专利名称：螺旋型薄膜元件及其制备方法
技术领域：
本发明属于膜分离设备技术领域，特别是涉及一种大通量、能适用于较高水压的螺旋型薄膜元件及其制备方法。
背景技术：
在现有技术中，海水淡化、超纯水以及各种工业用水的获得，一般是采用反渗透膜(R0膜)、纳滤膜(NF膜)以及超滤膜(UF膜)的螺旋型薄膜元件，从原水中分离离子或低分子成份的方法。而正渗透技术所采用的正渗透膜(F0膜)工作原理的特殊性，使得FO膜元件在结构上就与RO膜元件存在不同的地方。正渗透技术利用了高浓度盐水产生的渗透压驱使纯水从原水一侧透过正渗透膜进入到高浓度盐水一侧，这就意味着与RO膜技术通过水压驱使水透过RO膜不同。正渗透膜两侧均需与溶液接触，才能实现FO工艺。一侧是高浓度盐溶液(汲取液)，另一侧是原水(供料液)。目前美国HTI (hydration technology innovation)公司生产的FO膜元件采用螺旋式薄膜元件，基本结构与RO膜元件相似，将分离膜、供料液侧流道材料和汲取液侧流道材料的层叠体单个或多个缠绕在有孔的中空状集水管的周围。图1是HTI公司FO膜元件流道的示意图。在HTI公司FO膜元件中，中心管中间被封堵，从而分成两部分；膜袋的中部涂上胶水粘结后，从而形成一个U形流道。工作时，供料液由一端面供给，沿着供料液侧流道材料流动，同时，汲取液从中心管一端流入，然后从中心管的孔流出，进入汲取液侧流道材料流动，经过U形流道后又进入中心管另半部分的孔，然后从中心管的另一端流出。HTI公司FO膜元件的流道的设计存在明显的不足，一是容易产生流体死角，这样会减少膜有效过滤面积，降低膜元件过滤效率；二是不能承受较大的水通量和水压，容易破坏膜胶结部位，从而损害整个膜元件。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术存在的不合理性，提供一种大通量的、适用于较高水压、不存在流体死角的螺旋型薄膜元件及其制备方法。本发明的技术方案如下:一种螺旋型薄膜元件，包括圆筒状卷绕体和密封部分，所述圆筒状卷绕体包括两个集液器和薄膜层；所述薄膜层包括正渗透膜，在所述正渗透膜的一侧形成汲取液流道，在所述汲取液流道中设置有汲取液导流材料，所述正渗透膜的另一侧形成供料液流道，在所述供料液流道中设置有供料液导流材料；其中第一集液器为汲取液进口接管，第二集液器为汲取液出口接管，所述汲取液流道的两端分别与两个集液器相连通；所述螺旋型薄膜元件的汲取液流道为直线。
在其中一个实施例中，所述汲取液进口接管的一端封闭。在其中一个实施例中，所述密封部分包括外密封部和内密封部，所述外密封部设置在所述薄膜层的两侧轴向端面，所述内密封部设置在所述正渗透膜的径向端部。在其中一个实施例中，所述螺旋型薄膜元件分别以汲取液进口接管和汲取液出口接管为轴心，由正渗透膜、汲取液导流材料和供料液导流材料组成的薄膜层紧贴着所述汲取液进口接管和汲取液出口接管螺旋式卷成第一圆筒状卷绕体和第二圆筒状卷绕体。在其中一个实施例中，所述螺旋型薄膜元件以汲取液进口接管为轴心，由正渗透膜、汲取液导流材料和供料液导流材料组成的薄膜层紧贴着所述汲取液进口接管螺旋式卷成第三圆筒状卷绕体，所述薄膜层的末端嵌入所述汲取液出口接管。在其中一个实施例中，所述薄膜层至少为两个，所述薄膜层的内密封部之间设置有汲取液导流材料。本发明的另一目的是通过以下技术方案实现的:一种螺旋型薄膜元件的制备方法，包括如下步骤:(I)制备薄膜层:首先将正渗透膜对折，并将正渗透膜的两端进行密封；再将供料液导流材料放置在正渗透膜的间隙；接下来将汲取液导流材料与正渗透膜重叠放置，得到薄膜层，然后对薄膜层的两侧轴向端部进行密封形成外密封部；(2)圆筒状卷绕体制备:将步骤(I)制备的薄膜层以集液器为轴心，使薄膜层紧贴着集液器螺旋式卷绕形成圆筒状卷绕体；(3)密封:对步骤(2)制得的圆筒状卷绕体的集液器的周围进行密封。在其中一个实施例中，所述步骤(2)中，步骤(I)制备的薄膜层的两端分别与集液器固定，然后分别以两个集液器为轴心，使薄膜层紧贴着集液器螺旋式卷绕形成第一圆筒状卷绕体和第二圆筒状卷绕体。在其中一个实施例中，所述步骤(2)中，步骤(I)制备的薄膜层的一端与其中一个集液器固定，然后以该集液器为轴心，使薄膜层紧贴着集液器螺旋式卷绕形成第三圆筒状卷绕体；之后将薄膜层的另一端嵌入另一个集液器。在其中一个实施例中，当薄膜层为多个时，步骤(2)还包括将薄膜层层叠的步骤，并在薄膜层的内密封部之间设置汲取液导流材料。本发明的有益效果是:(I)本发明的螺旋型薄膜元件中的汲取液的流道为直线，不存在流道死角，因此不会减少膜的有效过滤面积，不会降低膜元件的过滤效率，能够充分利用正渗透膜的面积，长时间稳定的进行水处理；(2)本发明的螺旋型薄膜元件可以在较高通量或较高压力下运行，也能保持膜元件的完整。
以下结合具体附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。图1是HTI公司FO膜元件流道的示意图；图2为本发明的螺旋型薄膜元件的流道示意图；图3为本发明的螺旋型薄膜元件的一个实施例的整体示意图4为本发明的螺旋型薄膜元件的另一个实施例的整体示意图；图5为本发明的螺旋型薄膜元件制备方法中的步骤(I)的示意图；图6为本发明的螺旋型薄膜元件制备方法中的步骤(2)的其中一个实施例的示意图；图7为本发明的螺旋型薄膜元件制备方法中的步骤(2)的另一个实施例的示意图。
具体实施例方式参见图2，本发明提供一种直线流道的螺旋型薄膜元件，该螺旋型薄膜元件包括圆筒状卷绕体和密封部分，所述圆筒状卷绕体包括两个集液器和薄膜层；所述薄膜层包括正渗透膜1，在所述正渗透膜的一侧形成汲取液流道，在所述汲取液流道中设置有汲取液导流材料2，所述正渗透膜的另一侧形成供料液流道，在所述供料液流道中设置有供料液导流材料3 ；其中第一集液器4为汲取液进口接管，第二集液器5为汲取液出口接管，所述汲取液流道的两端分别与两个集液器相连通；所述螺旋型薄膜元件的汲取液流道为直线。参见图2，为了实现汲取液流道为直线的目的，本实施例设置了两个集液器，汲取液从一个集液器进入，从另一个集液器流出。具体的说，本实施例中的汲取液通过第一集液器即汲取液进口接管进入螺旋型薄膜元件，集液器上设置有集液孔，汲取液通过集液孔进入汲取液流道，通过汲取液流道中的汲取液导流材料在汲取液流道中流动至汲取液流道的另一端，然后通过设置在第二集液器即汲取液出口接管的集液孔进入汲取液出口接管后排出。采用两个集液器后，本实施例中该螺旋型薄膜元件的汲取液流道为直线而不是目前通用的U型，这样形成的流道不会存在流道死角，进而不会降低有效膜面积，不会降低膜元件的过滤效率。而本实施例中的供料液流道与集液器的轴向一致，供料液从与集液器的轴向平行的一端进入供料液流道，通过供料液流道中的供料液导流材料在供料液流道中沿与集液器轴向方向流动，然后从另一端流出。大致上而言，汲取液的流动方向与供料液的流动方向垂直。作为一种实施方式，可以在本发明的螺旋式薄膜元件上设置供料液进口接管和供料液出口接管；一般的供料液进口接管和供料液出口接管可以与汲取液进口接管或汲取液出口接管平行设置，只要供料液进口接管和供料液出口接管与供料液流道相连通即可。本实施例中的薄膜层的两端分别与两个集液器连接。参见图3和图4，本实施例中，汲取液导流材料和供料液导流材料分别设置在正渗透膜的两侧，也就是说汲取液和供料液分别设置在正渗透膜的两侧且汲取液和供料液不会直接接触，此时，供料液中的水分子通过正渗透膜进入汲取液。本实施例中的薄膜层分别卷绕在两个集液器的外围形成两个圆筒状卷绕体，并且汲取液导流材料靠近集液器，即本实施例以集液器为轴心形成集液器一汲取液导流材料一正渗透膜一供料液导流材料一正渗透膜一汲取液导流材料一正渗透膜一供料液导流材料……的结构，汲取液导流材料和供料液导流材料交替设置在正渗透膜的两侧。较佳的，作为一种可实施方式，本实施例中的汲取液进口接管4的一端封闭。这是为了使汲取液能够进入汲取液流道。现有技术中只有一个集液器，该集液器的一端为汲取液进口而另一端为汲取液出口，而本实施例采用了两个集液器，因此为了保证汲取液能够全部进入汲取液流道，将汲取液进口接管的一端封闭。汲取液出口接管可以一端封闭，也可以两端均为流出口。优选汲取液出口接管的两端均开放，这样可以增加汲取液的流出速度。本实施例中包括一个汲取液进口和两个汲取液出口。较佳的，作为一种可实施方式，所述密封部分包括外密封部6和内密封部，所述外密封部6设置在所述薄膜层的两侧轴向端面，所述内密封部设置在所述正渗透膜的径向端部。所述薄膜层的轴向端面是指薄膜层的与集液器轴心方向一致的两个端面。而正渗透膜的径向端部是指与渗透膜的延伸方向相同的端部。本实施例中的外密封部主要是防止汲取液泄露以及防止汲取液与供料液混合，本实施例中的内密封部主要用于防止汲取液和供料液混合。较佳的，作为一种可实施方式，本实施例中的集液器的形状可以是方形集液器，也可以是圆形集液器，集液器的材料可以是硬质材料，也可以是软质材料。优选截面形状为圆形的集液器。所述的集液器可以是带有集液孔的中心管。本发明的螺旋型薄膜元件可以有两种实现方式，以下分别叙述。实施例一较佳的，作为一种可实施方式，参见图3，所述螺旋型薄膜元件分别以汲取液进口接管4和汲取液出口接管5为轴心，由正渗透膜1、汲取液导流材料2和供料液导流材料3组成的薄膜层紧贴着所述汲取液进口接管4和汲取液出口接管5螺旋式卷成第一圆筒状卷绕体和第二圆筒状卷绕体。本实施例中形成两个卷绕体，这样螺旋型薄膜元件的通量大，适用于较高压力。较佳的，作为一种可实施方式，本实施例中的所述密封部分包括外密封部6和内密封部，所述外密封部设置在所述第一圆筒状卷绕体和第二圆筒状卷绕体的两个轴向端面，所述内密封部设置在所述正渗透膜的径向端部。本实施例中的圆筒状卷绕体的轴向端面也就是圆筒状卷绕体的圆形端面。外密封部和内密封部可以通过胶结剂胶结薄膜层来形成。也就是说，本实施例中的螺旋型薄膜元件的圆形端面的最外层为外密封部。较佳的，作为一种可实施方式，为了使本发明的螺旋型薄膜元件使用和制造更加方便，所述第一圆筒状卷绕体和第二圆筒状卷绕体中薄膜层的长度比为3:1至1:3，优选为1:1。本实施例中的螺旋型薄膜元件的制备方法，包括如下步骤:参见图5，(1)制备薄膜层:首先将正渗透膜I对折，并将正渗透膜I的两端进行密封形成内密封部；再将供料液导流材料3放置在正渗透膜的间隙；接下来将汲取液导流材料2与正渗透膜I重叠放置，得到薄膜层，然后对薄膜层的两侧轴向端部进行密封形成外密封部6 ;本步骤中的密封可以采用胶结剂进行胶结；正渗透膜对折后，对正渗透膜的开口的一端采用胶结剂进行胶结使得正渗透膜的开口端封闭，同时也可以对正渗透膜的折线的一端粘贴保护胶带以保护渗透膜，使得正渗透膜耐用；参见图6，(2)圆筒状卷绕体制备:将步骤(I)制备的薄膜层的两端分别与集液器
4、5固定，然后分别以第一集液器4和第二集液器5为轴心，按图6箭头所示方向使薄膜层紧贴着集液器螺旋式卷绕形成第一圆筒状卷绕体和第二圆筒状卷绕体；
(3)密封:对步骤(2)制得的圆筒状卷绕体的集液器的周围进行密封。实施例二本实施例是螺旋型薄膜元件的另一种实现方式。较佳的，作为一种可实施方式，参见图4，所述螺旋型薄膜元件以汲取液进口接管4为轴心，由正渗透膜1、汲取液导流材料2和供料液导流材料3组成的薄膜层紧贴着所述汲取液进口接管4螺旋式卷成第三圆筒状卷绕体，所述薄膜层的末端嵌入所述汲取液出口接管5。本实施例中仅形成一个圆筒状卷绕体，汲取液出口接管的外侧没有形成卷绕体，这样形成的螺旋型薄膜元件体积小，易于安装。较佳的，作为一种可实施方式，参见图4，本实施例中的所述密封部分包括外密封部6和内密封部，所述外密封部设置在所述第三圆筒状卷绕体的轴向端面和所述汲取液出口接管上设置有薄膜层的端面，所述内密封部设置在所述正渗透膜的径向端部。同样的，夕卜密封部设置在本实施例的薄膜层的轴向端面，薄膜层的轴向端面是指与集液器轴线一致的方向，而渗透膜的径向是指与渗透膜的延伸方向相同的方向。较佳的，作为一种可实施方式，本实施例中的薄膜层可以为多个，只需要将多个薄膜层层叠在一起卷绕在集液器的外侧即可，为了保证薄膜层中汲取液的流动，可以在多个薄膜层的内密封部之间设置汲取液导流材料，也就是说汲取液导流材料的长度大于供料液导流材料。本实施例中的螺旋型薄膜元件的制备方法，包括如下步骤:参见图5，(1)制备薄膜层:首先将正渗透膜I对折，并将正渗透膜I的两端进行密封形成内密封部；再将供料液导流材料3放置在正渗透膜的间隙；接下来将汲取液导流材料2与正渗透膜重叠放置，得到薄膜层，然后对薄膜层的两侧轴向端部进行密封形成外密封部6 ;本步骤中的密封可以采用胶结剂进行胶结；正渗透膜对折后，对正渗透膜的开口的一端采用胶结剂进行胶结使得正渗透膜的开口端封闭，同时也可以对正渗透膜的折线的一端粘贴保护胶带以保护渗透膜，使得正渗透膜耐用；参见图7，(2)圆筒状卷绕体制备:将步骤(I)制备的薄膜层的一端与其中一个集液器4固定，然后以该集液器4为轴心，使薄膜层紧贴着集液器螺旋式卷绕形成第三圆筒状卷绕体；之后将薄膜层的另一端嵌入另一个集液器；此步骤中作为轴心的集液器的一端封闭；(3)密封:对步骤(2)制得的圆筒状卷绕体的集液器的周围进行密封。更优的，本发明中的薄膜层可以为两个或两个以上，当薄膜层为多个时，步骤(2)还包括将薄膜层层叠的步骤，并在薄膜层的内密封部之间设置汲取液导流材料。本发明的螺旋型薄膜元件应用于正渗透膜领域时，汲取液走汲取液流道，在第一圆筒状卷绕体中，汲取液由内向外螺旋流动，而在第二圆筒状卷绕体中，汲取液由外向内螺旋运动；而在第三圆筒状卷绕体中，汲取液由内向外螺旋流动。供料液走供料液流道，在圆筒状卷绕体中一方面螺旋流动，另一方面轴向流动。利用正渗透原理，以浓度差为推动力，由于汲取液中的溶质浓度远高于供料液，所以正渗透膜两侧存在着浓度差，供料液中的水分子向汲取液扩散，进入汲取液，这样可以将供料液中的水分离出来。并且本发明的螺旋式薄膜元件采用螺旋式流动，增加了平均浓度差，提高了渗透推动力，同时由于汲取液和供料液的螺旋式的流体流动路程长，流动速度快，增大了传质系数，使得本发明的螺旋型薄膜元件的水通量高。本发明的螺旋式薄膜元件结构排列紧凑，装填密度大，体积小，重量轻，可立体组装，占地面积小，能够有效利用膜面积，不存在流体死角，并且流动路程长，流动速度快。根据流道中导流材料的不同，流道名称可以互换。较佳的，作为一种可实施方式，本发明的螺旋型薄膜元件可以采用外装材料使其形成螺旋型薄膜装置，外装材料可以是单个或多个片状材料缠绕在圆筒状卷绕体的表面，本实施例中的外装材料可以是聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、玻璃纤维布等。进一步的，本发明在螺旋型薄膜元件上可以设置防止变形的端部材料、密封材料、增强材料等。作为一种实施例，本发明还提供一种螺旋型薄膜组件，所述组件是将以上制得的螺旋型薄膜元件作为膜芯，安装于由外装材料制备的外壳中，端头用环氧树脂或其他胶结剂浇铸固定，所述螺旋型薄膜组件设置有5个进出口接管，其中I个汲取液进口接管、2个汲取液出口接管、I个供料液进口接管和I个供料液出口接管。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种螺旋型薄膜元件，包括圆筒状卷绕体和密封部分，其特征在于:所述圆筒状卷绕体包括两个集液器和薄膜层； 所述薄膜层包括正渗透膜，在所述正渗透膜的一侧形成汲取液流道，在所述汲取液流道中设置有汲取液导流材料，所述正渗透膜的另一侧形成供料液流道，在所述供料液流道中设置有供料液导流材料； 其中第一集液器为汲取液进口接管，第二集液器为汲取液出口接管，所述汲取液流道的两端分别与两个集液器相连通； 所述螺旋型薄膜元件的汲取液流道为直线。
2.根据权利要求1所述的螺旋型薄膜元件，其特征在于:所述汲取液进口接管的一端封闭。
3.根据权利要求1所述的螺旋型薄膜元件，其特征在于:所述密封部分包括外密封部和内密封部，所述外密封部设置在所述薄膜层的两侧轴向端面，所述内密封部设置在所述正渗透膜的径向端部。
4.根据权利要求3所述的螺旋型薄膜元件，其特征在于:所述螺旋型薄膜元件分别以汲取液进口接管和汲取液出口接管为轴心，由正渗透膜、汲取液导流材料和供料液导流材料组成的薄膜层紧贴着所述汲取液进口接管和汲取液出口接管螺旋式卷成第一圆筒状卷绕体和第二圆筒状卷绕体。
5.根据权利要求3所述的螺旋型薄膜元件，其特征在于:所述螺旋型薄膜元件以汲取液进口接管为轴心，由正渗透膜、汲取液导流材料和供料液导流材料组成的薄膜层紧贴着所述汲取液进口接管螺旋式卷成第三圆筒状卷绕体，所述薄膜层的末端嵌入所述汲取液出口接管。
6.根据权利要求1所述的螺旋型薄膜元件，其特征在于:所述薄膜层至少为两个，所述薄膜层的内密封部之间设置有汲取液导流材料。
7.权利要求1飞所述的螺旋型薄膜元件的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: (O制备薄膜层:首先将正渗透膜对折，并将正渗透膜的两端进行密封；再将供料液导流材料放置在正渗透膜的间隙；接下来将汲取液导流材料与正渗透膜重叠放置，得到薄膜层，然后对薄膜层的两侧轴向端部进行密封形成外密封部； (2)圆筒状卷绕体制备:将步骤(I)制备的薄膜层以集液器为轴心，使薄膜层紧贴着集液器螺旋式卷绕形成圆筒状卷绕体； (3)密封:对步骤(2)制得的圆筒状卷绕体的集液器的周围进行密封。
8.根据权利要求7所述的螺旋型薄膜元件的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中，步骤(I)制备的薄膜层的两端分别与集液器固定，然后分别以两个集液器为轴心，使薄膜层紧贴着集液器螺旋式卷绕形成第一圆筒状卷绕体和第二圆筒状卷绕体。
9.根据权利要求7所述的螺旋型薄膜元件的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中，步骤(I)制备的薄膜层的一端与其中一个集液器固定，然后以该集液器为轴心，使薄膜层紧贴着集液器螺旋式卷绕形成第三圆筒状卷绕体;之后将薄膜层的另一端嵌入另一个集液器。
10.根据权利要求9或10所述的螺旋型薄膜元件的制备方法，其特征在于:当薄膜层为多个时，步骤(2)还包括将薄膜层层叠的步骤，并在薄膜层的内密封部之间设置汲取液导流材料。
全文摘要
本发明提供了一种螺旋型薄膜元件及其制备方法，该薄膜元件包括圆筒状卷绕体和密封部分，所述圆筒状卷绕体包括两个集液器和薄膜层；所述薄膜层包括正渗透膜，在所述正渗透膜的一侧形成汲取液流道，在所述汲取液流道中设置有汲取液导流材料，所述正渗透膜的另一侧形成供料液流道，在所述供料液流道中设置有供料液导流材料；所述螺旋型薄膜元件的汲取液流道为直线。本发明的螺旋型薄膜元件中的供料液的流道为直线，不存在流道死角，因此不会减少膜的有效过滤面积，不会降低膜元件的过滤效率，能够充分利用正渗透膜的面积，长时间稳定的进行水处理。
文档编号B01D63/10GK103143259SQ20131006282
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月27日 优先权日2013年2月27日
发明者段伟, 王效宁, 蔡军刚 申请人:新加坡三泰水技术有限公司