TWI584869B - 用於雙向直接滲透之裝置及方法 - Google Patents

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Description

用於雙向直接滲透之裝置及方法
本發明一般而言係關於螺旋纏繞薄膜元件及模組。
以下論述並非承認可將下文所論述之任何內容引用為先前技術或一般常識。
通常藉由將一或多個薄膜葉片及進料間隔片包繞在一穿孔中心管上而製作一螺旋纏繞薄膜元件。該等薄膜葉片各自具有放置於兩個大體矩形薄膜片之間的一濾液載體片。該等薄膜片通常沿著三個邊緣密封在一起。該等薄膜葉片之第四邊緣毗鄰於該中心管且通向至該等穿孔。亦可將一或多層濾液載體片包繞於該中心管上以將薄膜葉片支撐於該中心管中之穿孔上方且提供該葉片之邊緣與該中心管之間的一流動路徑。一防伸縮裝置(ATD)可附接於該薄膜元件之端處以阻止該薄膜元件之伸縮鬆散。
原料(亦稱為給水)在該薄膜元件之一端處經引入且流動穿過進料間隔片且沿著該等薄膜片之一進料側流動。該原料中之某些原料通過該等薄膜片以在該等薄膜片之一濾液側上形成一濾液流。該原料之剩餘部分(稱為廢棄流、滯留流或鹽水流)流動穿過該等進料間隔片且流動出該薄膜元件之一出口端。濾液流以一向內螺旋流動之方式沿著該濾液載體流動。濾液流沿循濾液載體直至到達且排出薄膜葉片之第四 邊緣且藉由穿孔進入中心管為止。在中心管內，收集濾液流且將其朝向中心管之一出口端輸送。
濾液在一螺旋纏繞薄膜中之輸送量或收集速率與跨越薄膜施加之壓力有關。然而，驅動濾液流穿過濾液載體(包含自濾液載體之邊緣、朝向中心管)所需之壓力減小用於濾液流穿過薄膜之淨驅動壓力。
另外，薄膜片之進料側表面可累積顆粒(亦稱為污垢)，其可進一步減小用於濾液流穿過薄膜之淨驅動壓力。
欲在下文進一步詳細闡述之一種螺旋纏繞薄膜元件包括在一穿孔中心管與該螺旋纏繞薄膜元件之一周邊區域之間的流體連通。
該螺旋纏繞薄膜元件包含將一或多個薄膜套管及一或多個濾液載體片包繞於該穿孔中心管上。出於此揭示內容之目的，術語「薄膜套管」應係指環繞一進料間隔件之一或多個薄膜片之一套管，視情況其中該薄膜套管在兩個邊緣處密封。一原料可流動穿過該進料間隔件之未經密封或敞開邊緣且沿著該等薄膜片之進料側表面流動。該進料側亦稱為該等薄膜片之內表面。一濾液載體片定位於兩個薄膜片之間。該濾液載體片具有兩個敞開邊緣及兩個封閉邊緣。一個敞開邊緣通向至該中心管且第二敞開邊緣通向至該螺旋纏繞薄膜元件之剖面周邊。
本發明之該螺旋纏繞薄膜元件之該剖面可具有一內部區域、一中間區域及一周邊區域。該內部區域可包括中心管、視情況一基本包層之一層及鄰近於中心管之該等薄膜套管及濾液載體片之部分。該中間區域可包含薄膜套管及該等濾液載體片。該周邊區域可包括該等濾液載體片之一周邊部分。
視情況，該螺旋纏繞薄膜元件亦包含定位於該薄膜元件之一端 或兩端處以阻止該薄膜元件之伸縮鬆散之至少一個防伸縮裝置(ATD)。該ATD可提供該中心管與該周邊區域之間的流體連通。
在使用期間，該螺旋纏繞薄膜元件可將來自原料之顆粒累積於該等薄膜片之內表面上。此累積亦稱為積垢。該等薄膜片之積垢可減小該螺旋纏繞薄膜元件之濾液產生。該螺旋纏繞薄膜元件可藉由直接滲透而得以清潔(亦稱為去積垢)。
在一典型直接滲透程序中，一低溶質溶液排出該穿孔中心管且進入該等薄膜葉片之敞開邊緣以進入該等濾液載體片。將一較高溶質溶液引入至該等進料間隔件中。該薄膜片之兩側上之溶質濃度差異在該等濾液載體片與該進料間隔件之間形成一滲透梯度(亦稱為一濃度梯度)。該濃度梯度致使來自該低溶質溶液之溶劑流動穿過該薄膜片且流動至該較高溶質溶液中。穿過該薄膜之溶劑之流動亦稱為溶劑流通。該溶劑流通可去除、移除或清潔黏著於該薄膜片之該內表面上之污垢中之某些或一顯著部分。直接滲透清潔可繼續直至該薄膜片之該濾液側與該進料側之間的溶質濃度平衡為止。
該低溶質溶液穿過該濾液載體之流率通常慢於該較高溶質溶液穿過該等進料間隔件之流率。由於此流率不同，該滲透梯度往往集中地形成於該內部區域及最接近於該內部區域之該中間區域之部分中。由於該低溶質溶液沒有足夠時間以流動穿過該濾液載體以到達距該中心管更遠處，因此此集中化可能發生。該滲透梯度之該集中化通常導致對污垢之一集中化清潔。未曝露至該滲透梯度之該薄膜片之部分通常保持積垢。
將該低溶質溶液引入至該螺旋纏繞薄膜元件之該內部區域及該周邊區域兩者可增加曝露至該滲透梯度之該等薄膜片之表面面積，此可改良該等螺旋纏繞元件之該直接滲透清潔之效率。
4-4'‧‧‧線
5-5'‧‧‧線
7-7'‧‧‧線
10‧‧‧螺旋纏繞薄膜元件/元件/薄膜元件/上游元件/薄膜模組
11‧‧‧輸入端/邊緣/端/入口端/第一端
12‧‧‧薄膜套管/上部薄膜套管/下部薄膜套管/薄膜葉片
12a‧‧‧封閉邊緣/邊緣/密封邊緣
12b‧‧‧封閉邊緣/邊緣/密封邊緣
12c‧‧‧敞開邊緣
12d‧‧‧敞開邊緣
13‧‧‧輸出端/邊緣/端/出口端/第二端
14‧‧‧進料間隔件
16‧‧‧穿孔中心管/中心管
18‧‧‧薄膜片
18a‧‧‧密封邊緣/邊緣/摺疊邊緣
18b‧‧‧密封邊緣/邊緣
19‧‧‧密封件/膠合線
20‧‧‧濾液載體片/濾液載體/第二濾液載體/濾液板
20a‧‧‧敞開邊緣/邊緣
20b‧‧‧敞開邊緣/邊緣/遠側邊緣
20c‧‧‧封閉邊緣/邊緣
20d‧‧‧封閉邊緣/邊緣
21‧‧‧濾液載體片延伸件/濾液載體/濾液載體延伸件
22‧‧‧孔
23‧‧‧密封件/膠合線
24‧‧‧原料端
26‧‧‧濃縮端
30‧‧‧螺旋纏繞薄膜模組
32‧‧‧壓力容器/給定壓力容器
34‧‧‧大體管狀體
36‧‧‧入口端
38‧‧‧出口端
40‧‧‧防伸縮裝置
42‧‧‧外/包層
46‧‧‧內環形體/環形體
48‧‧‧外環形體/環形體
51‧‧‧細長空心部件/空心部件
53‧‧‧內表面
57‧‧‧埠
60‧‧‧內凸緣
62‧‧‧外凸緣
64‧‧‧外表面
66‧‧‧內表面
68‧‧‧內表面
70‧‧‧外表面
72‧‧‧凹部
74‧‧‧前斜面邊緣/前邊緣
76‧‧‧壓蓋
78‧‧‧密封件
500‧‧‧內部區域
502‧‧‧中間區域
504‧‧‧周邊區域
512A‧‧‧薄膜套管
512B‧‧‧薄膜套管
512C‧‧‧薄膜套管
512D‧‧‧薄膜套管
520‧‧‧濾液載體/濾液載體片
521‧‧‧濾液載體片延伸件
521'‧‧‧濾液載體片/濾液載體片延伸件
521"‧‧‧濾液載體片/濾液載體片延伸件
550‧‧‧單向閥
A‧‧‧線
B‧‧‧線
C‧‧‧線
D‧‧‧線
E‧‧‧線
圖1係一螺旋纏繞薄膜元件之一部分剖視透視圖。
圖2係一螺旋纏繞薄膜元件之一部分剖視透視圖。
圖3係供用於圖1之薄膜元件中之一薄膜套管及濾液載體之一部分剖視俯視平面圖。
圖4係經由圖3之線4-4’截取之一薄膜套管之一剖面圖。
圖5A係經由線5-5’截取之圖2之螺旋纏繞薄膜元件之一剖面示意圖。
圖5B係圖5A之方塊A之一近視圖。
圖6係供與圖1之螺旋纏繞薄膜元件一起使用之一防伸縮裝置之一剖視分解透視圖。
圖7係經由圖3之線7-7’截取之防伸縮裝置之一剖面圖。
圖8係串聯連接之兩個螺旋纏繞薄膜元件之一剖面圖。
本發明闡述提供兩股濾液流之一螺旋纏繞薄膜元件。第一濾液流螺旋向內流動以被收集於薄膜元件之一中心管內。第二濾液流沿相反方向螺旋向外流動以自薄膜元件之一周邊區域被收集。
本發明亦闡述一種利用用於直流滲透清潔一螺旋纏繞薄膜片之不同濃度之兩種溶液清潔螺旋纏繞薄膜元件之方法。可將第一溶液引入至螺旋纏繞薄膜片之一第一側之一中心區域及周邊區域兩者。將第二溶液引入至薄膜片之第二側。在薄膜片之兩側之間建立一滲透梯度且來自較低濃度溶液之溶劑跨越薄膜片移動以移除積聚於含有更高度濃縮溶液之薄膜片之側上之顆粒。
參考圖1及圖2，一螺旋纏繞薄膜元件10具有一輸入端11及一輸出端13。螺旋纏繞薄膜元件10可藉由將一或多個薄膜套管12及濾液載體片20包繞於一穿孔中心管16上而形成。中心管16亦可稱為一芯、一濾液管或一產出水收集管。中心管16具有一原料端24及一濃縮端26。中 心管16之穿孔可包括複數個孔22。孔22可具有大約0.125英寸(大約3.2mm)之一直徑且提供濾液載體片20與中心管16之內部之流體連通。
如圖2、圖3及圖4中所展示，每一薄膜套管12包含兩個薄膜片18，其中一進料間隔件14在該兩個薄膜片之間。為形成薄膜套管12，薄膜片18具有可彼此實質上平行之兩個經密封邊緣18a及18b。邊緣18a可實質上平行於且毗鄰於中心管16定位，如圖3中所展示。兩個薄膜片18可藉由一密封件19在邊緣18a及18b處密封在一起以形成薄膜套管12之封閉邊緣12a及12b，如圖3及圖4中所展示。此項技術中已知之若干材料適合於用作密封件19(諸如一膠合線)，只要密封件19不准許跨越邊緣12a及12b之流體連通即可。每一薄膜套管12亦包含實質上垂直於邊緣12a及12b之兩個敞開邊緣12c及12d。進料間隔件14定位於薄膜套管12內且在兩個薄膜片18之間以使得每一薄膜片18之一內表面毗鄰進料間隔件14。進料間隔件14與螺旋纏繞薄膜元件10之輸入端11及輸出端13流體連通。
薄膜片18之密封邊緣18a及18b與其之間的進料間隔件14一起形成具有封閉邊緣12a及12b以及敞開邊緣12c及12d之薄膜套管12。
進料間隔件14充當一導管以供一原料溶液流動穿過薄膜套管12且跨越薄膜片18之內表面。原料可通常自元件10之輸入端11流動至輸出端13，在薄膜套管12之敞開邊緣之間流動。
薄膜片18具有澆鑄於一支撐或背襯層上之一分離層。分離層可係，舉例而言，乙酸纖維素、一聚醯胺、一薄膜複合物或可形成一分離薄膜之其他材料。分離層可具有，舉例而言，在逆滲透、奈米過濾或超過濾範圍中之細孔以使得來自原料之期望之分子可通過薄膜片18且進入至一濾液流中。分離層形成內表面且面向進料間隔件14內之原料。與分離層相對的是毗鄰濾液載體片20之背襯層。亦可將背襯層稱為薄膜片18之濾液表面。
濾液載體片20係大體矩形的，具有實質上平行於薄膜套管12之封閉邊緣12a及12b之敞開邊緣20a及20b。濾液載體片20亦具有實質上平行於薄膜套管12之敞開邊緣12c及12d之兩個封閉邊緣20c及20d。封閉邊緣20c及20d由一密封件23密封。此項技術中已知之若干材料適合於用作密封件23(諸如一膠合線)，只要密封件23不准許在邊緣20c及20d處跨越濾液載體片20之流體連通即可。膠可充滿毗鄰薄膜套管12之間且密封件23可通常自濾液載體片之邊緣20c及20d延伸約1cm至5cm。
圖4展示定位於兩個薄膜套管12之間的濾液載體片20及在下面之一第二濾液載體20。在邊緣20a處，濾液載體片20與中心管16中之小孔22流體連通。視情況，可在第一薄膜套管12附接至中心管16之前，將一額外濾液載體片(其可或可不與濾液載體片20相同之材料)或濾液載體片20之一延伸件包繞於中心管16上成一或多層。濾液載體片20之此初始包層將薄膜套管12支撐於孔22上方且提供一路徑以將來自濾液載體片20之濾液引導至中心管16中之孔22。
濾液載體片20亦包含遠離邊緣20a延伸之一濾液載體片延伸件21以使得邊緣20b不與薄膜套管12之封閉邊緣12b重合(參見圖3及圖4)。濾液載體片延伸21可越過薄膜片18之邊緣18b遠離邊緣20a延伸，。濾液載體片延伸21可越過薄膜套管12之封閉邊緣12b充分地延伸以阻止兩個毗鄰薄膜套管12彼此接觸。舉例而言，濾液載體片延伸21可越過一毗鄰薄膜套管12之邊緣12b延伸大約1cm至10cm、或2cm至4cm，如將在下文進一步闡述。
當形成薄膜元件10時，將一或多個薄膜套管12(舉例而言1至40)及一或多個濾液載體片20包繞於中心管16上。每一薄膜套管12具有一相關聯濾液載體片20，舉例而言，一或多個薄膜套管12可與相關聯濾液載體片20呈一個一比一比率。當薄膜元件10經包繞且以剖面觀看 時，如在圖5A及圖5B中，鄰近於中心管16之區通常界定薄膜元件10之一內部區域500。內部區域500包含中心管16之膛孔、中心管16之壁及可形成中心管16上之一初始包層之一或多層濾液載體(如圖4中所展示)。一中間區域502毗鄰內部區域500形成且其包括複數個薄膜套管12及濾液載體片20中之一或多個纏繞層。儘管在圖5A或圖5B中未展示，但中間區域通常包括各自自內部區域500延伸且包繞於內部區域500上之至少四個薄膜套管12及至少四個濾液載體片20。毗鄰中間區域502的是薄膜元件10之一周邊區域504。周邊區域504包括薄膜套管12之邊緣12b之終端點、濾液載體片20之邊緣20b之終端點、濾液載體片延伸21及一外包層42。周邊區域504整體表示為圖5A及圖5B中之虛線與中間區域502之間的區域。
在將薄膜套管12及濾液載體片20纏繞於中心管16上之後，一個薄膜套管12之邊緣12b不與毗鄰薄膜套管之邊緣12b對齊。如圖5B中所繪示，線A、B、C及D各自分別大約指示四個薄膜套管512A、512B、512C及512D中之每一者之邊緣12b之終端點。舉例而言，線A與B之間的距離反映薄膜套管512A之邊緣12b與薄膜套管512B沿著螺旋纏繞薄膜元件10之彎曲表面之大約距離。此間距由以下原因引起：薄膜套管12大體係相同尺寸，但薄膜套管12中之每一者在邊緣處12a經附接於內部區域500內之一不同點處，與濾液載體片20之初始包層連接或者直接連接至中心管16(未展示)。
當將螺旋纏繞薄膜元件10包繞於中心管16上時，每一個別濾液載體片20可毗鄰一下部薄膜套管12及一上部薄膜套管12。個別濾液載體片20定位於下部薄膜套管12之頂部上及上部薄膜套管12下面以使得上部薄膜套管12與下部薄膜套管12不接觸。舉例而言，如圖5B中所展示，濾液載體520定位於下部薄膜套管512B上及上部套管512A下方。濾液載體片延伸521經展示為延伸超過上部薄膜套管512A之邊緣 12b(在圖5B中展示為線A)但未延伸以會合下部薄膜套管512B之邊緣12b(在圖5B中展示為線B)。濾液載體片延伸21形成至少部分地上覆薄膜套管12之一外濾液載體層或一系列條帶。
當將螺旋纏繞薄膜元件10包繞於中心管16上時，濾液載體片20為以一向內旋轉方式圍繞且朝向中心管16前進之濾液流提供一第一流動路徑。返回參考圖5B，橫跨穿過薄膜套管512A及512B之薄膜片18之濾液將聚集且在濾液載體片520內第一流動路徑上朝向內部區域500行進。
濾液載體片20亦為以一外向旋轉方式圍繞但遠離中心管16流動之濾液流提供一第二流動路徑。沿循第二流動路徑之濾液行進穿過濾液載體片20及濾液載體片延伸21朝向敞開邊緣20b且大體朝向螺旋纏繞薄膜元件10之周邊區域504。參考圖5B，橫跨穿過薄膜套管512A及512B之薄膜片18之濾液中之某些濾液將聚集且在濾液載體片520內第二流動路徑上朝向周邊區域504行進。如將在下文進一步論述，沿循此第二濾液流動路徑之濾液藉由防伸縮裝置40自周邊區域504收集。膠合線23確保濾液僅可藉由敞開邊緣20a排出濾液載體片20以跟隨第一濾液流至中心管16或藉由敞開邊緣20b或濾液載體片延伸21至周邊區域504且最終至一防伸縮裝置40。
此外，當將螺旋纏繞薄膜元件10包繞於中心管16上時，膠合線23確保螺旋纏繞薄膜元件10之邊緣11及13之外部與濾液載體片20之間不存在流體連通。
如圖1及圖3中所展示，一防伸縮裝置(ATD)40定位於螺旋纏繞薄膜元件10之端11及13處。ATD 40阻止薄膜套管藉由螺旋纏繞薄膜元件10內之壓力梯度而被沿著中心管16之長度推動。藉由膠、膠帶、外包層42或其他適合已知方法將ATD 40固定至中心管16。
將一外包層42緊固於螺旋纏繞薄膜元件10周圍以輔助ATD 40阻 止使用期間之退繞。外包層42由濾液流不可滲透之材料製成，舉例而言一塑膠片或纖維強化塑膠(諸如嵌入於環氧樹脂中之玻璃纖維)。外包層42與濾液載體片延伸21之外部或外表面接觸且包層42在每一端處密封至ATD 40之外部。
ATD 40包含接近於濾液載體20之最外層定位之一外環形體48。外環形體48包含沿著其圓周之一凹部72，凹部72面向周邊區域504(包含濾液載體片延伸21之外表面)。外環形體48包含一濾液接收器58，濾液接收器58自外環形體48延伸於外包層42與濾液載體片延伸21之外表面之間，如圖7中所展示。濾液接收器58包含一內凸緣60及一外凸緣62，在其間界定一凹部72。每一凸緣及因此凹部72圍繞外環形體48之圓周延伸。內凸緣60具有一內表面66及一外表面64。類似地，外凸緣具有一內表面68及一外表面70。內凸緣60之外表面64毗鄰濾液載體片延伸21之外表面。外凸緣62之外表面70毗鄰外包層42。
如圖7中，濾液接收器58之外凸緣62延伸超過內凸緣60。舉例而言，外凸緣62包含一前斜面邊緣74，前斜面邊緣74延伸超過內凸緣60以與濾液載體片延伸21之外表面接觸以將第二濾液流自周邊區域504導引至ATD 40之凹部72中。前邊緣74亦提供一較大表面面積以用於藉助外包層42將ATD 40固定至螺旋纏繞薄膜元件10。
如圖6及圖7中所展示，ATD 40亦包含一內環形體46，其中至少一個細長空心部件51連接ATD 40之兩個環形體46、48。舉例而言，ATD 40可類似於一貨車車輪結構(如圖6中所繪示)且包含允許外環形體48與內環形體46之間的流體連通之穿過空心部件51之流體流動通道。
內環形體46之內表面53可鄰近於、連接至或貼附至中心管16之外表面54。內環形體可包含提供跨越內環形體46至中心管16之流體連通之一或多個埠57。埠57提供與中心管16之小孔22中之至少一者之流 體連通。每一埠57與一細長空心部件51流體連通，細長空心部件51又與ATD 40之外環形體48之凹部72流體連通。藉此形成自周邊區域504至內部區域500之一流體通路。舉例而言，流動通路可包含ATD 40之凹部72、細長空心部件51及埠57。
跟隨第二濾液流動流之濾液螺旋行進朝向濾液載體片延伸21之邊緣20b，大體朝向周邊區域504且被收集於ATD 40之外環形體48中且經引導穿過細長空心部件51、穿過內環形體46且經由埠57至中心管16中。
參考圖1，一螺旋纏繞薄膜模組30具有位於一壓力容器32內部之一螺旋纏繞薄膜元件10。壓力容器32可係如通常與螺旋纏繞薄膜元件一起使用之一壓力容器。壓力容器32具有一大體管狀體34，大體管狀體34具有毗鄰螺旋纏繞薄膜元件10之輸入端11之一入口端36。壓力容器32亦具有一出口端38，出口端38毗鄰螺旋纏繞薄膜元件10之出口端13及中心管16之濃縮端26。
螺旋纏繞薄膜元件10之入口端11及出口端13係密封的且提供與壓力容器32之內部之流體連通。可在元件10之一外包層42與一壓力容器32之內部之間提供周邊密封以阻止流體連通越過一螺旋纏繞薄膜元件10而不通過其進料間隔件14。此外，膠合線23阻止自入口端36至濾液載體片20之直接流體連通。
在一額外選用特徵中，外環形體48亦可包含可與濾液接收器58相對定位之一壓蓋76及密封件78(舉例而言，一O形密封件)。密封件78形成抵靠壓力容器32之內表面之一密封。舉例而言，壓蓋76及密封件78可密封預防來自繞過螺旋纏繞薄膜元件10之任何濾液之洩漏及原料之洩漏。
在一額外選用特徵中，濾液載體片延伸21可延伸至毗鄰濾液載體片20之下部薄膜套管12之邊緣12b。參考圖5B，濾液載體片521’包 含延伸線B與線C之間的距離以會合薄膜套管512C之最外邊緣512b之濾液載體片延伸521’。在此額外選用特徵之情況下，濾液載體21之最外層(如圖7中所展示)並非係與外包層42接觸之濾液載體片20之一連續層。相反，濾液載體片延伸21形成自在每一端處由膠合線23密封之螺旋纏繞薄膜元件10之輸入端11至輸出端13延伸之濾液載體片延伸21之一組不連續帶或條帶。
在一額外選用特徵中，濾液載體片延伸21可延伸超過下部薄膜套管12之邊緣12b。參考圖5B，濾液載體片521”包含延伸超過線C與線D之間的距離且因此超過薄膜套管512D之最外邊緣512b之濾液載體片延伸521”。在此選用特徵中，濾液載體片延伸521”延伸以會合超過線D之線E。在此額外選用特徵之情況下，個別濾液載體片可延伸越過下部薄膜套管之邊緣20b以與下一濾液載體片直接接觸。舉例而言，參考圖5B，濾液載體片延伸521’可延伸越過線C朝向線D(未展示)且接觸濾液載體片延伸521”。藉此形成具有與外包層42直接接觸之一外表面之濾液載體延伸21之一連續外層，如圖7中所展示。
在一額外選用特徵中，濾液載體片延伸21可遠離邊緣20a延伸至越過毗鄰之下部薄膜套管12之邊緣12b大約1cm至5cm處。
在一額外選用特徵中，一個以上螺旋纏繞薄膜元件10可位於一給定壓力容器32內。此等多個螺旋纏繞薄膜元件10可串聯連接。第一螺旋纏繞薄膜元件10之第一端11經密封、自壓力容器32直接引出或者連接至自壓力容器32引出之一配件以接收原料。若一壓力容器32中存在多個元件10，則一上游元件10之第二端13通常連接至一下游元件之第一端11。一壓力容器32中之最後螺旋纏繞薄膜元件10之第二端13經密封、自壓力容器32直接引出或者將端13連接至自壓力容器32引出之一配件。可在元件10之外包層(未展示)與一壓力容器32之內部之間提供周邊密封以阻止原料流動越過一元件10而不穿過薄膜套管12之進料 間隔件14。
在一額外選用特徵中，薄膜套管12由在邊緣18a處摺疊且在邊緣18b處密封之一單個薄膜片形成，導致一薄膜套管，其中進料間隔件14定位於經摺疊薄膜之間。可藉助一膠帶或膜強化經摺疊邊緣18a。
在一額外選用特徵中，端接於螺旋纏繞薄膜元件10之周邊區域504中之濾液載體片20之濾液載體片延伸21除諸如網狀物之典型濾液載體材料以外亦可由有助於濾液流體流動穿過其之任何其他填充材料製成。在此一選用特徵之情況下，在周邊區域504內含有填充材料之一空間可形成於濾液載體片延伸21之外表面與外包層42之內表面之間。此外，視情況，一填充材料可包繞於濾液載體片延伸21之外表面上方。如上文所闡述，ATD 40之濾液接收器可延伸至此空間中以將濾液自第二濾液流路徑導引至ATD 40之內部流動通路中且至中心管16中。
在過濾操作期間，待過濾之原料溶液穿過在壓力容器32之入口端36處之一入口(未展示)進入。原料會合螺旋纏繞薄膜元件10之邊緣11。原料不能自封閉邊緣20c或者20d中之任一者進入濾液載體片。原料穿過敞開邊緣12c進入薄膜套管12且流動穿過進料間隔件14且跨越每一薄膜片18之內表面。一旦在薄膜套管12內部，膠合線19便阻止原料在封閉邊緣12a及12b處排出薄膜套管12。原料流之所得方向係自敞開邊緣12c至敞開邊緣12d。
當原料流動穿過薄膜套管12時，濾液可通過薄膜片18之內表面至毗鄰濾液載體片20之薄膜片18之濾液表面，而溶解鹽類或懸浮固體或其他污染物之透過可取決於薄膜片18細孔大小而被薄膜片18拒絕且在一廢棄流中被帶走。廢棄流保持於與原料相同之薄膜片18之側上，藉此將原料濃縮於經廢棄溶質中以使得一濃縮廢棄流114透過一排放管(未展示)在出口端38處離開壓力容器32。
在過濾操作期間，薄膜片18之內表面可由原料中之顆粒(亦稱為污垢)積垢，污垢黏著至薄膜片18之內表面、積聚於其內或黏附於其上。污垢可堵塞薄膜片18之細孔且減小濾液穿過薄膜片18之內表面之流量。污垢亦可提供一基板以供其他顆粒黏著至薄膜片18之內表面。
隨著原料沿著薄膜片18之內表面移動，濾液通過薄膜片18且自廢棄流聚集於薄膜片18之相對側上。舉例而言，濾液通過薄膜片18之內表面且排出薄膜套管12，而廢棄流保持在薄膜套管12內直至被排放為止。濾液聚集於濾液載體片20內之空間內。濾液載體片20之封閉邊緣20c及20d阻止濾液排出濾液載體片20(惟除穿過敞開邊緣20a、20b或濾液載體延伸21之外)。如上文所闡述，濾液流體沿著濾液載體片20之流動可沿一個或兩個方向或者兩者發生。
第一濾液流動路徑沿循通常用於一螺旋纏繞薄膜元件之流動路徑。在沿循第一濾液流路徑時，濾液流體可在向內螺旋朝向中心管16之一徑向路徑中流動。邊緣20a提供與中心管16之孔22之流體連通以使得濾液可聚集於中心管16內部且然後通常以自原料端24導引至中心管16之濃縮端26之一流的方式行進。
濾液流體亦沿循通常沿與第一濾液流動路徑相反之方向之第二濾液流動路徑。舉例而言，濾液流體可沿循外向螺旋、遠離中心管16朝向螺旋纏繞薄膜元件10之周邊區域504之一徑向流動路徑。沿循第二濾液流動路徑之濾液流體可沿著濾液板20、遠離邊緣20a、朝向邊緣20b行進。沿循第二濾液流動路徑之濾液流體可向前且縱向地行進穿過濾液載體片延伸21中之一或多者以被收集於螺旋纏繞薄膜元件10之周邊區域504內(舉例而言，在ATD 40內)。
在清潔操作期間，可將兩股溶液引入至螺旋纏繞薄膜元件10中。可將一第一溶液引入至中心管16中(較佳地在濃縮端26處)且該第一溶液可藉由孔22進入濾液載體片20之敞開邊緣20a。視情況，中心 管16之原料端24可與壓力容器32之外部流體連通以允許在中心管16之任一端或兩端處引入第一溶液。第一溶液可自中心管16沿著濾液載體片20流動穿過內部區域500。第一溶液亦可流動穿過孔22以藉助ATD 40之空心部件51與周邊區域504連通。第一溶液可自ATD 40之凹部72流動且藉由敞開邊緣20b進入濾液載體片延伸21。
第一溶液可在濾液載體片20內自內部區域500及周邊區域504兩者流動以進入至中間區域502中。內部區域500、中間區域502及周邊區域504可含有第一溶液且每一薄膜片18之實質上整個濾液側表面可與第一溶液接觸。術語「接觸」係指一溶液毗鄰薄膜片18之一表面以使得在滲透梯度或流體壓力或其兩者之影響下溶液之一溶劑可流動穿過薄膜片18。此外，第一溶液可自內部區域500及周邊區域504兩者流動至中間區域502。
可將一第二溶液引入至壓力容器32之入口端36或出口端38或其兩者。較佳地，僅使用一端來將第二溶液引入至壓力容器32。類似於在過濾操作期間原料之流動路徑，薄膜套管12之密封邊緣12a、12b及任何周邊密封件導引第二溶液流動穿過進料間隔件14。第二溶液沿著薄膜片18之內表面流動貫穿螺旋纏繞薄膜元件10之內部區域500、中間區域502及周邊區域504。第二溶液可與每一薄膜片18之實質上整個內表面接觸。
第一溶液與第二溶液可具有不同溶質濃度。兩種溶液之間的溶質濃度差可足夠大以便致使溶劑在兩種溶液之間無任何流體壓力差之情況下自一種溶液穿過薄膜片18移動或流通至另一種溶液中。當第一溶液與薄膜片18之濾液表面接觸且第二溶液與薄膜片18之內表面接觸時，在薄膜片18之濾液表面與內表面之間形成或產生一滲透梯度(亦稱為一濃度梯度)。舉例而言，第一溶液與第二溶液兩者可係一鹽溶液且第一溶液中之溶質之濃度低於第二溶液。濃度差將使溶劑(舉例 而言，水)自來自濾液載體片20之第一溶液跨越薄膜片18移動至第二溶液中。由於滲透梯度所致之穿過薄膜片之溶劑之移動亦稱為溶劑流通。溶劑流通可去除、移除或清潔來自薄膜片18之內表面之污垢。溶劑流通可繼續直至在第一溶液與第二溶液之間建立一滲透平衡為止。
可在引入第二溶液之前、之後或與其同時引入第一溶液。保持於薄膜元件10中之濾液可用作第一溶液直至透過薄膜片將其取出且用新的第一溶液替代為止。較佳地，直至第一溶液已穿過一給定壓力容器32內之每一螺旋纏繞薄膜元件10之所有內部區域500、中間區域502及周邊區域504建立與濾液載體片20之接觸才引入第二溶液。以此方式，將沿著所有薄膜片18之實質上整個區在濾液表面與內表面之間建立滲透梯度。
視情況，如圖8中所展示，一流動限制可位於中心管16內在引入第一溶液之薄膜模組10之相對端處或在其附近。在此選項中，較佳地僅在中心管16之一端處引入第一溶液。舉例而言，在濃縮端26處引入第一溶液且將流動限制定位於原料端24附近。流動限制限制第一溶液沿著中心管16之縱向軸流動且導引第一溶液穿過孔22流動出。第一溶液之一部分將藉由毗鄰中心管16之薄膜葉片12之敞開邊緣進入濾液載體片20。第一溶液之另一部分可藉由流動穿過ATD 40且接觸濾液載體片20之遠側邊緣20b而進入濾液載體片20。流動限制可係導引第一溶液穿過孔22但並不顯著阻礙在過濾操作期間濾液流動穿過中心管16之一單向閥550。視情況，可使用系列薄膜元件10之原料端24來自薄膜元件10抽出濾液，同時將第一溶液添加至濃縮端26以便允許在將第二溶液施加至薄膜元件10之前中間區域502由濾液沖洗且用第一溶液填充。
如上文所闡述，多個螺旋纏繞薄膜元件10可在一個壓力容器32內。多個螺旋纏繞薄膜元件10可串聯連接且與用於每一螺旋纏繞薄膜 元件10之一流動限制共用一共同中心管16。較佳地，在毗鄰螺旋纏繞薄膜元件之間延伸之中心管16之區段不具有孔22或者孔22被堵塞以阻止毗鄰螺旋纏繞薄膜元件10之間的流體損失。在此選項中，可藉由流動限制將第一溶液導引穿過孔22且周邊區域504中之第一溶液之至少一部分將進入定位於與流動限制相同之螺旋纏繞薄膜元件10之端處之ATD 40之凹部72。第一溶液之此部分可自周邊區域504流動穿過空心部件51且流動至毗鄰螺旋纏繞薄膜元件10之間的中心管16中。第一溶液之此部分然後將進入毗鄰螺旋纏繞薄膜元件10且其中之流動限制將導引第一溶液流動穿過孔22。
應理解，本文中對螺旋或徑向濾液流之提及並不排除沿邊濾液流，即沿連接邊緣20c及20d之方向穿過濾液載體片之流。兩個相反流動路徑119及120可僅在垂直於螺旋纏繞薄膜元件10之長度之一平面中完全相反。
此書面說明使用實例來揭示本發明(包含最佳模式)且亦使得熟習此項技術者能夠實踐本發明(包含製作及使用任何裝置或系統及執行任何併入之方法)。本發明之可取得專利之範疇由申請專利範圍界定且可包含熟習此項技術者想出之其他實例。
10‧‧‧螺旋纏繞薄膜元件/元件/薄膜元件/上游元件/薄膜模組
11‧‧‧輸入端/邊緣/端/入口端/第一端
13‧‧‧輸出端/邊緣/端/出口端/第二端
16‧‧‧穿孔中心管/中心管
24‧‧‧原料端
26‧‧‧濃縮端
30‧‧‧螺旋纏繞薄膜模組
32‧‧‧壓力容器/給定壓力容器
34‧‧‧大體管狀體
36‧‧‧入口端
38‧‧‧出口端
40‧‧‧防伸縮裝置
42‧‧‧外包層

Claims (8)

  1. 一種螺旋纏繞薄膜元件，其包括：一穿孔中心管，其在一端處具有一流動限制；一或多個薄膜套管，每一套管包含在兩個邊緣處封圍於一進料間隔件上且包繞於該中心管上之兩個薄膜片；一濾液載體，其與該等薄膜套管呈一比一比率且在與一第二邊緣相對之一第一邊緣處附接至該中心管；及一密封件，其在該濾液載體之一第三及第四邊緣上，自該第一邊緣延伸至該第二邊緣；及一防伸縮裝置，其緊固於該穿孔中心管之各端，該防伸縮裝置包含在該螺旋纏繞薄膜元件之一周邊區域與該中心管之間連通之一通路。
  2. 如請求項1之螺旋纏繞薄膜元件，其進一步包括包繞於該一或多個薄膜套管及該濾液載體上之一外包層。
  3. 如請求項1之螺旋纏繞薄膜元件，其中該濾液載體自該第二邊緣延伸超過該薄膜套管。
  4. 如請求項1之螺旋纏繞薄膜元件，其中該螺旋纏繞薄膜元件經裝納於一壓力容器內。
  5. 如請求項1之螺旋纏繞薄膜元件，其中該流動限制係一單向閥。
  6. 一種用於清潔一螺旋纏繞薄膜元件之方法，其中該螺旋纏繞薄膜元件包括一穿孔中心管，其在一端處具有一流動限制；一或多個薄膜套管，每一套管包含在兩個邊緣處封圍於一進料間隔件上且包繞於該中心管上之兩個薄膜片；一濾液載體，其與該等薄膜套管呈一比一比率且在與一第二邊緣相對之一第一邊緣處附接至該中心管；一密封件，其在該濾液載體之一第三及第四邊緣上，自該第一邊緣延伸至該第二邊緣；及一防伸縮裝 置，其緊固於該穿孔中心管之各端，該防伸縮裝置包括在該螺旋纏繞薄膜元件之一周邊區域與該中心管之間連通之一通路，該方法包括：將一第一溶液引入至該螺旋纏繞薄膜元件之一第一側，其中該第一溶液經由該防伸縮裝置之該通路引入穿過該螺旋纏繞薄膜片之一中心區域且穿過該螺旋纏繞薄膜片之周邊區域；將一第二溶液引入至該螺旋纏繞薄膜元件之一第二側，其中該第二溶液具有高於該第一溶液之一溶質濃度；在該第一側與該第二側之間建立一濃度梯度；將一第一溶劑自該第一側傳送至該第二側，其中該第一溶劑移除位於該螺旋纏繞薄膜片之該第二側上之一污垢；及收集含有該污垢之一廢物流。
  7. 如請求項6之方法，其中在該第一溶液接觸實質上該整個第一側之後引入該第二溶液。
  8. 如請求項6之方法，其中在已將濾液自該第一側移除且用第一溶液替代之後引入該第二溶液。
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