TWM449628U - 多層膜結構 - Google Patents

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TWM449628U TW101221054U TW101221054U TWM449628U TW M449628 U TWM449628 U TW M449628U TW 101221054 U TW101221054 U TW 101221054U TW 101221054 U TW101221054 U TW 101221054U TW M449628 U TWM449628 U TW M449628U
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Kun-Tsung Lu
Shu-Heng Wen
Ping-Yao Wu
Wen-Yueh Hsu
Meng-Hsuan Lai
Chia-Cheng Liu
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Ind Tech Res Inst
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Description

多層膜結構
本創作是有關於一種用於微過濾、超過濾、奈米過濾、薄膜蒸餾之過濾流體的多層膜結構。
因應全球水資源缺乏議題，因而使水處理薄膜技術持續受到關注，其中超過濾層雖然有大部分應用在生化分離純化處理以及有機物的分離上，但超過濾層應用於水處理、廢水回收、海淡純水等各式前處理上需求也是日益增加且相當重要的。
一般而言，關於進行淨水處理、地下排水處理、或工業排水的處理等濁度高的被處理水的固體-液體分離的方法，有進行砂過濾或重力沈澱等方法。然而，由該些方法所進行的微過濾、超過濾、奈米過濾、薄膜蒸餾分離具有發生所獲得的處理水的水質不充分的情況、或為了進行固體-液體分離而需要廣大的用地等問題。對此，若使用分離膜來進行被處理水的過濾處理，則可獲得水質較高的處理水。
本創作提供一種多層膜結構，其具有較佳的機械強度與濾淨效能。
本創作的一實施例提出一種多層膜結構，包括多孔性基材、第一過濾層以及第二過濾層。第一過濾層配置在多孔性基材上，且第一過濾層具有多個指狀通道，且各指狀 通道的深寬比(Aspect Ratio)為0.1至0.7。第二過濾層配置在第一過濾層上，第二過濾層具有多個微孔洞，其中指狀通道連通微孔洞，且第一過濾層與第二過濾層之間不存在界面。
基於上述，在本創作的上述實施例中，多層膜結構藉由將其第一過濾層與第二過濾層依序配置在多孔性基材上，因而能以多孔性基材作為主結構，而提高多層膜結構的結構強度。再者，第二過濾層具有多個微孔洞，第一過濾層具有多個指狀通道，微孔洞連通於指狀通道，且第一過濾層與第二過濾層之間不存在界面。據此，流體中的固體能因微孔洞而被阻擋於多層膜結構之外，但液體卻能因指狀通道而提高其通量，因而得以提高過濾的效率。
為讓本創作之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本創作一實施例的一種過濾器的示意圖。圖2是圖1的過濾器中多層膜結構的剖面示意圖。在此為明確描述結構特徵，故以電子顯微鏡圖作為描述圖式。請同時參考圖1與圖2，在本實施例中，過濾器10為螺捲式(spiral-wound type)過濾器，其依序將多層膜結構100、滲透收集材料200、多層膜結構100以及最外層的蓋膜300捲繞包覆起來。在此並未限制過濾器10的結構及其分佈型式，其端賴過濾器10所應用之環境與過濾條件而定。
在本實施例中，流體從圖1右側逐次通過過濾器10 內的層層結構，而使流體的部分通過，微過濾、超過濾、奈米過濾、薄膜蒸餾中之固體或膠體或汽化的部分被擷取，使最終通過的流體從濾液收集管400流出過濾器10，因此達到過濾的效果。但，在此並未限定流體通過過濾器10的方式，其例如是藉由壓力差、濃度差異、溫度差異或電性差異等，端賴過濾器10所使用之條件與過濾之對象而定。
請再參考圖2。在本實施例中，多層膜結構100包括多孔性基材130、第一過濾層110以及第二過濾層120。多孔性基材130例如是織布或不織布，其作為第一過濾層110與第二過濾層120的承載基底，以讓多層膜結構100具有較佳的結構強度(例如具有抗拉伸能力)，而使多層膜結構100不易因變形而造成第一過濾層110與第二過濾層120受損。再者，多孔性基材130具有如圖2所繪示由縫隙、孔洞等構成的纖維化結構，其能與第一過濾層110、第二過濾層120連通，而同樣產生過濾的效果。
在此並未限制多孔性基材的製作方式及材質。在本創作的其他實施例中，多孔性基材130的材質亦可為聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚乙烯對苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate,PET)、或聚苯胺(Polyaniline,PAN)。
此外，第一過濾層110，例如是以聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚醚(polyethersulfone,PES)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)、聚四氟乙烯 (polytetrafluoroethylene,PTFE)、CA、聚亞醯胺(Polyimide,PI)、聚乙烯與聚丙烯的其中之一所製成的塗料，而將其塗佈在多孔性基材130上所形成的結構。第二過濾層120，例如是以聚苯乙烯、聚醚、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、CA、聚亞醯胺聚乙烯與聚丙烯的其中之另一所製成的塗料，而將其塗佈在第一過濾層110上所形成的結構。在此並未限制第一過濾層110與第二過濾層120的塗佈方式，其可為一次性塗佈在多孔性基材130上，亦可分次塗佈在多孔性基材130上。
圖3是圖2在A部分的電子顯微鏡示意圖，用以進一步描述圖2中第二過濾層120的結構特徵。與圖2類似，在此同樣以電子顯微鏡圖而使結構特徵能被清楚地描述。請同時參考圖2與圖3，在此值得注意的是，藉由在塗佈過程中對形成第一過濾層110與第二過濾層120的塗料之間予以適當地控制，進而使第一過濾層110與第二過濾層120形成如圖2、圖3所繪示之結構特徵。
進一步地說，在本創作的實施例中，藉由在塗佈時，第一過濾層110的塗料黏度大於第二過濾層120的塗料黏度，因而能成型出第一過濾層110與第二過濾層120的結構，其中使第一過濾層110具有多個指狀通道112，而第二過濾層120具有多個微孔洞122，且指狀通道112與微孔洞122之間保持連通狀態。再者，藉由塗料的黏度控制進一步地使第一過濾層110與第二過濾層120之間無界面產生，進而避免第一過濾層110與第二過濾層120彼此阻 塞而影響其過濾的效能。另一方面，由於纖維化結構的存在，因此第一過濾層110的指狀通道112同時連通於多孔性基材130的孔洞或縫隙。
請再參考圖2，在本實施例中，多孔性基材130的剖面厚度與第一過濾層110的剖面厚度之和為100微米至250微米，而第二過濾層120的剖面厚度為0.1微米至50微米。在另一未繪示的實施例中，第一過濾層與第二過濾層的剖面厚度和為0.1微米至150微米。在此，設計者可依據過濾條件與對象等決定塗佈在多孔性基材130上的塗料厚度。
另外，在本實施例中，第二過濾層120的微孔洞122的大小為0.001微米至0.3微米，而微孔洞122在第二過濾層120之表面S1上的孔洞密度為百分之二至百分之六十。再者，第一過濾層110的指狀通道112，其深寬比(Aspect Ratio)為0.1至0.7，且如圖2所繪示，指狀通道112的深寬比從第二過濾層120朝向多孔性基材130遞減，此深寬比遞減趨勢亦有助於指狀通道112之質傳阻力亦朝向遞減趨勢。多孔基材130之孔洞分佈為0.1~100微米大小分佈，並且孔洞相互連通，使透過濾液能以低質傳阻力方式，快速通過膜材。
據此，第二過濾層120藉由其微孔洞122(亦即第二過濾層120是呈海綿狀結構)，而使流體中的固體或膠體能被阻擋在第二過濾層120之外。當液體通過微孔洞122之後，指狀通道112與纖維化結構能提供液體快速且順利 的流動路徑，使液體能輕易地從第一過濾層110與多孔性基材130通過。換句話說，藉由第一過濾層110與多孔性基材130的通道結構的尺寸大於微孔洞122的尺寸，因而能提高液體的流通量，亦即本實施例的多層膜結構100兼具過濾(以第二過濾層120為主)與傳輸(以多孔性基材130與第一過濾層110為主)的雙重效能。
此外，圖4與圖5分別是本創作其他實施例的多層膜結構中第一過濾層的電子顯微鏡示意圖。在此，設計者可依據流體的性質與流動方向而改變指狀通道的指向。例如，圖4的第一過濾層210中，指狀通道212傾斜於表面S2。在圖5的第一過濾層310中，指狀通道312則垂直於表面S3。當然，在另一未繪示的實施例中，亦可同時將圖2、圖4與圖5的第一過濾層予以合併，即在第一過濾層中包括不同指向的指狀通道，以使第一過濾層能獲得較佳的流動通量。
圖6是本創作一實施例形成多層膜結構的示意圖。請參考圖6，其為狹縫式雙層一次塗佈，亦即將上述第一過濾層110與第二過濾層120同時塗佈披覆於多孔性基材130上，其中以塗料110A形成第一過濾層110，而以塗料120A形成第二過濾層120。再者，這兩層塗料110A與120A的黏度特性與塗佈設備500的狹縫間隙及塗佈設備500與多孔性基材130之間的塗佈間隙相關。
舉例來說，第一層塗料110A經過狹縫間隙G1、塗佈間隙G2及G3、及多孔基材130的行進速度而控制其厚 度。另外，第二層塗料120A經由狹縫間隙G4、塗佈間隙G3及G5、及多孔基材130的行進速度控制其厚度。
圖7是本創作另一實施例形成多層膜結構的示意圖。請參考圖7，其為狹縫式單層兩次塗佈。多孔性基材130藉由滾輪R帶動，首先將塗料110A經過塗佈設備600的單層狹縫塗佈頭610，而經過其狹縫間隙G1a塗佈在多孔性基材130上。接著，再將塗料120A經過另一單層狹縫塗佈頭620的狹縫間隙G2a塗佈於塗料110A上，且此兩層塗料厚度及品質還可由塗佈間隙G3a、G4a與多孔性基材130的行進速度獲得適當地控制。
圖8是本創作又一實施例形成多層膜結構的示意圖。請參考圖8，其為刮刀式單層兩次塗佈，兩層塗料110A、120A分別置於塗佈設備700的第一塗料刮刀710與第二塗料刮刀720的上游端，隨著多孔性基材130被滾輪R帶動，塗料110A與120A能藉由第一塗料刮刀710與第二塗料刮刀720而被均勻地塗佈在多孔性基材130上，其中塗料的厚度與塗佈品質是由塗佈間隙G1b、G2b控制。
基於上述，多層膜結構100能上述圖6至圖8的至少其中之一的方式將塗料110A與120A塗佈在多孔性基材130而形成。
再者，在本創作的一實施例中，經由上述塗佈方式所形成的多層膜結構100，其中塗料120A與110A的黏度分別為800cps、2194cps，而形成多層膜結構100後，其表面孔洞密度為28.03%，指狀通道的深寬比(Aspect Ratio) 為0.1至0.7，機械強度為2.08 kgf/mm2 。另外，經處理原液量測之透過量(Permeability)為150 L/hr-m2 -psi，污泥密度指數(SDI)為0.73。
在本創作的另一實施例中，塗料120A、110A的黏度分別為1042cps、2194cps，形成多層膜結構100後之表面孔洞密度23.68%，指狀通道的深寬比(Aspect Ratio)為0.18至0.59，機械強度為1.85 kgf/mm2 ，經處理原液量測之透過量(Permeability)為130 L/hr-m2 -psi，污泥密度指數(SDI)為0.31。
在本創作的又一實施例中，塗料120A、110A的黏度分別為1042cps、2832cps，形成多層膜結構100後之表面孔洞密度32.45%，指狀通道的深寬比(Aspect Ratio)為0.19至0.64，機械強度為1.65 kgf/mm2 ，經處理原液量測之透過量(Permeability)為155 L/hr-m2 -psi，污泥密度指數(SDI)為0.1。
綜上所述，在本創作的上述實施例中，藉由將其第一過濾層與第二過濾層配置在多孔性基材上，因而能以多孔性基材作主要的承載結構而提高多層膜結構的結構強度，避免第一過濾層與第二過濾層因變形而受損。
再者，第二過濾層具有微孔洞、第一過濾層的指狀通道與多孔性基材的纖維化結構彼此連通，且其中第一過濾層與第二過濾層之間無界面存在，因而三者之間能保持良好的連通效果，第一層過濾層與多孔基材亦無塞孔現象。
據此，流體中的可溶或不溶的固體、膠體能因微孔洞 而被阻擋於多層膜結構之外，但液體卻能因指狀通道與纖維化結構的孔洞與縫隙而提高液體的通量，因而使多層膜結構同時在過濾與傳輸皆能有良好的效果。
雖然本創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧過濾器
100‧‧‧多層膜結構
110、210、310‧‧‧第一過濾層
110A、120A‧‧‧塗料
112、212、312‧‧‧指狀通道
120‧‧‧第二過濾層
122‧‧‧微孔洞
130‧‧‧多孔性基材
200‧‧‧滲透收集材料
300‧‧‧蓋膜
400‧‧‧濾液收集管
500、600、700‧‧‧塗佈設備
610、620‧‧‧單層狹縫塗佈頭
710‧‧‧第一塗料刮刀
720‧‧‧第二塗料刮刀
G1、G4、G1a、G2a‧‧‧狹縫間隙
G2、G3、G5、G3a、G4a、G1b、G2b‧‧‧塗佈間隙
R‧‧‧滾輪
S1、S2、S3‧‧‧表面
圖1是依照本創作一實施例的一種過濾器的示意圖。
圖2是圖1的過濾器中多層膜結構的剖面示意圖。
圖3是圖2在A部分的電子顯微鏡示意圖。
圖4與圖5分別是本創作其他實施例的多層膜結構中第一過濾層的電子顯微鏡示意圖。
圖6是是本創作一實施例形成多層膜結構的示意圖。
圖7是本創作另一實施例形成多層膜結構的示意圖。
圖8是本創作又一實施例形成多層膜結構的示意圖。
100‧‧‧多層膜結構
110‧‧‧第一過濾層
112‧‧‧指狀通道
120‧‧‧第二過濾層
130‧‧‧多孔性基材
S1‧‧‧表面

Claims (10)

  1. 一種多層膜結構，包括：一多孔性基材；一第一過濾層，配置在該多孔性基材上，該第一過濾層具有多個指狀通道，其中各該指狀通道的深寬比(Aspect Ratio)為0.1至0.7；以及一第二過濾層，配置在該第一過濾層上，該第二過濾層具有多個微孔洞，其中該些指狀通道連通該些微孔洞，且該第一過濾層與該第二過濾層之間不存在界面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的多層膜結構，其中該多孔性基材與該第一過濾層的厚度和為100微米至250微米。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的多層膜結構，其中該第二過濾層的厚度為0.1微米至50微米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的多層膜結構，其中該第一過濾層與該第二過濾層的厚度和為0.1微米至150微米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的多層膜結構，其中該些微孔洞的大小為0.001微米至0.3微米。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的多層膜結構，其中該些微孔洞在該第二過濾層之表面上的孔洞密度為百分之二至百分之六十。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的多層膜結構，其中該多孔性基材為不織布。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的多層膜結構，其中該多孔性基材為織布。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的多層膜結構，其中該多孔性基材的材質包括聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚乙烯對苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate,PET)、或聚苯胺(Polyaniline,PAN)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的多層膜結構，其中該第一過濾層的材質是聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚醚(polyethersulfone,PES)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)、CA、聚亞醯胺(Polyimide,PI)、PE與PP的其中之一，該第二過濾層的材質是PS、PES、PVDF、PTFE、CA、PI、PE與PP的其中之另一。
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