膜模塊的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)要求享有2013年3月15日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/793, 184的優(yōu) 先權(quán)；所述專利的全部公開內(nèi)容以引用的方式整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 發(fā)明總體而言涉及膜、膜模塊，更具體而言涉及膜模塊的生產(chǎn)和布置以及其用途。
【背景技術(shù)】
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，基于膜的流體分離系統(tǒng)（例如，滲透和全蒸發(fā)）一般是已知的。通 常，這些系統(tǒng)包含安設(shè)在一起的若干組件，這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和總尺寸。另外，將各種 組件安設(shè)在一起的需求導(dǎo)致需要更多的組件（例如閥、配件等），而對(duì)該系統(tǒng)造成額外的缺 點(diǎn)（例如，額外的組件成本和管道泄漏）。
[0004] 此外，這些傳統(tǒng)的系統(tǒng)趨向于被安排用于單一應(yīng)用（例如單程或單一類型的工 藝）。因此，在需要施行多種工藝和/或需要施行單一類型工藝的附加階段時(shí)，額外的組件 部分和管件是必須的，再次增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和尺寸。具體而言，為了適應(yīng)特定的應(yīng)用， 將需要串聯(lián)和/或并聯(lián)地安設(shè)多個(gè)模塊，一旦構(gòu)造好，將不容易修改（例如，從而在系統(tǒng)要 求中作調(diào)整改變或修復(fù)缺陷）。
[0005] 此外，在上述流體分離系統(tǒng)/工藝中使用的膜通常包括位于多孔支撐層上的薄 膜阻擋層。傳統(tǒng)上，已通過傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)膜層以適應(yīng)特定的應(yīng)用。參見例如美國專利號(hào) 7, 882, 963,該專利的公開內(nèi)容以引用的方式整體并入本文。通常，膜投入使用后，除定期清 理外，在其使用期限中執(zhí)行其預(yù)定功能?？勺鞲鞣N修改以提高膜的性能，例如，在成品膜層 摻入納米顆粒，以提高耐污損性并提高通量；然而，對(duì)于每一個(gè)應(yīng)用，僅僅向膜中引入納米 顆粒不能自動(dòng)地提高典型的膜性能。此外，由于正向滲透膜模塊的組裝/排布，各種膜層處 于受到損壞的風(fēng)險(xiǎn)，其中，該損壞可導(dǎo)致各種溶質(zhì)穿過膜。因此，仍需要解決方案以提高膜 的性能，特別是對(duì)于正向滲透膜，與常規(guī)的膜（例如，納米過濾或反向滲透膜）相比，其運(yùn)行 方式不同且在優(yōu)化時(shí)具有不同的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 通常，本文所描述的膜以及膜盒（cartridge)/膜模塊可單獨(dú)使用或組合使用， 可位于封閉的外殼內(nèi)或浸于槽中（開放或封閉的槽）。此外，可將各種膜設(shè)置為板框式或 螺旋纏繞式的構(gòu)造?？稍诿绹鴮＠?hào)8, 181，794、美國專利公開號(hào)2011/0036774、PCT公 開號(hào)W02013/022945中找到各種膜構(gòu)造的實(shí)例，上述專利的公開內(nèi)容以引用的方式整體 并入本文。此外，可將本文所述的各種膜納入多種滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)/工藝中。在美國專 利號(hào) 6, 391，205、7, 560, 029 和美國專利號(hào) 2012/0067819、2011/0203994、2012/0273417、 2012/0267306中公開了滲透驅(qū)動(dòng)工藝的實(shí)例，上述專利的公開內(nèi)容以引用方式整體并入本 文。
[0007] -方面，本發(fā)明涉及正向滲透膜模塊。所述正向滲透膜模塊包括：膜片材，所述膜 片材至少包含支撐層和位于支撐層上的阻擋層；鄰近于膜片材阻擋層的第一篩網(wǎng)；緊鄰于 膜片材支撐層的第二篩網(wǎng)；位于第二篩網(wǎng)和膜片材支撐層之間的保護(hù)層。保護(hù)層減少或消 除第二篩網(wǎng)和膜片材支撐層之間的接觸。膜片材被設(shè)置用于通過正向滲透原理使溶劑穿 過。
[0008] 在本發(fā)明上述方面的各種實(shí)施例中，保護(hù)層擴(kuò)展于基本上整個(gè)阻擋層的表面，并 包括厚度為約I. 5mils至約20mils的無紡織物層。保護(hù)層由聚對(duì)二苯甲酸乙二醇酯（PET) 或類似材料制成。在一些實(shí)施方式中，保護(hù)層具有約50g/m 2至約100g/m2的基重和/或約 100cfm/ft2至約1000cfm/ft 2的Frazier空氣透過率。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，第一篩網(wǎng) 具有約0. 020英寸的厚度、16股每英寸的股間距和90度的股取向，第二篩網(wǎng)具有約0. 034 英寸的厚度、18股每英寸的股間距和90度的股取向?？赏ㄟ^粘合劑將第一篩網(wǎng)、第二篩網(wǎng) 或保護(hù)層中的一個(gè)或多個(gè)固定到膜片材上，例如在膜的周邊施以少量膠水，以便不干擾膜 的活性面積。熱密封和/或聲波焊接也在考慮之列。在各種實(shí)施方式中，將膜模塊纏繞在 中心管上以形成螺旋纏繞膜組裝件。
[0009] 在另一方面，本發(fā)明涉及膜組裝件，所述膜組裝件包括正向滲透膜模塊和至少部 分包圍正向滲透膜模塊的外殼。所述正向滲透膜模塊包括：膜片材，所述膜片材至少包含支 撐層、位于支撐層上的阻擋層；鄰近于膜片材阻擋層的第一篩網(wǎng)；緊鄰于膜片材支撐層的 第二篩網(wǎng)；位于第二篩網(wǎng)和膜片材支撐層之間的保護(hù)層。保護(hù)層減少或消除第二篩網(wǎng)和膜 片材支撐層之間的接觸。膜片材被設(shè)置用于通過正向滲透原理使溶劑穿過。外殼可包括用 于流體流入和流體流出的裝置。此外，外殼可以是將膜模塊完全包圍住的容器，例如處于螺 旋纏繞式或板框式的構(gòu)造。或者，為了將模塊保持在一起，外殼可被配置為僅部分包圍住膜 模塊或可由骨架或框架構(gòu)成，從而用于浸入應(yīng)用。
[0010] 在前述方面的各個(gè)實(shí)施方式中，用于流體流入的裝置包括將進(jìn)料溶液引入到膜模 塊一側(cè)的第一入口和將驅(qū)動(dòng)溶液引入到膜模塊對(duì)側(cè)的第二入口。用于流體流出的裝置包括 將濃進(jìn)料溶液從膜模塊的一側(cè)排出的第一出口和將稀驅(qū)動(dòng)溶液從膜模塊的對(duì)側(cè)排出的第 二出口。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，外殼是壓力容器，將膜模塊纏繞在中心管上以形成螺旋 纏繞的膜組裝件。在替代性的實(shí)施方式中，膜模塊具有基本上為平面的構(gòu)造，并組裝成板框 式構(gòu)造。
[0011] 在另一方面，本發(fā)明涉及具有改進(jìn)排斥特性的正向滲透膜。所述膜包括：基本上為 平面的基板、位于基本上為平面的基板上的聚合物支撐層、位于聚合物支撐層上的聚合物 阻擋層。該阻擋層包括基本上均勻分散在阻擋層內(nèi)的多個(gè)層狀雙氫氧化物納米顆粒。通常， "均勻分散"一詞用于表示納米顆粒并未固著到聚合物支撐層上，而是通常位于支撐層和阻 擋層之間的接合處上方。在一些實(shí)施方式中，可將表面活性劑加入到具有納米顆粒的第一 浴中，以防止納米顆粒在層的頂部或底部分層。
[0012] 在前述方面的各個(gè)實(shí)施方式中，基本上為平面的基板包括聚合物紙或其它類型的 無紡基板。通過例如界面聚合或其它合適的方式，將支撐層和阻擋層沉積于膜組裝件上。在 一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，層狀雙氫氧化物納米顆粒包含Mg/Al-LDH片肩（flake)，例如Mg n Aln JOH)"納米顆粒片肩可包括縱向軸，所述縱向軸水平取向或相對(duì)于阻擋層平行（例如 片肩在阻擋層中基本上處于"平的"狀態(tài)）。在各個(gè)實(shí)施方式中，層狀雙氫氧化物納米顆粒 包含比例為約1:1至約10:1的鎂（Mg)和鋁（Al)。在特定實(shí)施方式中，該比例為3:1。
[0013] 在另一方面，本發(fā)明涉及生產(chǎn)正向滲透膜的方法。所述方法包括以下步驟：提供基 本上為平面的基板；將聚合物支撐層澆注到基本上為平面的基板上；將聚合物阻擋層澆注 到聚合物支撐層上。阻擋層包含多個(gè)層狀雙氫氧化物納米顆粒，該納米顆?；旧暇鶆蚍?散在阻擋層內(nèi)。
[0014] 在前述方面的各個(gè)實(shí)施方式中，澆注阻擋層的步驟包含以下步驟：將層狀雙氫氧 化物納米顆粒引入到包含第一單體的溶劑浴中；將基本上為平面的基板和支撐層引入到溶 劑浴中；將基本上為平面的基板和支撐層使用下述分散裝置進(jìn)行處理，上述分散裝置用于 使層狀雙氫氧化物納米顆粒分散；將基本上為平面的基板和支撐層引入到第二浴中，其中， 第二浴包含第二單體；使單體反應(yīng)以形成阻擋層，并使納米顆粒就位于阻擋層中。分散裝置 包括以持續(xù)施加或脈沖施加的方式，使溶劑浴經(jīng)受能量場(chǎng)處理，例如超聲、電磁、或熱。隨著 膜基板和支撐層從溶劑浴中穿過，可將分散裝置連續(xù)地施加至溶劑浴。可替代地或另外地， 例如隨著膜基板穿過第一浴進(jìn)入第二浴，可將分散裝置直接施加至膜基板。
[0015] 在另外的方面，本發(fā)明涉及正向滲透膜系統(tǒng)和/或有助于正向滲透分離操作的方 法，其可包括本文所描述的任何膜模塊。
[0016] 滲透分離工藝通常包括基于滲透壓差產(chǎn)生穿過半透膜的水通量。就膜的選擇性阻 擋而言，由于水的透過性比溶質(zhì)更大，溶質(zhì)受到膜的排斥并保留在一側(cè)。溶質(zhì)可能是不需要 的，因此通過膜分離純化從工藝流中除去；或者溶質(zhì)可能是需要的，在這種情況下可通過膜 分離工藝將其濃縮并收集。可將膜用于各種滲透驅(qū)動(dòng)分離工藝中，例如但不限于：脫鹽、廢 水的純化和再利用、FO或PRO生物反應(yīng)器、各種液體流的濃縮或脫水、在制藥和食品級(jí)應(yīng)用 中的濃縮、PRO發(fā)電和通過滲透熱機(jī)發(fā)電。
[0017] 通常，聚合物膜通常包含多孔支撐結(jié)構(gòu)，為選擇層提供機(jī)械和結(jié)構(gòu)支撐。根據(jù)預(yù)期 應(yīng)用，膜可成型為各種形狀，包括螺旋纏繞、中空纖維、管狀和平板狀。應(yīng)定制膜的特性以達(dá) 到理想性能，并可依據(jù)具體應(yīng)用而變化。例如在FO和PRO應(yīng)用中，可以通過減小膜的厚度 和曲率來提高分離工藝的有效性，同時(shí)增加膜的孔隙率和親水性，而不犧牲強(qiáng)度、鹽排斥率 (salt rejection)和水透過性。
[0018] 在膜的生產(chǎn)工藝期間，可將選擇層（即阻擋層）或其它活性層應(yīng)用于基板的支撐 材料中。在一些實(shí)施方式中，可將半透層用作活性層。半透層可包含聚合物。在某些實(shí)施 方式中，半透層包含聚酰胺，例如聚酰胺脲、嵌段共聚物或聚哌嗪。在一些非限制性的實(shí)施 方式中，可將聚砜層應(yīng)用于雙層基板的PET支撐層。
[0019] 可將基板材料輸送到聚合物應(yīng)用設(shè)備中，所述聚合物應(yīng)用設(shè)備采用處于溶劑（例 如二甲基甲酰胺）中的聚合物（例如聚砜）溶液。一經(jīng)涂層，基板可進(jìn)入淬火浴，聚合物在 其中沉淀成雙層材料的頂層。淬火浴的溫度可以變化，并會(huì)影響所得膜一種或多種性質(zhì)。在 至少一些優(yōu)選的非限制性實(shí)施方式中，改進(jìn)的正向滲透膜性質(zhì)可與100° F至110° F的淬 火浴溫度有關(guān)。
[0020] 根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，在所公開的薄膜復(fù)合膜中的選擇性阻擋物是半透的 三維聚合物網(wǎng)絡(luò)，例如脂肪族或芳香族聚酰胺、芳香族聚酰肼、聚苯并咪唑酮、聚表胺/酰 胺、聚表胺/脲、聚乙烯亞胺/脲、磺化聚呋喃、聚苯并咪唑、聚哌嗪間苯二甲酰胺、聚醚、聚 醚-脲、聚酯、聚酰亞胺、上述物質(zhì)的共聚物或任意混合物。在某些實(shí)施方式中，選擇性阻擋 物可以是芳香族或非芳香族聚酰胺，例如下述物質(zhì)的殘基：苯二甲酰鹵（例如間苯二甲酰 鹵或?qū)Ρ蕉柞｛u）、三甲磺酰鹵、或上述物質(zhì)的混合物。在另一實(shí)例中，聚酰胺可以是：二 苯胺、三苯胺、聚醚亞胺、哌嗪或聚-哌嗪的殘基；或均苯三甲酰鹵的殘基和二苯胺的殘基。 選擇性阻擋物也可包含間苯二胺和均苯三甲酰氯的殘基。此外，選擇性阻擋物可以是均苯 三甲酰氯和間