用于質(zhì)量交換、分離和過濾的膜設(shè)備和方法
【專利說明】用于質(zhì)量交換、分離和過濾的膜設(shè)備和方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求享有2013年2月22日提交的標(biāo)題為"Membrane Device and Process for Mass Exchange, separation, and Filtration"的第61/768,124號(hào)美國臨 時(shí)申請(qǐng)W及2014年2月20日提交的標(biāo)題為"Membrane Device and Process for Mass Exchange, separation, and Filtration"的第14/185, 706號(hào)美國申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
[0003] 關(guān)于對(duì)在聯(lián)邦政府資助的研究和開發(fā)下做出的發(fā)明的權(quán)利的申明
[0004] 本發(fā)明是在美國能源部授予的合同DE-AC05-76化01830下由政府支持完成的。美 國政府對(duì)本發(fā)明享有一定權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0005] 低成本、大表面面積的無機(jī)膜模塊因?yàn)橥瑫r(shí)具有金屬材料的獨(dú)特性能屬性和陶瓷 材料的獨(dú)特性能屬性而受到長期工業(yè)研究。為了容易地展開膜模塊，膜模塊需要具有一個(gè) 壓縮形式。填充有聚合物膜的常規(guī)反滲透（R0)膜可提供每單位體積大的膜表面面積。然 而，由于反滲透（R0)膜沒有處理掃掠（即，氣體）流動(dòng)流（flowstream)的能力，因此其對(duì) 于質(zhì)量轉(zhuǎn)移應(yīng)用無效。具有圓柱形設(shè)計(jì)的R0型膜還受通道尺度限制，W至當(dāng)該膜被放置在 真空下時(shí)可導(dǎo)致大的壓力下降。此外，采用金屬管或陶瓷管的常規(guī)過濾器具有的膜填充密 度通常比聚合物膜低將近一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，螺旋纏繞式R0膜過濾器和板式R0膜過濾器 通常分別用于海水淡化和用于在生物反應(yīng)器中處理廢水，提供僅在單流動(dòng)方向上對(duì)單個(gè)流 動(dòng)流的過濾。沒有過濾器能夠同時(shí)處理雙流動(dòng)流，運(yùn)消除了兩個(gè)流動(dòng)流之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移和 熱量轉(zhuǎn)移（transfer)。并且，設(shè)計(jì)用于液相過濾的膜過濾器不適合在低壓力下或在真空下 的汽相分離，其中在低壓力下或在真空下壓力下降變成一個(gè)重要問題。因此，需要為液相分 離和汽相分離W及過濾應(yīng)用提供在最小壓力降的情況下具有高質(zhì)量轉(zhuǎn)移率的新的膜設(shè)計(jì)。 本發(fā)明解決了運(yùn)些需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明包括一種在質(zhì)量交換、質(zhì)量轉(zhuǎn)移、熱量轉(zhuǎn)移、分離、過濾中獲得應(yīng)用的膜設(shè) 備（membranedevice)。該膜設(shè)備可包括堆疊在一起W形成一個(gè)膜模塊的一個(gè)或多個(gè)膜盒。 每個(gè)膜盒可包括一個(gè)由選定的材料（例如，金屬或塑料）構(gòu)造的支撐框架。多個(gè)多孔金屬 片膜（porousmetalsheetmembrane)可被安裝到該支撐框架的相應(yīng)側(cè)。膜盒堆中的膜盒 在具有流動(dòng)通道的所述膜設(shè)備的相應(yīng)側(cè)上提供若干個(gè)供給流動(dòng)槽（feedflowslot)和若 干個(gè)滲透（或掃掠）流動(dòng)槽（permeate(orsweep)flowslot),在運(yùn)行期間流動(dòng)通道運(yùn)輸 供給流動(dòng)流（feedflowstream)中的選定的流體或分子橫穿膜盒中的所述多孔膜的表面。 供給槽可W交叉流流動(dòng)型態(tài)或逆流流動(dòng)型態(tài)運(yùn)輸選定的流體或分子通過該膜設(shè)備。在運(yùn)行 期間多孔金屬膜為引入到該膜設(shè)備的供給流動(dòng)流中的成分和從該膜設(shè)備去除的滲透流動(dòng) 流中的成分提供選定的質(zhì)量交換。多孔金屬膜可包括多種金屬和金屬合金或由多種金屬和 金屬合金構(gòu)造。金屬和金屬合金包括但不限于，例如，儀（Ni)金屬、儀鐵（Ni-Fe)合金、儀 銅（Ni-化）合金、不誘鋼合金、鐵（Ti)金屬、鐵合金，包括運(yùn)些多種金屬和金屬合金的組合。
[0007] 該膜模塊分離或過濾引入到膜設(shè)備內(nèi)的供給流動(dòng)流中的選定尺寸的粒子或分子。 該支撐框架可包括安置在該支撐框架的相應(yīng)面上的凹陷（depression)，所述凹陷形成該膜 設(shè)備中的每個(gè)膜盒中的供給流動(dòng)槽和滲透（或掃掠）流動(dòng)槽。該膜設(shè)備的選定側(cè)上的供給 槽被定向在與該膜設(shè)備的另一側(cè)上的滲透（或掃掠氣體）槽成90度的方向上。
[0008] 多個(gè)多孔金屬膜可在膜盒的支撐框架上間隔開一個(gè)選定距離。運(yùn)些膜過濾或分離 通過該膜設(shè)備中的金屬膜盒的供給槽引入的供給流中的粒子。
[0009] 在一些應(yīng)用中，多孔金屬膜可W是對(duì)稱膜。在一些應(yīng)用中，多孔金屬膜可W是非對(duì) 稱膜。多孔金屬膜可包括尺寸在約0.01ym到約10ym之間的孔隙。
[0010] 多孔金屬膜可具有選定厚度。膜的厚度可被選擇W減小或最小化所選定的分子或 材料橫穿該膜設(shè)備的膜的運(yùn)輸阻力。多孔金屬片膜可具有在約20ym到約200ym之間選 擇的厚度。
[0011] 該膜設(shè)備中的膜允許兩個(gè)過程流動(dòng)流保持與另一方分離同時(shí)允許選定的分子或 選定的材料橫穿所述膜。
[0012] 所述膜盒中的多孔金屬片膜可包括由放置在所述膜的后側(cè)或背側(cè)W支撐膜盒中 的膜的一層或多層多孔或流體可滲透材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)造的基底化acking)材料?；撞牧峡?包括但不限于，例如，聚合物、金屬W及運(yùn)些材料的組合。在一些應(yīng)用中，基底材料可包括多 孔聚醋片。在一些應(yīng)用中，基底材料可包括與金屬網(wǎng)共輛的多孔聚醋片?；撞牧鲜沟脤?duì) 掃掠流動(dòng)流的流動(dòng)阻力最小化W流經(jīng)在兩個(gè)膜片的背表面之間的膜盒。在質(zhì)量轉(zhuǎn)移期間的 流動(dòng)方向可平行于膜表面。
[0013] 基底材料可包括在約0. 05mm到約5. 0mm之間選擇的厚度?；撞牧峡砂ㄓ砷_ 口面積與總面積的比率限定的孔隙度，該比率在約0. 2到約0. 95之間。基底材料可包括具 有在約0.01mm到約5.0mm之間選擇的尺寸的孔隙開口，該孔隙開口允許在由本文中列出的 滲透量值表征的最小壓力降的情況下滲透流出該膜設(shè)備的膜盒。
[0014] 用于液相過濾或分離的基底材料可包括大于約50升/m7小時(shí)/己的滲透量。用 于液相掃掠流動(dòng)流經(jīng)過所述基底材料的壓力降優(yōu)選地小于約1己。用于氣相過濾或分離的 基底材料可包括大于約l.〇E-5mol/m2/s/化的滲透量。用于氣相掃掠流動(dòng)流經(jīng)過所述基底 材料的壓力降優(yōu)選地小于約0.1己。
[0015] 基底材料可包括優(yōu)選地在約0. 3mm到約5. 0mm之間的、用于掃掠流動(dòng)流W流動(dòng)經(jīng) 過基底材料經(jīng)過膜盒的液壓直徑。
[0016] 基底材料還可使得多孔金屬片膜能夠經(jīng)受位于所述膜設(shè)備的膜的供給側(cè)和所述 膜設(shè)備的膜的滲透?jìng)?cè)之間的約1己或更大的壓力梯度。
[0017] 在一些應(yīng)用中，膜盒可包括布置位于在所述多孔金屬膜的后側(cè)上的多個(gè)基底材料 之間的一個(gè)間隔件材料。間隔件可由波紋金屬或其它合適的波紋材料構(gòu)造。間隔材料用來 維持膜模塊的膜盒中的多個(gè)多孔金屬膜之間的選定的間隔距離。在多種應(yīng)用中，膜表面之 間的間隔距離在約0.5mm到約10.0mm之間。間隔件材料還可提供在膜盒內(nèi)部的具有開口 的直的供給流動(dòng)通道，所述開口具有在約0. 3mm到約3. 0mm之間選擇的直徑尺度。
[0018] 間隔件可用來使得總體流動(dòng)流和膜表面之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移阻力間隔，W至允許流動(dòng) 流在最小壓力降的情況下流動(dòng)。
[0019] 在一些應(yīng)用中，間隔件材料可被安置在膜設(shè)備中的膜盒堆的個(gè)體盒之間。
[0020] 供給槽可包括具有在約0. 3mm到約5. 0mm之間選擇的直徑尺度的開口。滲透槽可 包括具有在約0. 3mm到約3. 0mm之間選擇的直徑尺度的開口。
[0021] 該膜設(shè)備可包括附接到一個(gè)或多個(gè)膜盒的相應(yīng)側(cè)上的膜模塊的供給槽和滲透槽 的歧管。歧管可將至少一個(gè)供給流動(dòng)流均勻地遞送到膜設(shè)備的第一側(cè)上的流動(dòng)槽內(nèi)，并且 通過該膜設(shè)備的一側(cè)或多側(cè)上的滲透流動(dòng)槽收集一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)流，所述滲透流動(dòng)槽不同 于該膜設(shè)備的第一側(cè)上的滲透流動(dòng)槽。該膜設(shè)備的供給槽可運(yùn)輸供給流中的選定的流體或 分子橫穿該膜設(shè)備內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)膜盒的多個(gè)多孔金屬膜。
[0022] 在一些應(yīng)用中，膜盒中的多個(gè)多孔金屬膜中的至少一個(gè)可包括在多孔膜上、由選 定的沸石構(gòu)造的具有選定厚度的沸石層（膜）。該沸石膜可被配置W在如下壓力梯度下從 引入到該膜設(shè)備中的供給流中移除選定的原子或分子，所述壓力梯度形成其中不存在所述 選定的原子或分子的滲透流。該沸石膜可W是具有選定尺寸的孔隙的水選擇性膜，該孔隙 提供大于或等于約lE-06Mol/m2/Pa/s的水滲透量，用于從引入到該膜設(shè)備內(nèi)的供給流中選 擇性地去除水。
[0023] 在一些應(yīng)用中，水選擇性沸石膜可被用來將水分子從除了包含水之外還包含其它 分子的流體流（諸如，水/酒精混合物）中去除。與其他分子相比對(duì)水的選擇率優(yōu)選地在 約10W上。在一些應(yīng)用中，去除選定的分子可W是在恒定的壓力和溫度下進(jìn)行的連續(xù)的過 程。
[0024] 在一些應(yīng)用中，引入到該膜設(shè)備內(nèi)的供給流可W是在l〇°CW上的溫度且至少約10%的相對(duì)濕度下引入的潮濕空氣。如通過該膜設(shè)備的膜之間的水蒸汽的局部壓力評(píng)定 的，當(dāng)潮濕的供給空氣流動(dòng)經(jīng)過膜模塊時(shí)，可在一次通過中去除供給空氣流中超過20%的 水分。
[00巧]在一些應(yīng)用中，水選擇性沸石膜可被用來從氣體流（諸如，空氣）中去除水分。與 其他分子相比對(duì)水的選擇率優(yōu)選地在約100W上。該膜模塊可被用于建筑物空氣除濕或調(diào) 節(jié)，并且還可用在多種空氣干燥處理中，所述空氣干燥處理包括例如工業(yè)級(jí)和建筑物級(jí)的 除濕或調(diào)節(jié)過程。無意進(jìn)行限制。
[0026] 在一些應(yīng)用中，該膜設(shè)備可被用來將引入供給流中的一種分子從該膜設(shè)備的一側(cè) 運(yùn)輸?shù)綇脑撃ぴO(shè)備的另一側(cè)釋放的掃掠流中。實(shí)施例包括在該膜設(shè)備中潮濕空氣和干燥空 氣之間的水分交換。在一些應(yīng)用中，該過程可包括將潮濕空氣的供給流引入到膜設(shè)備內(nèi)并 且從該膜設(shè)備的滲透?jìng)?cè)釋放含有干燥空氣的掃掠流。
[0027] 在多種應(yīng)用中，該膜設(shè)備可被用來通過W交叉流樣式或逆流樣式將過程流動(dòng)遞送 通過該設(shè)備的膜來提供過濾或分離。
[0028] 在一些應(yīng)用中，可與位于膜設(shè)備的供給側(cè)和滲透?jìng)?cè)之間的壓力梯度合作使用該膜 設(shè)備W用于多個(gè)應(yīng)用，所述應(yīng)用包括但不限于，例如，分子分離或粒子過濾。
[0029] 在一些應(yīng)用中，該膜設(shè)備可被用來過濾過程流動(dòng)流中的粒子，諸如，過濾含有藻類 的流動(dòng)流中的藻類W收獲藻類。在一些應(yīng)用中，該膜設(shè)備可被用來在位于該膜設(shè)備的供給 側(cè)和滲透?jìng)?cè)之間壓力梯度下過濾培養(yǎng)液中的藻類。在一些應(yīng)用中，該供給流可包含藻類并 且被引入到該膜設(shè)備內(nèi)。從該膜設(shè)備釋放的供給流可包含更大濃度的藻類。從該膜設(shè)備釋 放的滲透流動(dòng)流可包括從該供給流收集的水。
[0030] 在一些應(yīng)用中，該膜設(shè)備可通過逆轉(zhuǎn)該膜設(shè)備的供給側(cè)和滲透?jìng)?cè)之間的壓力梯度 來允許反沖化ackflushing)。在此運(yùn)行模式中，可通過首先保持膜設(shè)備的供給側(cè)上的壓力 高于滲透?jìng)?cè)上的壓力達(dá)一段時(shí)間來進(jìn)行選定尺寸的粒子或分子的過濾和/或分離。然后， 滲透?jìng)?cè)上的壓力可被升高到供給側(cè)上的壓力W上達(dá)一個(gè)選定的時(shí)間，W允許滲透流中的流 體通過該膜設(shè)備中的膜流回到供給側(cè)內(nèi)，從而洗掉膜表面上的任何固體沉積物。
[0031] 在一些應(yīng)用中，該過程可包括將歧管連接到該膜設(shè)備的相應(yīng)側(cè)上的供給槽和滲透 槽，W積累或收集進(jìn)入和離開該膜設(shè)備的相應(yīng)流動(dòng)流。
[0032] 本發(fā)明還包括一種方法，該方法包括遞送包括待被過濾或分離