用于流體膜分離裝置的構(gòu)造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明整體涉及流體膜分離裝置的構(gòu)造。
【背景技術(shù)】
[0002] 流體膜裝置包括膜組件，該膜組件一般分為三類：管式膜、中空纖維膜和平片多孔 膜。平片多孔膜組件可裝配在褶式濾筒、螺旋卷式組件或板框式構(gòu)形中。板框式平片膜組 件通常比其他類型的膜組件更容易清潔。
[0003] 支撐片材可用于保持兩張平片膜之間的空間，以提供通過連接到平片膜組件的歧 管到達(dá)或來自膜組件之間的空間的流體輸送。支撐片材的形式可以是包括流動(dòng)通道的可透 過的網(wǎng)、紙網(wǎng)、非織造或織造纖維基材料、波紋聚合物膜或擠出的聚合物片材。
[0004] 網(wǎng)式墊片在市售的過濾膜組件中扮演雙重角色，諸如錯(cuò)流過濾或反滲透分離設(shè) 備。這種墊片不僅使相鄰膜層分開，以便于在其間形成進(jìn)料通道，而且還促進(jìn)膜表面附近 流體元的渦流，以保持膜表面相對干凈。這種墊片是市售的，例如德星技術(shù)公司（Delstar Technologies, Inc.)生產(chǎn)的名稱為"DELNET"和"NALTEX"的非織造和織造網(wǎng)眼織物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的替代膜構(gòu)造可具有（除了別的以外）改進(jìn)的性能并且/或者制造或使用 成本較低。例如，需要一種膜分離組件，此組件具有改善的抗阻塞性和/或改善的所需成分 跨可選擇性透過膜的質(zhì)量傳遞。
[0006] 在一個(gè)方面，提供了一種構(gòu)造，包括：
[0007] (a)具有基部的支撐片材，該支撐片材包括
[0008] (i)從基部延伸的多個(gè)橫檔，其中多個(gè)橫檔中的每個(gè)橫檔沿著支撐片材的長度連 續(xù)地延伸，并且每個(gè)橫檔包括第一側(cè)表面和相反的第二側(cè)表面、以及頂表面；和
[0009] (ii)從基部延伸的多個(gè)第一突起，其中該多個(gè)第一突起位于該多個(gè)橫檔之間；和 [0010] (b)具有第一主要膜表面的可選擇性透過膜，該第一主要膜表面接觸至少兩個(gè)橫 檔的至少頂表面，從而圍出流動(dòng)通道，該流動(dòng)通道具有在支撐片材基部與第一主要膜表面 之間延伸的高度，其中從基部延伸的多個(gè)第一突起沿流動(dòng)通道在縱向方向的長度改變流動(dòng) 通道的高度。
[0011] 在另一方面，一種流體膜分離單元，包括：一系列重復(fù)層，每個(gè)層包括
[0012] (a)具有基部的支撐片材，該支撐片材包括
[0013] (i)從基部延伸的多個(gè)橫檔，其中多個(gè)橫檔中的每個(gè)橫檔沿著支撐片材的長度連 續(xù)地延伸，并且每個(gè)橫檔包括第一側(cè)表面和相反的第二側(cè)表面、以及頂表面；和
[0014] (ii)從基部延伸的多個(gè)第一突起，其中該多個(gè)第一突起位于該多個(gè)橫檔之間；和
[0015] (b)具有第一主要膜表面的可選擇性透過膜，該第一主要膜表面接觸至少兩個(gè)橫 檔的至少頂表面，從而圍出流動(dòng)通道，該流動(dòng)通道具有在支撐片材基部與第一主要膜表面 之間延伸的高度，其中多個(gè)第一突起沿流動(dòng)通道在縱向方向的長度改變流動(dòng)通道的高度。
[0016] 在另一方面，提供了制備構(gòu)造的方法，該方法包括：(a)提供包括設(shè)計(jì)的負(fù)像的壓 料輥；(b)將聚合物穿過包括壓料輥的輥隙擠出，以將該設(shè)計(jì)形成到聚合物的第一主表面 中，以在第一主表面上形成具有此設(shè)計(jì)的支撐片材；(c)將支撐片材的第一主表面與可選 擇性透過膜接觸，形成所述構(gòu)造。
[0017] 上述
【發(fā)明內(nèi)容】
并非意圖描述每個(gè)實(shí)施例。本發(fā)明的一個(gè)和多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)還在 下面的描述中示出。根據(jù)以下"【具體實(shí)施方式】"和"權(quán)利要求書"，本發(fā)明的其他特征、目標(biāo) 和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。
【附圖說明】
[0018] 圖Ia為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性流體膜分離單元的透視圖，并且圖Ib為 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的包括支撐片材的構(gòu)造和可選擇性透過膜的分解剖視圖；
[0019] 圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的支撐片材的分解透視圖；
[0020] 圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的支撐片材的分解透視圖；
[0021] 圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的支撐片材的分解透視圖；
[0022] 圖5a為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的支撐片材的分解透視圖，并且圖5b為對應(yīng)的頂 視圖；
[0023] 圖6為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的支撐片材的分解透視圖；
[0024] 圖7為示出了用于裝配包括多個(gè)支撐片材和可選擇性透過膜層的組件的一個(gè)實(shí) 施例的分解透視圖；
[0025] 圖8為支撐片材的分解透視圖，示出了用作本發(fā)明實(shí)例中使用的比較支撐片材A 的支撐片材；和
[0026] 圖9為正弦型支撐片材的分解側(cè)視圖，示出了用作本發(fā)明實(shí)例中使用的比較支撐 片材B和C的支撐片材。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 宙義
[0028] 如本文所用，術(shù)語
[0029] "一個(gè)"、"一種"和"所述"可互換使用并且意指一個(gè)或多個(gè)/ 一種或多種；和
[0030] "和/或"用于表示所說明的情況之一或兩者均可能發(fā)生，例如，A和/或B包括（A 和B)和（A或B)。
[0031] 如本文所用的術(shù)語"微孔"是指平均孔隙尺寸為0. 05至3. 0微米的多孔薄膜、膜 或膜層，該孔隙尺寸是通過泡點(diǎn)孔隙尺寸ASTM-F-316-03 (2011) "Standard Test Methods for Pore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point and Mean Flow Pore Test (用起泡點(diǎn)和氣孔平均流量法測量膜過濾器孔隙尺寸特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)測試方法）"測 量的。
[0032] 如本文所用的術(shù)語"超微孔"是指平均孔隙尺寸高達(dá)10微米，或甚至0. 001至0. 05 微米的薄膜、膜或膜層，該孔隙尺寸是通過泡點(diǎn)孔隙尺寸測試法ASTM-F-316-03 (2011)測 量的。
[0033] 另外，本文中由端點(diǎn)描述的范圍包括該范圍內(nèi)所包含的所有數(shù)目（如，1到10包括 L 4、1· 9、2· 33、5· 75、9· 98 等）。
[0034] 另外，本文中"至少一個(gè)"的表述包括一和更大的所有數(shù)目（如，至少2、至少4、至 少6、至少8、至少10、至少25、至少50、至少100等）。
[0035] 本發(fā)明提供構(gòu)造和使用這些構(gòu)造的制品，這些構(gòu)造用于流體膜分離裝置中以用于 從流體流中過濾和/或提取所需的或非所需的成分。
[0036] 如本文所用，流體膜分離裝置包括流體膜分離單元（或組件）和殼體，該殼體用于 將流體引導(dǎo)至流體膜分離單元或從其中引導(dǎo)出來。流體膜分離單元包括至少一個(gè)支撐片材 和可選擇性透過膜。流體膜分離單元包括至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口，其中流體被引入 和引出流體膜分離單元。
[0037] 在圖Ia中示出流體膜分離單元10,其包括支撐片材12和16以及兩者間的可選擇 性透過膜15。支撐片材12包括多個(gè)橫檔14和多個(gè)流動(dòng)通道13。支撐片材16也包括多個(gè) 橫檔18和多個(gè)流動(dòng)通道17。相對的橫檔的表面限定流動(dòng)通道的側(cè)面，該流動(dòng)通道具有沿流 動(dòng)通道縱向軸線并且平行于橫檔長度的凈流動(dòng)方向。如圖Ia所示，支撐片材16的多個(gè)流 動(dòng)通道17具有的凈流動(dòng)方向不同于支撐片材12的多個(gè)流動(dòng)通道13的凈流動(dòng)方向。在圖 Ia的一個(gè)實(shí)施例中，第一流體通過多個(gè)流動(dòng)通道13進(jìn)行輸送，從該第一流體中選擇的成分 穿過可選擇性透過膜15,進(jìn)入多個(gè)流動(dòng)通道17。
[0038] 本發(fā)明的支撐片材不僅用于提供對膜分離單元的結(jié)構(gòu)支撐并提供到達(dá)和/或來 自可選擇性透過膜的流體輸送（例如液體），而且還用于例如通過降低壓降、改善成分跨膜 的質(zhì)量傳遞以及減少可選擇性透過膜的結(jié)垢來改善流體膜分離單元的性能。這通過使用本 文所公開的支撐片材來實(shí)現(xiàn)。
[0039] 在本發(fā)明中，除了多個(gè)橫檔外，流體膜分離單元的至少一個(gè)支撐片材還包括多個(gè) 突起。圖Ib為從圖Ia截取的分解剖視圖，示出了本發(fā)明的示例性構(gòu)造。圖Ib包括支撐片 材12和可選擇性透過膜15。支撐片材12包括基部112 ;從基部112延伸的多個(gè)橫檔14 ; 和從基部112延伸的多個(gè)突起11。每個(gè)橫檔包括第一側(cè)表面（例如，114a、114c)、相反的第 二側(cè)表面（例如，114b、114d)和頂表面（例如，114e和114f)。多個(gè)突起11位于多個(gè)橫檔 14之間，并且從支撐片材的基部突起（或突出）?？蛇x擇性透過膜15具有第一主表面115， 該第一主表面接觸至少兩個(gè)橫檔的至少頂表面，從而圍出流動(dòng)通道13。流動(dòng)通道13由可選 擇性透過膜的第一主要膜表面115、橫檔的第一側(cè)表面（例如，114c)和相鄰橫檔的相對的 第二側(cè)表面（例如，114b)以及基部112限定。從支撐片材的基部到可選擇性透過膜的第 一主要膜表面，流動(dòng)通道具有高度Ii1，如圖Ib所示。從突起的頂部到可選擇性透過的層的 第一主表面，流動(dòng)通道具有高度h2，如圖Ib所示。另外在圖Ib中示出高度h3，其為突起的 高度；wp，其為突起的寬度；w，其為相鄰?fù)黄鹬g的寬度；其為橫檔的寬度；和w。，其為流 動(dòng)通道的寬度。在本發(fā)明中，流動(dòng)通道的高度沿縱向軸線（或流動(dòng)通道的長度）發(fā)生變化。 例如，流動(dòng)通道的高度可變化至少30 %、40 %、50 %、60 %、70 %或甚至80 %。
[0040] I撐片材
[0041] 在本發(fā)明中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將突起制造成支撐片材的流動(dòng)通道，可以改善膜分離 單元的性能，例如，質(zhì)量或熱傳遞得到改善、結(jié)垢減少等。
[0042] 從支撐片材的基部延伸的多個(gè)突起引入在流動(dòng)通道內(nèi)的層流中形成擾動(dòng)的特征 結(jié)構(gòu)。因此，多個(gè)突起在流動(dòng)通道中實(shí)現(xiàn)了混沌的層流、有組織的層流、螺旋流和/或湍流。
[0043] 從支撐片材的基部延伸的多個(gè)突起的設(shè)計(jì)并無具體限制，只要突起提供的流動(dòng)具 有與流動(dòng)通道中的凈流動(dòng)方向不平行的方向分量。優(yōu)選地，多個(gè)突起使得流動(dòng)通道內(nèi)的流 體流動(dòng)循環(huán)進(jìn)行，從而破壞相鄰可選擇性透過膜的表面（例如，第一主表面115)上的流體 邊界層。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)突起在流動(dòng)通道內(nèi)的縱向軸線方向上每毫米包括至少3、5、 8、10、15、20、50、100、200、500 或甚至 1000 個(gè)突起。
[0044] 包括多個(gè)突起的支撐片材的示例性設(shè)計(jì)在下圖2-6中示出。
[0045] 在圖2中示出支撐片材20的示意圖。支撐片材20包括從支撐片材的基部延伸的 多個(gè)橫檔24a，24b，24c，…和流動(dòng)通道23a，23b，23c，…。
[0046] 兩個(gè)相鄰橫檔24a和24b的側(cè)表面形成流動(dòng)通道23b，該流動(dòng)通道對于位于支撐片 材的端部的膜分離單元的外部是開放的。這些流動(dòng)通道具有沿流動(dòng)通道縱向軸線的凈流動(dòng) 方向。圖2中所示的箭頭27示出流動(dòng)通道的縱向軸線。
[0047] 除了多個(gè)橫檔外，支撐片材20還包括多個(gè)第一突起29a，29b，29c···。這些