多層膜結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種多層膜結(jié)構(gòu)，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具有多個指狀通道，且各指狀通道的深寬比為0.1至0.7。第二過濾層配置在第一過濾層上且具有多個微孔洞。指狀通道連通于微孔洞，且第一過濾層與第二過濾層之間不存在界面。本發(fā)明的多層膜結(jié)構(gòu)具有較佳的機(jī)械強(qiáng)度與濾凈效能。
【專利說明】多層膜結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于微過濾、超過濾、納米過濾、薄膜蒸餾的過濾流體的多層膜結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]全球水資源缺乏議題使水處理薄膜技術(shù)持續(xù)受到關(guān)注，其中超過濾層雖然已大部分應(yīng)用在生化分離純化處理以及有機(jī)物的分離上，但超過濾層應(yīng)用于水處理、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(dāng)重要的。
[0003]一般而言，對于凈水處理、地下排水處理、或工業(yè)排水的處理等濁度高的被處理水的固體-液體分離的方法，有砂過濾或重力沉淀等方法。然而，由該方法所進(jìn)行的微過濾、超過濾、納米過濾、薄膜蒸餾分離有獲得的處理水的水質(zhì)不充分的情況、或為了進(jìn)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(jìn)行被處理水的過濾處理，則可獲得水質(zhì)較高的處理水。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種多層膜結(jié)構(gòu)，使其具有較佳的機(jī)械強(qiáng)度與濾凈效能。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一實施例提出一種多層膜結(jié)構(gòu)，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。
[0006]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。
[0007]其中，該第二過濾層的厚度為0.1微米至50微米。
[0008]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。
[0009]其中，該微孔洞的大小為0.001微米至0.3微米。
[0010]其中，該微孔洞在該第二過濾層的表面上的孔洞密度為百分之二至百分之六十。
[0011]其中，該多孔性基材為不織布。
[0012]其中，該多孔性基材為織布。
[0013]其中，該多孔性基材的材質(zhì)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)。
[0014]其中，該第一過濾層的材質(zhì)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)、醋酸纖維素(Cellulose acetate, CA)、聚亞酰胺(Polyimide, PI)、聚乙烯(polyethylene, PE)與聚丙烯(polypropylene,PP)的其中之一，該第二過濾層的材質(zhì)是聚苯乙烯(polystyrene, PS)、聚醚(polyethersulfone, PES)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)Λ 聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、醋酸纖維素(Cellulose acetate, CA)、聚亞酉先胺(Polyimide，PI)、聚乙烯(polyethylene，PE)與聚丙烯(polypropylene，PP)的其中之另
O
[0015]基于上述，在本發(fā)明的上述實施例中，多層膜結(jié)構(gòu)借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(jié)構(gòu)，而提高多層膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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，微孔洞連通于指狀通道，且第一過濾層與第二過濾層之間不存在界面。據(jù)此，流體中的固體能因微孔洞而被阻擋于多層膜結(jié)構(gòu)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。
[0016]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是依照本發(fā)明一實施例的一種過濾器的示意圖。
[0018]圖2是圖1的過濾器中多層膜結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
[0019]圖3是圖2在A部分的電子顯微鏡示意圖。
[0020]圖4與圖5分別是本發(fā)明其它實施例的多層膜結(jié)構(gòu)中第一過濾層的電子顯微鏡示意圖。
[0021]圖6是是本發(fā)明一實施例形成多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。
`[0022]圖7是本發(fā)明另一實施例形成多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0023]圖8是本發(fā)明又一實施例形成多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0024]其中，附圖標(biāo)記:
[0025]10:過濾器
[0026]100:多層膜結(jié)構(gòu)
[0027]110、210、310:第一過濾層
[0028]110A、120A:涂料
[0029]112、212、312:指狀通道
[0030]120:第二過濾層
[0031]122:微孔洞
[0032]130:多孔性基材
[0033]200:滲透收集材料
[0034]300:蓋膜
[0035]400:濾液收集管
[0036]500,600,700:涂布設(shè)備
[0037]610、620:單層狹縫涂布頭
[0038]710:第一涂料刮刀
[0039]720:第二涂料刮刀
[0040]GUG4.Gla.G2a:狹縫間隙
[0041]G2、G3、G5、G3a、G4a、Glb、G2b:涂布間隙[0042]R:滾輪
[0043]S1、S2、S3:表面
【具體實施方式】
[0044]圖1是依照本發(fā)明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(jié)構(gòu)的剖面示意圖。在此為明確描述結(jié)構(gòu)特征，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為螺卷式(spiral-wound type)過濾器,其依序?qū)⒍鄬幽そY(jié)構(gòu)100、滲透收集材料200、多層膜結(jié)構(gòu)100以及最外層的蓋膜300卷繞包覆起來。在此并未限制過濾器10的結(jié)構(gòu)及其分布型式，其端賴過濾器10所應(yīng)用的環(huán)境與過濾條件而定。
[0045]在本實施例中，流體從圖1右側(cè)逐次通過過濾器10內(nèi)的層層結(jié)構(gòu)，而使流體的部分通過，微過濾、超過濾、納米過濾、薄膜蒸餾中的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(dá)到過濾的效果。但，在此并未限定流體通過過濾器10的方式，其例如是借由壓力差、濃度差異、溫度差異或電性差異等，端賴過濾器10所使用的條件與過濾的對象而定。
[0046]請再參考圖2。在本實施例中，多層膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)100具有較佳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(例如具有抗拉伸能力)，而使多層膜結(jié)構(gòu)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(gòu)成的纖維化結(jié)構(gòu)，其能與第一過濾層110、第二過濾層120連通，而同樣產(chǎn)生過濾的效果。
[0047]在此并未限制多孔性基材的制作方式及材質(zhì)。在本發(fā)明的其它實施例中，多孔性基材130的材質(zhì)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)。
[0048]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)> 醋酸纖維素(Cellulose acetate, CA)、聚亞酸胺(Polyimide, PI )、聚乙烯與聚丙烯的其中之一所制成的涂料,而將其涂布在多孔性基材130上所形成的結(jié)構(gòu)。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、聚亞酰胺聚乙烯與聚丙烯的其中之另一所制成的涂料，而將其涂布在第一過濾層110上所形成的結(jié)構(gòu)。在此并未限制第一過濾層110與第二過濾層120的涂布方式，其可為一次性涂布在多孔性基材130上，亦可分次涂布在多孔性基材130上。
[0049]圖3是圖2在A部分的電子顯微鏡示意圖，用以進(jìn)一步描述圖2中第二過濾層120的結(jié)構(gòu)特征。與圖2類似，在此同樣以電子顯微鏡圖而使結(jié)構(gòu)特征能被清楚地描述。請同時參考圖2與圖3，在此值得注意的是，借由在涂布過程中對形成第一過濾層110與第二過濾層120的涂料之間予以適當(dāng)?shù)乜刂?，進(jìn)而使第一過濾層110與第二過濾層120形成如圖
2、圖3所繪示的結(jié)構(gòu)特征。
[0050]進(jìn)一步地說，在本發(fā)明的實施例中，借由在涂布時，第一過濾層110的涂料黏度大于第二過濾層120的涂料黏度，因而能成型出第一過濾層110與第二過濾層120的結(jié)構(gòu)，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(tài)。再者，借由涂料的黏度控制進(jìn)一步地使第一過濾層110與第二過濾層120之間無界面產(chǎn)生，進(jìn)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，由于纖維化結(jié)構(gòu)的存在，因此第一過濾層110的指狀通道112同時連通于多孔性基材130的孔洞或縫隙。
[0051]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(shè)計者可依據(jù)過濾條件與對象等決定涂布在多孔性基材130上的涂料厚度。
[0052]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的表面SI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于指狀通道112的質(zhì)傳阻力亦朝向遞減趨勢。多孔基材130的孔洞分布為0.1?100微米大小分布，并且孔洞相互連通，使透過濾液能以低質(zhì)傳阻力方式，快速通過膜材。
[0053]據(jù)此，第二過濾層120借由其微孔洞122 (亦即第二過濾層120是呈海綿狀結(jié)構(gòu))，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(dāng)液體通過微孔洞122之后，指狀通道112與纖維化結(jié)構(gòu)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，借由第一過濾層110與多孔性基材130的通道結(jié)構(gòu)的尺寸大于微孔洞122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(jié)構(gòu)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。
[0054]此外，圖4與圖5分別是本發(fā)明其它實施例的多層膜結(jié)構(gòu)中第一過濾層的電子顯微鏡示意圖。在此，設(shè)計者可依據(jù)流體的性質(zhì)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傾斜于表面S2。在圖5的第一過濾層310中，指狀通道312則垂直于表面S3。當(dāng)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并，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。
[0055]圖6是本發(fā)明一實施例形成多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。請參考圖6，其為狹縫式雙層一次涂布，亦即將上述第一過濾層110與第二過濾層120同時涂布披覆于多孔性基材130上，其中以涂料IlOA形成第一過濾層110，而以涂料120A形成第二過濾層120。再者，這兩層涂料IlOA與120A的黏度特性與涂布設(shè)備500的狹縫間隙及涂布設(shè)備500與多孔性基材130之間的涂布間隙相關(guān)。
[0056]舉例來說，第一層涂料IlOA經(jīng)過狹縫間隙G1、涂布間隙G2及G3、及多孔基材130的行進(jìn)速度而控制其厚度。另外，第二層涂料120A經(jīng)由狹縫間隙G4、涂布間隙G3及G5、及多孔基材130的行進(jìn)速度控制其厚度。
[0057]圖7是本發(fā)明另一實施例形成多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。請參考圖7，其為狹縫式單層兩次涂布。多孔性基材130借由滾輪R帶動，首先將涂料IlOA經(jīng)過涂布設(shè)備600的單層狹縫涂布頭610，而經(jīng)過其狹縫間隙Gla涂布在多孔性基材130上。接著，再將涂料120A經(jīng)過另一單層狹縫涂布頭620的狹縫間隙G2a涂布于涂料IlOA上，且此兩層涂料厚度及質(zhì)量還可由涂布間隙G3a、G4a與多孔性基材130的行進(jìn)速度獲得適當(dāng)?shù)乜刂啤?br> [0058]圖8是本發(fā)明又一實施例形成多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。請參考圖8，其為刮刀式單層兩次涂布，兩層涂料110AU20A分別置于涂布設(shè)備700的第一涂料刮刀710與第二涂料刮刀720的上游端，隨著多孔性基材130被滾輪R帶動，涂料IlOA與120A能借由第一涂料刮刀710與第二涂料刮刀720而被均勻地涂布在多孔性基材130上，其中涂料的厚度與涂布質(zhì)量是由涂布間隙Gib、G2b控制。
[0059]基于上述，多層膜結(jié)構(gòu)100能上述圖6至圖8的至少其中之一的方式將涂料IlOA與120A涂布在多孔性基材130而形成。
[0060]再者，在本發(fā)明的一實施例中，經(jīng)由上述涂布方式所形成的多層膜結(jié)構(gòu)100，其中涂料120A與IlOA的黏度分別為800CpS、2194CpS，而形成多層膜結(jié)構(gòu)100后，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(jī)械強(qiáng)度為2.08kgf/mm2。另外，經(jīng)處理原液量測的透過量(Permeability)為150L/hr-m2-psi，污泥密度指數(shù)(SDI)為 0.73。
[0061]在本發(fā)明的另一實施例中，涂料120A、110A的黏度分別為1042cps、2194cps，形成多層膜結(jié)構(gòu)100后的表面孔洞密度23.68%，指狀通道的深寬比(Aspect Ratio)為0.18至0.59，機(jī)械強(qiáng)度為1.85kgf/mm2，經(jīng)處理原液量測的透過量(Permeability)為130L/hr-m2-psi，污泥密度指數(shù)(SDI)為0.31。
[0062]在本發(fā)明的又一實施例中，涂料120A、110A的黏度分別為1042cps、2832cps，形成多層膜結(jié)構(gòu)100后的表面孔洞密度32.45%，指狀通道的深寬比(Aspect Ratio)為0.19至0.64，機(jī)械強(qiáng)度為1.65kgf/mm2，經(jīng)處理原液量測的透過量(Permeability)為155L/hr-m2-psi，污泥密度指數(shù)(SDI)為0.1。
[0063]綜上所述，在本發(fā)明的上述實施例中，借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(jié)構(gòu)而提高多層膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免第一過濾層與第二過濾層因變形而受損。
[0064]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(jié)構(gòu)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(xiàn)象。
[0065]據(jù)此，流體中的可溶或不溶的固體、膠體能因微孔洞而被阻擋于多層膜結(jié)構(gòu)之外，但液體卻能因指狀通道與纖維化結(jié)構(gòu)的孔洞與縫隙而提高液體的通量，因而使多層膜結(jié)構(gòu)同時在過濾與傳輸皆能有良好的效果。
[0066]當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多層膜結(jié)構(gòu),其特征在于,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，其中該指狀通道連通該微孔洞，且該第一過濾層與該第二過濾層之間不存在界面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第二過濾層的厚度為0.1微米至50微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該微孔洞的大小為0.001微米至0.3微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該微孔洞在該第二過濾層的表面上的孔洞密度為百分之二至百分之六十。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該多孔性基材為不織布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該多孔性基材為織布。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該多孔性基材的材質(zhì)包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯對苯二甲酸酯或聚苯胺。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一過濾層的材質(zhì)是聚苯乙烯、聚醚、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纖維素、聚亞酰胺、聚乙烯與聚丙烯的其中之一，該第二過濾層的材質(zhì)是聚苯乙烯、聚醚、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纖維素、聚亞酰胺、聚乙烯與聚丙烯的其中之另一。
【文檔編號】B01D69/12GK103785299SQ201310165970
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月31日
【發(fā)明者】呂坤宗, 溫恕恒, 吳平耀, 徐文月, 賴孟妶, 劉家錚 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院