用親水塗層塗覆該滲透載體。
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