專利名稱：膜器件和器件組成部分的制作方法
相關(guān)申請本申請依據(jù)35USC119(e)要求于2002年6月4日提交的美國臨時申請、系列號為60/386,032的優(yōu)先權(quán)，其在被引用作為參考。
背景技術(shù)：
反滲透(RO)，納米過濾(NF)，和超濾(UF)為壓力驅(qū)動膜工藝的一些例子。膜一般以在其中使用它們的工藝命名。
RO、NF和UF膜最普通的構(gòu)型為平板形式。平板通常由連續(xù)工藝制成，并且通常厚度在4密耳和20密耳之間，寬度在6”和70”之間。平板膜可以用于多種構(gòu)型，包括用于壓力傳感器、板框系統(tǒng)和螺旋纏繞形膜元件利用平板RO、NF或UF膜的器件的最普通形式為螺旋纏繞形元件。螺旋纏繞形元件由與供給襯墊材料(a feed space material)一起圍繞一個中心管纏繞的薄片(leaf)或者薄片的組合構(gòu)成。螺旋纏繞形膜元件在Bray(US 3417870)和Lien(US 4802982)的專利中中有所描述，這兩篇文獻的整個內(nèi)容在被引用作為參考。
如參考文獻中所述，“薄片”為具有滲透載體(permeate carrier)的兩片膜的組合，其中滲透載體放置在膜之間。兩個膜片之間的區(qū)域稱為滲透通道。將薄片外殼密封以隔離滲透通道，滲透通道的一部分沒有密封以便允許滲透流體的去除。例如，在螺旋纏繞形膜元件中，一般將薄片的三側(cè)密封，而薄片的第四側(cè)一般與滲透管連接。薄片長度定義為滲透流至滲透收集通道的最長直線距離。
螺旋纏繞形膜元件的制造相對便宜。單薄片膜元件的制造比包含多個薄片的膜元件的制造更簡單且成本更低。用于膜元件的每個附加薄片減小了可以放置在特定尺寸的元件中的面積的最大量，這是因為附加薄片要求附加的膠縫，也因為薄片在滲透管處的一般的折痕(fold)通常被封閉，并且所述附加薄片可以造成有效膜面積的損失。進一步，膜元件中的附加薄片使元件損壞的可能性更大，這是因為在元件制造過程中不適當?shù)姆胖靡约耙驗檩^大的量薄片使得制造均勻圓形的元件更加困難。
工業(yè)反滲透應(yīng)用一般在相當高的壓力下運行。例如，海水淡化一般要求600psi到900psi的操作壓力。由于海水的～350psi的滲透壓和“海水RO”膜相對低的滲透率，因此要求高的操作壓力。一般的“微咸水”RO膜在200psi到300psi之間的施加壓力下運行。在過去的幾年中，某些膜公司已經(jīng)開發(fā)出“低壓”反滲透膜，其產(chǎn)生的滲透率比一般的“微咸水”RO膜高約70％。低壓RO膜一般在120-180psi下操作。這種膜的一個例子為由Osmonics公司制造的Desal AK膜。
家用反滲透(HRO)應(yīng)用一般由室內(nèi)的供水管道中的壓力驅(qū)動。在美國，該壓力一般為大約60psi。在其他國家，該壓力可以低到大約20psi。在一些情況下，壓力泵用于增加家用反滲透中的驅(qū)動壓力，盡管最大驅(qū)動壓力通常不大于75psi-125psi。一般的家用反滲透膜元件的直徑為1.6”-1.9”，長度為12”(10”的膜，具有從其每端伸出的一英寸的滲透管)。因此，可以放置在一般家用反滲透膜元件中的膜量為用于包括滲透載體的元件結(jié)構(gòu)的材料的厚度的函數(shù)。
最近，已經(jīng)制備出超高流量RO膜，其提供的水滲透率接近微咸水RO膜滲透率的三倍，并提供比業(yè)已制備出的“低壓”RO膜大出約75％的滲透率。稱為AN膜的超高流量RO膜在2002年3月1日提交的系列號為60/360,696的美國臨時專利申請和2003年3月3日提交的申請?zhí)朠CT/US03/06587的PCT申請中公開，這些文獻的整個內(nèi)容在此被引用作為參考。由于其極高的純水滲透率，AN膜將最適合在40psi到80psi的壓力范圍中操作。
滲透載體為螺旋纏繞形膜元件的重要部分。其功能在于為滲透提供一個在其上通過流至滲透管的通道。滲透載體必須能夠有效地抑制相鄰膜硬擠進入滲透通道，以及必須對滲透流提供相對低的阻力。滲透通道中施加的任何壓力將引起膜工藝的凈驅(qū)動力中相等的減小。膜的凈驅(qū)動力定義為供給通道中的壓力減去濃差壓(osmotic pressure)和滲透壓(permeate pressure)。
在大多數(shù)工業(yè)和家用反滲透應(yīng)用中，滲透通道中平均壓力損耗的一般量相對于凈驅(qū)動壓力較低。因此，滲透通道中的壓力損耗不會過分影響膜元件的整體輸出。然而，當使用新開發(fā)的高流量膜來制造膜元件時，引起的高膜流量導(dǎo)致滲透通道中顯著的壓力損耗，這可以對總的元件輸出產(chǎn)生重大的影響。下表描述了在標準膜元件構(gòu)型中使用高流量膜的影響。

當由于幾乎阻止了低成本多薄片家用RO應(yīng)用元件的制造的顯著的壓力成本，家用RO元件一般以單薄片結(jié)構(gòu)制造時，家用RO中的薄片長度一般大于工業(yè)RO中的薄片長度。由于一般的8”直徑元件所要求的薄片長度為大約60英尺，因此利用目前的方法制造單薄片結(jié)構(gòu)的工業(yè)RO元件是不實際的。當利用高流量膜(如AN膜)時，家用RO元件相對于工業(yè)RO元件較長的薄片長度是家用RO元件中較高的滲透壓損耗的原因。
RO膜的鹽濾除能力直接與驅(qū)動壓力相關(guān)，較高的驅(qū)動壓力產(chǎn)生較高的鹽濾除率(salt rejection)。因此，滲透側(cè)壓力損耗不僅減小膜流量而且增加了通過膜的鹽量。

發(fā)明內(nèi)容
結(jié)合低壓操作的高流量膜的使用導(dǎo)致滲透側(cè)壓降的問題，這嚴重地限制了膜器件的流量輸出并減小了膜的鹽濾除能力。本系統(tǒng)利用對流動具有更低阻力的新的滲透載體材料，因此提供提高了的元件流量和減小了的鹽通過率(salt passage)。此外，因為新開發(fā)的高流量膜可以在低壓下運行，因此滲透載體不需要保持在目前的反滲透膜所要求的高壓下的滲透通道的完整性。低壓操作允許使用對傳統(tǒng)的、較高壓力的操作不再有用的另外的滲透載體材料。


圖1示出了根據(jù)一個實施例的膜器件的橫截面。
圖2示出了對根據(jù)一個實施例的家用RO系統(tǒng)的示意性描述。
圖3示出了根據(jù)一個實施例的單薄片螺旋纏繞形膜元件。
圖4示出了根據(jù)一個實施例的多薄片螺旋纏繞形膜元件。
圖5示出了根據(jù)一個實施例的雙薄片螺旋纏繞形膜元件。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)一個實施例的膜器件100的部分示意橫截面。膜器件100包括提供供給溶液的薄片102，和其中夾有滲透載體110的一對膜106和108的薄片結(jié)構(gòu)104。這對膜可以為兩片單獨的膜或者為自身折疊的單膜。溶液的流動由箭頭表示，包括進入供給板102的溶液，通過膜108到滲透載體110中的滲透和繼續(xù)通過板102的未過濾的濃縮物。膜器件100可以用于螺旋纏繞形結(jié)構(gòu)、板框式結(jié)構(gòu)，和其他類似結(jié)構(gòu)。
元件效率元件效率，β，粗略地為凈驅(qū)動壓力除以凈驅(qū)動壓力加上滲透通道中壓力之和。較低的凈驅(qū)動壓力是由于通過滲透通道的流動引起的壓降，并受滲透載體特性的影響。β可以根據(jù)基本流體動力學(xué)得到，等于β=Tanh(L2A*105*H)L2A*105*H]]>其中A為膜A值，表示膜滲透率，單位10-5*滲透流量(克)/膜面積(cm2)*時間(秒)*凈驅(qū)動壓力(大氣壓))L為薄片長度(定義為滲透流向滲透收集通道的最長直線距離)H表示滲透載體的流動阻力，單位為(秒*大氣壓)/克利用這些表示式，很清楚為了得到高元件效率，L、A和H都應(yīng)當最小化。然而，由于許多使用得益于通過元件的最大流量，因此通常需要A值很高。進一步，由于長的薄片用于元件中通常比較便宜并且允許更大的面積適應(yīng)于一個元件，因此也需要增加L。這樣為了最大化元件的效率，需要最小化H值。
H可以根據(jù)流體動力學(xué)得到，表示如下。
H=f14μdh3]]>其中f1為摩擦系數(shù)μ為粘度dh為滲透通道的水力直徑(hydraulic diameter)對元件效率和β項的有用概述可以在Lien的美國專利US 4,802,982中找到。
滲透載體設(shè)計對于粘度固定的給定供給溶液，滲透載體的H值取決于摩擦系數(shù)和滲透載體的厚度。因此，為了最小化滲透載體的H值，可以增加滲透載體的厚度。然而，由于元件通常設(shè)計成裝配在固定直徑的壓力容器中，因此增加的滲透載體厚度迫使使用更少的膜面積的。由于較少的膜面積減小了元件流量，因此需要其他降低H值的策略。
摩擦系數(shù)反映由通過滲透載體的流動引起的壓降，其由幾個因素引起，包括與滲透載體表面的摩擦，由通道幾何結(jié)構(gòu)引起的湍流，和其他與厚度無關(guān)的滲透載體設(shè)計因素。通過減小的摩擦系數(shù)得到的提高的H值允許使用更薄和更有效的滲透載體。這樣，具有較低摩擦系數(shù)的滲透載體將非常有用。
滲透載體的摩擦系數(shù)可以通過增加其包含的通道尺寸最容易地降低。然而，除傳輸滲透流體外，滲透載體還需要支撐膜抵抗用于驅(qū)動分離的液壓。如果滲透載體不能適當?shù)刂文?，則滲透通道厚度將減小，這導(dǎo)致較高的滲透通道壓降，并也可能導(dǎo)致元件變形。在過去，低的膜A值(＜20)要求使用高凈驅(qū)動壓力(＞100psi)以得到合理的流量，結(jié)果，需要相對密集的滲透通道來支撐滲透載體以防止其壓縮。這些密集的通道對流動具有高阻力，從而引起高H值。然而，由于施加的壓力相對于滲透通道中建立起的的壓力高很多，因此膜元件產(chǎn)生相對高的β項。
新的滲透載體由于采用了新的較高流量膜，，因為現(xiàn)有滲透載體所得到的效率差，所以其使用證明很困難。然而，當對于這些膜使用較低的操作壓力時，驚人地發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在可以使用具有相對寬通道的新型滲透載體。它們提供低的H值，同時仍然在使用的壓力下支撐滲透通道。
在這些元件中有效使用的滲透載體的獨特之處在于對于如下所述的給定厚度，它們的H值低。滲透載體的獨特之處也在于它們提供低阻力同時又很薄，然而仍然能夠支撐滲透通道，防止膜的顯著進入。
發(fā)現(xiàn)新的滲透載體能夠用于下述幾種新的元件結(jié)構(gòu)。
上述點表示根據(jù)一些實施例改進的滲透載體。本發(fā)明改進的滲透載體是那些能夠提供高效率的元件元件的滲透載體，所述這些元件是由具有較長薄片長度的高度可滲透反滲透膜構(gòu)成。
滲透載體的其他例子可以給出類似的有益結(jié)果。例如，膜器件的一些實施例可以包括H值為0.030大氣壓-秒/克或更低、厚度為約0.025英寸或更小的滲透載體，H值為0.070大氣壓-秒/克或更低、厚度為約0.015英寸或更小的滲透載體，H值為0.10大氣壓-秒/克或更低、厚度為約0.013英寸或更小的滲透載體，和H值為0.05大氣壓-秒/克或更低、厚度為約0.021英寸或更小的滲透載體，由這種滲透載體構(gòu)成的膜器件給出了在RO應(yīng)用中得到改進的性能，其中鹽的基本量由膜保留。在這里，保留的鹽的基本量指的是在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度(cross-flow velocity)以及77度(F)溫度的條件下，膜器件能夠濾除500ppm的MgSO4DI水溶液中的至少50％的MgSO4。

上表示出了改進的滲透載體的一些例子和它們在HRO型元件中的模擬性能(modeled performance)。除由濃差極化引起的膜附近的鹽的累積外，通過造成滲透側(cè)壓力損耗和對凈驅(qū)動壓力的影響，建立模型以預(yù)測元件流量和鹽濾除率。凈驅(qū)動壓力影響膜流量和膜的鹽濾除率，增加的凈驅(qū)動壓力引起更高的膜流量和更高的鹽濾除率(或減小的鹽通過率)。模型重復(fù)作為元件效率和濃差極化的函數(shù)的整體膜流量。將膜表面處的鹽量和測量的平板膜鹽濾除率一起使用，以計算通過膜的鹽通過率，其然后將鹽通過率用于計算濃差壓。滲透壓使驅(qū)動壓力和流量降低，從而增加元件效率。重復(fù)該操作直到它達到恒定的預(yù)測性能。這樣，開發(fā)的模型提供一種工具，該工具用于探測供給壓力、鹽濃度、膜鹽濾除率、滲透載體H值、滲透載體長度和膜滲透率對膜元件性能的作用。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，假定元件有效面積和膜性能相同，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以改變滲透載體，從而將顯現(xiàn)非常不同的結(jié)果。例如利用Delstar75-3722滲透載體與Delstar S-2367滲透載體相比較，模型的元件效率分別為86.8％和24.3％。效率的這種降低可以直接從元件性能中看出。流速從160.6改變到45.8GPD，同時鹽濾除率從96.3％降低到88.7％。
利用不同滲透襯墊料的元件效率、組件流量和鹽通過率的例子在下述9個實驗中，具有不同H值的三種不同的滲透襯墊用于構(gòu)造HRO型元件。在除實驗2和5外的所有情況下，元件尺寸為1.9”直徑×11.75”長。元件的實際“卷軸”，或膜沿滲透管的長度為10.4”，在O型環(huán)端具有0.812”的凸出，在鹽水密封端具有0.59”的凸出。在實驗2和5中，尺寸為1.8”的直徑和11.75”的長度，卷軸為10.0”。元件滲透流量和濾除率在65psig供給壓力和校正到77°F的溫度下測定。實驗1-5的供給源為DI水中500ppmNaCl的合成混合物，實驗4-9在Minnetonka自來水(～650μS)中測試。平板膜樣品在100psig和77°F時，利用DI水中500ppm NaCl的合成混合物進行測試，并且利用雷諾數(shù)大于2500的流體流進行測試。


實驗1到5利用Hornwood制造的標準0.010”厚度材料，其測量的H值為0.132。該涂布的網(wǎng)紋(coated woven)聚酯材料每英寸具有34條通道(也稱為“條紋”)，并在為HRO應(yīng)用以及多種壓力的商業(yè)/工業(yè)應(yīng)用而制作的元件中被廣泛地用作滲透載體。在實驗1和3中，高流量AN膜在最大薄片長度4.7”的狀態(tài)下使用，以達到1.9”的外徑。實驗1和3的結(jié)果顯示出元件效率(β)分別為73.1％和70.6％。實驗3的平板膜A值為37.9，而由于差的元件β，觀測到的元件A值僅為26.8，因此僅實現(xiàn)164.5GPD(加侖每天)的滲透流速。通過觀測的A值，意味著該膜A值忽略了在凈驅(qū)動壓力的測定中滲透側(cè)壓力損耗的影響。如果元件具有1.00的β值，則產(chǎn)生的流速預(yù)測為233.0加侖每天。低的元件效率不僅影響元件滲透流速而且影響膜的鹽濾除率。由于滲透限制，低的β引起凈驅(qū)動壓力的下降，這使元件在平板膜提供84.4％的濾除率時僅有50.0％的濾除率。實驗2和4顯示出β值中的相同趨勢，結(jié)果滲透流速和膜的鹽濾除率都較低。利用如在實驗5中使用的相同的Hornwood 0.010”厚度、34條紋的滲透載體，在膜A值和薄片長度下降，我們才看到元件的β在＞95％的范圍內(nèi)。在實驗5中使用的薄片長度為3.75’的“低能量”膜(A＝17.6)給出0.975的β值。
實驗6和7將0.020”厚度、H值為0.026的NaltexS-1111材料作為滲透載體與高流量AN膜一起使用。該Naltex襯墊比之前來自Hornwood的例子具有更低的H值。由于增加的滲透載體厚度；膜的薄片長度限制到3.08’以便達到1.9”的固定直徑。這兩個實驗的β值大大超過95％的范圍，接近100％刻度，但是由于薄片長度減小，該具體膜元件由于有效面積的量較低而具有受限的輸出。應(yīng)當注意，由于沿著整個薄片長度一致高的凈驅(qū)動壓力，膜濾除率在這些實驗中相對高。
在實驗8和9中，使用新的0.013”厚度、H值大約為0.05的Naltex75-3719材料。H值通過元件性能的分析測定。被設(shè)計用作供給襯墊且之前沒有被當作滲透載體使用過的這種Naltex襯墊提供了我們發(fā)現(xiàn)的對于優(yōu)化的低壓HRO、高滲透流量、和高濾除率元件所必要的特性。該材料具有較少被阻塞的流動通道。在過去，由于其相對多孔的(open)結(jié)構(gòu)不支持高壓操作，該襯墊未被考慮用作反滲透應(yīng)用的滲透載體。這種薄材料被用作滲透載體，薄片長度為4.25’的元件制造為1.9的直徑”，允許比實驗6和7中可能的膜面積更大的有效膜面積。實驗8顯示出該元件設(shè)計提供高元件效率并允許高的膜濾除率。實驗9示出利用具有高的A值和88.5％平板膜濾除率的膜，達到233.3GPD的非常高的滲透流速和85.9％的相對高的鹽濾除率。
從這些實驗中很清楚低阻力滲透載體的使用允許更高的膜輸出和更高的鹽保留率。進一步，實驗顯示出薄、低阻力滲透載體的使用允許甚至更高的膜輸出和更高的鹽保留率。同樣，薄、低阻力滲透載體的使用允許制造使用較短薄片的高鹽濾除率膜元件，當與提供類似流量輸出但由更高阻力滲透載體構(gòu)成的元件相比時，這由于使用更少的膜和其它部件而使得成本節(jié)約。
滲透載體可以由任何適當?shù)木哂性诖嗣枋龅牧鲃幼枇μ匦?例如H值)的材料構(gòu)成，只要該材料在操作條件下能夠適當?shù)刂螡B透通道。例如，滲透載體可以由金屬(例如不銹鋼)，陶瓷，或有機聚合物(例如尼龍、聚丙烯、聚酯、或涂敷的聚酯)構(gòu)成。適當?shù)牟牧舷惹耙呀?jīng)在多種應(yīng)用中使用，例如作為螺旋纏繞形反滲透元件中的供給襯墊(用于反滲透的供給襯墊一般厚度為17密耳或更大，一些例外允許使用薄到13密耳的供給襯墊)，作為褶皺過濾器的支架(在這些應(yīng)用中通常使用6密耳到約20密耳厚的襯墊)，作為深部過濾介質(zhì)的覆蓋物以防止介質(zhì)移動(在這些應(yīng)用中通常使用6密耳到約20密耳厚的襯墊)，作為汽車工業(yè)中的HVAC屏，或者作為容器襯墊。因此，這種材料是市場上可買到的。另外，可以制備具有所需厚度和滲透率屬性的材料用于本發(fā)明的材料和方法。可以用作滲透載體的一種特定材料為聚丙烯襯墊料，銷售名稱為Naltex75-3719，如實驗8和9中所述。
效率改進滲透載體 薄片長度計算的滲透膜A值 觀測的 測量的流測量的(英寸) 載體H值元件效率 量(gfd) NaCl通過率Hornwood 1851 37.1 0.132 53 72.4％ 36.95.5％Naltex 75-3719 34.3 0.042 55 86.0％ 46.14.6％在相同條件下同時進行測試溫度 77F引入壓力 76psi輸出壓力 71psiNaCl供給濃度560ppm橫向流動速度 19cm/s每個膜元件包含5薄片每個膜元件直徑大約為4”，總長度為40”上表提供了在反滲透應(yīng)用中勝過通常使用的滲透載體的改進的滲透載體的優(yōu)點的例子。該優(yōu)點通過A值為53-55、滲透性很強的反滲透膜的使用得到加強。如表所示，標準滲透載體的使用產(chǎn)生具有相對低效率，因此具有相對適度的流量以及高于所需鹽通過率的元件。由新的滲透載體構(gòu)成的元件產(chǎn)生商業(yè)上可接受的效率，其產(chǎn)生大約20％的更高流量和較低的鹽通過率。利用結(jié)構(gòu)類似的5薄片膜元件進行測試。
使用新的滲透載體以制備新型的元件結(jié)構(gòu)更長的薄片利用β表達式，H值為0.075的現(xiàn)有滲透載體和H值為0.03的新型滲透載體，以及A值為20的膜(在許多商業(yè)“低能量”反滲透膜中可見)，可以得到下述數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)描述了以多種長度的薄片制備的元件效率。

可以看出，新的滲透載體的優(yōu)點隨著薄片長度的增加而增加。這些更長薄片的使用使得用于元件中的薄片更少，同時保持相同的元件效率，這使得制造成本節(jié)約和膜有效面積的增加(由于需要更少的膠縫)。
此外，當使用反滲透膜時，溶質(zhì)(例如鹽)傳輸?shù)乃俾什皇茉黾拥男实挠绊?，因此元件將顯示較低的鹽通過率。這樣，這些新的滲透載體增加元件的流速和濾除率。
當膜A值增加時，如從以下所看到的那樣，對于具有A值為30，即新的AN膜的值，的膜，利用新的滲透載體所看到的改進變得更加明顯。使用的H值與上相同。

作為這種新的滲透載體的結(jié)果，現(xiàn)在允許保持全部的元件效率的新的更長的薄片元件結(jié)構(gòu)。這些更長的薄片可以用在使用單薄片或者多薄片的新的元件結(jié)構(gòu)中。已知的元件很少使用長于3英尺的薄片，并且?guī)缀鯊牟皇褂瞄L于5英尺的薄片以保持大于約85％的效率。新滲透載體的使用使得新元件結(jié)構(gòu)可以具有5英尺到12英尺之間的薄片，同時保持上述85％的效率。如果沒有這些新滲透載體的發(fā)現(xiàn)，這些元件結(jié)構(gòu)盡管有用，但被認為是不可能的。
由于更長的薄片通常是因為成本原因而被認為是可取的，所以，借助于保持相當好的效率(達到～60％)的這種滲透載體，現(xiàn)在也允許使用達到20英尺的薄片的新元件。同樣，由于新滲透載體并不太厚，所以，當用于具有規(guī)定的總有效面積的元件時，它們并不使在固定尺寸膜元件中使用的膜量顯著地減少，并且它們并不使膜元件尺寸顯著地增加。
薄片數(shù)目較少薄片的使用是有益的，因為它減少元件的成本并且在給定直徑內(nèi)允許更大的膜面積。當薄片的數(shù)目可以限制到一時這種效果最明顯，在制造多薄片元件時不可能允許使用有效的制造技術(shù)。對于一系列都具有1.9英寸或約2.0英寸或更小外徑的元件(該外徑需要裝配在2英寸內(nèi)徑的管中，其通常用作HRO應(yīng)用中的壓力容器)，這種效果如下所示。下表說明了這些新的元件結(jié)構(gòu)。A值為30，H值對于典型的舊和新的滲透載體分別為0.075和0.01的膜用于計算種信息。流量的增加和通過率減少是相對于舊的單薄片元件。注意在兩種情況中滲透載體的厚度都為13密耳。

從上表可以看出，新滲透載體的使用不僅消除了使用多薄片的必要，而且比已知的多薄片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更高的元件流量。
此外，該表說明了新的多薄片結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)驚人地顯示出相對于已知多薄片結(jié)構(gòu)的改進的通過率。類似的優(yōu)點對于直徑2.5，4和8英寸的其他普通元件也可以觀察到。這樣，通過使用新的滲透載體，發(fā)現(xiàn)新的單和多薄片元件顯示出更好的性能。
在多個實施例中，可以制造具有下述值的兩個或多個的組合的薄片結(jié)構(gòu)和膜元件。H值可以為大于約0.1，約0.1，約0.07，約0.02，或者小于0.02。H值可以分布在從約0.02到約0.07，以及從0.07到約0.1的范圍內(nèi)。一些例子使用約0.024或更低的H值；一些具有0.015或更低的H值。一些實施例使用0.060或更低的H值。一些使用0.045或更低，0.10或更低，0.07或更低，0.05或更低，和0.03或更低的H值。一些使用0.025或更低的H值。滲透載體厚度為小于約0.008英寸，約0.008英寸，約0.015英寸，約0.025英寸，或大于0.025英寸。在一些例子中，厚度可以分布在0.008到0.025英寸之間的范圍內(nèi)。在一些實施例中，厚度可以為0.025英寸或更小，0.015英寸或更小，0.013英寸或更小，或0.021英寸或更小。在多個例子中，膜A值可以分布在小于15，從15到25，從25到40，從15到30，從25到35，從30到40，從35到60，從約40到60的范圍內(nèi)；一些例子為約15，約25，約35，約40，約50和約60；一些例子具有的A值為約15或更大，約25或更大，約35或更大，約40或更大，約50或更大，和約60或更大。薄片長度可以分布在小于3英尺，從約3英尺到5英尺，從5英尺到15英尺的范圍。一些例子為約3英尺，約5英尺和約15英尺。β值可以分布在小于0.80，從0.80到0.90，從0.90到0.97的范圍內(nèi)。一些例子具有的β值為約0.80，約0.90，和約0.97。此外，由于這些因素中的許多互相影響，因此值的范圍可以比上述的范圍更高或更低，如果其他參數(shù)也發(fā)生改變。
同樣，由于處在螺旋纏繞形膜元件中的薄片類似于用于其他膜器件，如板-框式單元中使用的膜-滲透載體-膜結(jié)構(gòu)。這種板-框式器件由一個薄片或?qū)盈B的薄片組合構(gòu)成，這些薄片可以由小的供給通道分隔，供給通道可以包含供給襯墊料。因此，此處描述的螺旋纏繞形膜元件中的一處或多處改進將導(dǎo)致其它膜器件中的改進。
以上討論的一個或多個特征可以用于膜器件和系統(tǒng)，例如家用反滲透，無容器(tankless)家用反滲透系統(tǒng)，工業(yè)反滲透系統(tǒng)，城市應(yīng)用，低壓和超低壓應(yīng)用，飲料工業(yè)，制藥工業(yè)，半導(dǎo)體工業(yè)。這些應(yīng)用中的的某一些具有標準尺寸和對于膜器件的要求，本發(fā)明可以在要求的參數(shù)內(nèi)提供最優(yōu)使用。
例如，圖2示出了根據(jù)一個實施例的家用RO系統(tǒng)200的示意性表示。系統(tǒng)200在供給壓力下工作，該壓力可以在小于40psi到約75psi之間變化，并且在美國通常為60psi附近。系統(tǒng)200包括膜元件202，其可以利用此處討論的一個或多個實施例構(gòu)成。
圖3示出了根據(jù)一個實施例的膜元件300。元件300包括螺旋纏繞形單薄片302結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，元件300的外徑可以為約2.0英寸或更小，長度為約12英寸或更小。利用此處討論的膜和滲透載體，元件300的滲透流速在60psi的供給壓力下可以為約150gpd或更大。
圖4示出了根據(jù)一個實施例的膜元件400。膜元件包括兩個或多個以螺旋纏繞形結(jié)構(gòu)的薄片402，404，406和408。在一個實施例中，每個薄片包括一個具有A值為25或更大的膜，總的薄片表面面積可以為約350平方英尺或更大，每個薄片的薄片長度為約42英寸或更大。元件400的β值可以為0.82或更大。在一些實施例中，元件400的外徑為約8英寸或更小。
在一個實施例中，膜元件400的總薄片膜表面面積可以為約60到125平方英尺，該膜的A值可以為25或更大，元件的β值可以為0.82或更大。在該例子中，元件400的外徑可以為約4英寸或更小。
圖5示出了根據(jù)一個實施例的膜元件500。元件500包括第一和第二螺旋纏繞形薄片502和504。在一個實施例中，每個薄片502和504包括具有A值為25或更大的膜，每個薄片的長度為3.5英尺或更短，元件的長度為20英寸或更短，以及元件的β值為0.75或更大。在一個實施例中，元件400的外徑可以為3.25英寸或更小。在一個實施例中，元件500的A值為約30到40。
應(yīng)當理解，上述說明只是說明性，而不是限制性的。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在研究過上述說明后許多其它的實施例是顯而易見的。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當參考所附權(quán)利要求以及這些權(quán)利要求所包含的等同物的整個范圍來確定。
權(quán)利要求
1.一種膜器件，包括一第一膜片和一第二膜片，由一H值為約0.045大氣壓-秒/克或更低的一滲透載體分隔，其中在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，所述膜器件能夠濾除500ppm的MgSO4DI水溶液中的至少50％的MgSO4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述H值為約0.040大氣壓-秒/克或更低。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述H值為約0.035大氣壓-秒/克或更低。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的器件，其中所述滲透載體的厚度為約0.013英寸或更小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的器件，其中所述滲透載體的厚度為約0.020英寸或更小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的器件，其中所述滲透載體的厚度為約0.025英寸或更小。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片中每一個的A值為約15或更小。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片中每一個的A值為約15-25。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片中每一個的A值為約25-40。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片中每一個的A值為約40或更大。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片中每一個的A值為約30。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片限定一薄片，其中所述薄片的長度為約3英尺或更小。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片限定一薄片，其中薄片的長度為約3英尺到5英尺。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片限定一薄片，其中所述薄片的長度為約5英尺到15英尺。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片限定一薄片，其中所述薄片的長度為約15英尺或更大。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任意一項所述的器件，其中所述膜器件的β值為約0.98或更大。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任意一項所述的器件，其中所述膜器件的β值為約0.95到約0.98。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任意一項所述的器件，其中膜器件的β值為約0.90到約0.95。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任意一項所述的器件，其中所述膜器件的β值為約0.85到約0.90。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任意一項所述的器件，其中所述膜器件的β值為約0.50到約0.85。
21.一種膜器件，包括一第一膜片和一第二膜片，由一H值為0.030大氣壓-秒/克或更低和一厚度為約0.025英寸或更小的一滲透載體分隔，其中在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，所述膜器件能夠濾除500ppm的MgSO4DI水溶液中的至少50％的MgSO4。
22.一種膜器件，包括一第一膜片和一第二膜片，由一H值為0.070大氣壓-秒/克或更低和一厚度為約0.015英寸或更小的一滲透載體分隔，其中在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，所述膜器件能夠濾除500ppm的MgSO4DI水溶液中的至少50％的MgSO4。
23.一種膜器件，包括一第一膜片和一第二膜片，由一H值為0.10大氣壓-秒/克或更低和一厚度為約0.013英寸或更小的一滲透載體分隔，其中在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，所述膜器件能夠濾除500ppm的MgSO4DI水溶液中的至少50％的MgSO4。
24.一種膜器件，包括一第一膜片和一第二膜片，由一H值為0.05大氣壓-秒/克或更低、一厚度為約0.021英寸或更小的一滲透載體分隔，其中在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，所述膜器件能夠濾除500ppm的MgSO4DI水溶液中的至少50％的MgSO4。
25.根據(jù)權(quán)利要求21-24中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片中每一個的所述A值為約15或更小。
26.根據(jù)權(quán)利要求21-24中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片中每一個的所述A值為約15-25。
27.根據(jù)權(quán)利要求21-24中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片中每一個的所述A值為約25-40。
28.根據(jù)權(quán)利要求21-24中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片中每一個的所述A值為約40-60。
29.根據(jù)權(quán)利要求21-24中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片中每一個的所述A值為約60或更大。
30.根據(jù)權(quán)利要求21-29中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片限定一薄片，其中所述薄片的長度為約3英尺或更小。
31根據(jù)權(quán)利要求21-29中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片限定一薄片，其中所述薄片的長度為約3英尺到5英尺。
32.根據(jù)權(quán)利要求21-29中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片限定一薄片，其中所述薄片的長度為約5英尺到15英尺。
33.根據(jù)權(quán)利要求21-29中任意一項所述的器件，其中所述第一膜片和所述第二膜片限定一薄片，其中所述薄片的長度為約15英尺或更大。
34.根據(jù)權(quán)利要求21-33中任意一項所述的器件，其中所述膜器件的β值為約0.98或更大。
35.根據(jù)權(quán)利要求21-33中任意一項所述的器件，其中所述膜器件的β值為約0.95到0.98。
36.根據(jù)權(quán)利要求21-33中任意一項所述的器件，其中所述膜器件的β值為約0.90到0.95。
37.根據(jù)權(quán)利要求21-33中任意一項所述的器件，其中所述膜器件的β值為約0.85到0.90。
38.根據(jù)權(quán)利要求21-33中任意一項所述的器件，其中所述膜器件的β值為約0.50到0.85。
39.一種家用反滲透系統(tǒng)，包括一單薄片螺旋纏繞形膜元件，其包括由一滲透載體分隔的一第一膜片和一第二膜片，其中所述螺旋纏繞形膜元件的一直徑為約2.0英寸或更小，一長度為約12英寸或更小，其中當在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，利用500ppm的NaCl DI水溶液進行測試時，所述膜器件適合于具有至少150加侖每天的一滲透流速。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其中每個膜片的一A值為約25或更大。
41.根據(jù)權(quán)利要求39或40所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)的一凈驅(qū)動壓力為約30psi或更低。
42.根據(jù)權(quán)利要求39-41中任意一項所述的系統(tǒng)，其中在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，利用500ppm的NaCl DI水溶液進行測試時，所述器件的NaCl濾除率為至少90％。
43.一種無容器家用反滲透系統(tǒng)，包括一膜器件，包括一單薄片結(jié)構(gòu)，所述單薄片結(jié)構(gòu)包括由一滲透載體分隔的一第一膜和一第二膜，其中所述膜器件的一長度為約20英寸或更小，每個膜的一A值為約25或更大，其中所述膜器件的一β值為至少約0.60。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的系統(tǒng)，其中所述β值為至少約0.80。
45.根據(jù)權(quán)利要求43或44所述的系統(tǒng)，其中在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，利用500ppm的NaClDI水溶液進行測試時，所述器件具有至少90％的NaCl濾除率。
46.一種高流量家用反滲透系統(tǒng)，包括一膜器件，包括一單薄片結(jié)構(gòu)，所述單薄片結(jié)構(gòu)包括由一滲透載體分隔的一第一膜和一第二膜，其中所述膜器件的一外徑為約2.0英寸或更小，一長度為約12英寸或更小，其中所述膜器件的一β值為至少約0.90，一A值為約25或更大。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其中所述膜器件的β值為至少0.95。
48.一種膜器件，包括一個或多個薄片，每個薄片包括由一滲透載體分隔的一第一膜片和一第二膜片，所述一個或多個薄片的一總表面面積為至少350平方英尺，其中所述元件薄片的長度大于42”，其中每個膜片的一A值為約25或更大；和其中所述膜元件的一β值為至少0.82；其中在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，膜器件能夠濾除500ppm的MgSO4DI水溶液中的至少50％的MgSO4。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的膜器件，其中所述膜器件的外徑小于或等于約8英寸。
50.根據(jù)權(quán)利要求48或49所述的膜器件，其中所述一個或多個薄片中每一個的所述長度為約5英尺或更大。
51.根據(jù)權(quán)利要求48-50中任意一項所述的膜器件，其中所述膜器件的β值為至少0.90。
52.根據(jù)權(quán)利要求48-51中任意一項所述的膜器件，其中每個膜片的A值為約25-35。
53.根據(jù)權(quán)利要求48-51中任意一項所述的膜器件，其中每個膜片的A值為約35-60。
54.根據(jù)權(quán)利要求48-51中任意一項所述的膜器件，其中每個膜片的A值為約60或更大。
55.根據(jù)權(quán)利要求48-54中任意一項所述的膜器件，其中所述膜器件包括16個或更少的薄片。
56.根據(jù)權(quán)利要求48-54中任意一項所述的膜器件，其中所述膜器件包括4個或更少的薄片。
57.一種膜器件，包括一個或多個薄片，每個薄片包括由一滲透載體分隔的一第一膜片和一第二膜片，所述一個或多個薄片的一總表面面積為60到125平方英尺之間，其中所述元件薄片長度大于42”，其中每個膜片的一A值為約25或更大；和其中所述膜元件的一β值為至少0.82；其中在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，所述膜器件能夠濾除500ppm MgSO4DI水溶液中的至少50％的MgSO4。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的膜器件，其中所述膜器件的外徑小于或等于約4英寸。
59.根據(jù)權(quán)利要求57或58所述的膜器件，其中所述一個或多個薄片中每一個的所述長度為約5英尺或更大。
60.根據(jù)權(quán)利要求57所述的膜器件，其中所述器件包括一到四個薄片。
61.根據(jù)權(quán)利要求57-60中任意一項所述的膜器件，其中所述膜元件的β值為至少約0.90。
62.根據(jù)權(quán)利要求57-61中任意一項所述的膜器件，其中每個膜片的A值為約25-35。
63.根據(jù)權(quán)利要求57-61中任一權(quán)利要求的膜器件，其中每個膜片的A值為約35-60。
64.根據(jù)權(quán)利要求57-61中任意一項所述的膜器件，其中每個膜片的A值為約60或更大。
65.一種膜器件，包括一個或多個薄片，每個薄片包括由一滲透載體分隔的一對膜片，其由兩個單獨的片或者一個折疊的片構(gòu)成，所述膜元件的一外徑大于8”，其中元件薄片長度大于42”，其中每個膜片的一A值為約25或更大；和其中所述膜元件的一β值為至少0.82，其中在65psi的施加壓力、10cm/s的平均供給通道橫向流動速度和77°F的溫度的條件下，所述膜器件能夠濾除500ppm的MgSO4DI水溶液中的至少50％的MgSO4。
66.根據(jù)權(quán)利要求65所述的膜器件，其中所述元件的外徑大于或等于12”。
67.根據(jù)權(quán)利要求65或66中任意一項所述的膜器件，其中所述一個或多個薄片中每一個的所述長度為約5英尺或更大。
68.根據(jù)權(quán)利要求65-67中任意一項所述的膜器件，其中所述膜元件的β值為至少0.90。
69.一種包括一單薄片結(jié)構(gòu)的膜器件，所述單薄片結(jié)構(gòu)包括由一滲透載體分隔的一對膜片，其由兩個單獨的片或者一個折疊的片構(gòu)成，其中所述膜元件的一長度為約20英寸或更小，所述膜的一A值為約25或更大，其中所述薄片長度為至少8英尺，其中所述膜元件的一β值為至少0.75。
70.一種包括一雙薄片結(jié)構(gòu)的膜元件，每個薄片包括由一滲透載體分隔的一對膜片，其由兩個單獨的片或者一個折疊的片構(gòu)成，其中所述膜元件長度為約20英寸或更小，所述膜的一A值為約25或更大，其中每個薄片長度為至少3.5英尺，其中所述膜元件的一β值為至少0.75。
71.根據(jù)權(quán)利要求70所述的膜元件，其中所述元件包括一外徑約3.25英寸或更小的一螺旋纏繞形結(jié)構(gòu)。
72.根據(jù)權(quán)利要求70所述的膜元件，其中所述膜元件的一鹽保留率為至少90％。
73.根據(jù)權(quán)利要求70所述的膜元件，其中所述膜片的A值為約30到40。
全文摘要
一種包括由滲透載體分隔的第一薄片和第二薄片的膜器件，所述薄片由兩個單獨的片或者一個折疊的片構(gòu)成。膜器件利用對流動具有低阻力的滲透載體材料，因此提供改進的流量和減少的鹽通過率。
文檔編號B01D61/08GK1658957SQ03813040
公開日2005年8月24日 申請日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月4日
發(fā)明者史蒂文·D·克洛斯, 菲利普·M·羅爾奇戈, 克里斯托弗·J·庫爾思, 孔憲嘉 申請人:Ge奧斯莫尼克斯公司