螺旋缠绕式分离膜组件及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种螺旋缠绕式分离膜组件，更具体地，涉及一种螺旋缠绕式分离膜组件及其制备方法。


背景技术：

2.分离膜根据气孔尺寸而分为微滤膜(micro filter，mf)、超滤膜(ultrafilter，uf)、纳滤膜(nano filter，nf)以及反渗透(reverse osmosis，ro)膜。
3.为了将上述分离膜适用于工业规模的液体分离，需要相当大的膜面积。将大的膜面积集成成紧凑规模的装置单元称为分离膜组件，目前已开发了平板式组件、管式组件、中空纤维式组件、螺旋缠绕式组件等多种膜组件类型，尤其，最近商业化的渗透膜组件主要采用螺旋缠绕式(spiral wound type)组件。
4.螺旋缠绕式组件通过在外表面上缠绕预定的纤维来进行包装工艺，以往，通过在缠绕纤维的同时喷射环氧树脂和固化剂的混合物来进行包装工艺，但是由于环氧树脂和固化剂飞散，且经常发生固化不良，因此缺陷率增加，并且由于固化时间很长，工艺时间也过长，此外，由于使用环氧树脂和固化剂的混合溶液，使用后废弃处理时也存在很不环保的问题。
5.因此，迫切需要研究能够显着减少缺陷率和工艺时间，同时在使用后废弃处理时也能够表现出环保效果的包装工艺条件、为此的材料以及由此实现的螺旋缠绕式分离膜组件。


技术实现要素：

6.技术问题
7.本发明是鉴于上述问题而研制的，其目的在于提供能够显著减少缺陷率和工艺时间，同时在使用后废弃处理时也能够表现出环保效果的螺旋缠绕式分离膜组件及其制备方法。
8.解决问题的方案
9.为了解决上述技术问题，本发明提供一种螺旋缠绕式分离膜组件，上述螺旋缠绕式分离膜组件包括：流出管；过滤器集合体，以螺旋缠绕方式缠绕在上述流出管上；及熔接部，以在流出管的长度方向上包围过滤器集合体的外表面的方式缠绕的热熔接线的一部分或全部被熔融，以融接并固定在过滤器集合体而成。
10.根据本发明的一实施例，上述过滤器集合体可以包括：分离膜，弯曲形成至少一个叶片；内间隔件，布置在上述叶片的内部；及外间隔件，布置在上述叶片的外部。
11.此外，上述内间隔件可以包括网片，上述外间隔件可以包括经编织物过滤通道。
12.此外，上述热熔接线可以包括支撑纤维和热熔接聚合物，上述热熔接聚合物形成在上述支撑纤维的表面上且具有比上述支撑纤维更低的熔点或软化点。
13.此外，上述支撑纤维可以包括选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、玻璃纤维及碳
纤维组成的组中的一种以上，上述热熔接聚合物可以包括选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚烯烃类聚合物组成的组中的一种以上。
14.此外，可以将上述热熔接线以在流出管的长度方向上包围过滤器集合体的外表面的方式缠绕1层至4层。
15.此外，可以在上述过滤器集合体的外表面中流出管的长度方向两末端上将热熔接线进一步缠绕一层或多层。
16.此外，可以将上述热熔接线以在流出管的长度方向上包围过滤器集合体的外表面的方式缠绕，此时，每一层每1m的单位长度可以缠绕上述热熔接线290次至320次。
17.此外，上述热熔接线可以是以20:80至80:20的重量比包括支撑纤维和热熔接聚合物的芯鞘型热熔接线。
18.此外，本发明还提供一种螺旋缠绕式分离膜组件的制备方法，上述螺旋缠绕式分离膜组件的制备方法包括如下步骤：在以螺旋状缠绕在流出管上的过滤器集合体上，以在流出管的长度方向上包围过滤器集合体的外表面的方式缠绕热熔接线；进行热处理，使得热熔接线的一部分或全部被熔融；及通过将熔融的热熔接线固化来形成熔接并固定在过滤器集合体上的熔接部。
19.根据本发明的一实施例，上述热处理步骤可以在100℃至250℃下进行30秒至2分钟。
20.此外，上述固化可以进行3分钟至20分钟。
21.发明的效果
22.根据本发明，螺旋缠绕式分离膜组件及其制备方法可以显着减少缺陷率和工艺时间，同时即使在使用后废弃处理时也可以表现出环保效果。
附图说明
23.图1为根据本发明的一实施例的螺旋缠绕式分离膜组件中设置的流出管和过滤器集合体的截面示意图，
24.图2为根据本发明的一实施例的螺旋缠绕式分离膜组件的透视图，
25.图3为示出本发明的一实施例的螺旋缠绕式分离膜组件的热处理前后的照片，且
26.图4为根据本发明的一实施例的螺旋缠绕式分离膜组件中设置的熔接部的sem(scanning electron microscope，扫描式电子显微镜)图。
具体实施方式
27.以下，参照附图来对本发明的实施例进行详细说明，以使本发明所属技术领域的普通技术人员轻松实现本发明。本发明可通过多种不同的实施方式实现，并不限定于在本说明书中所说明的实施例。为了明确说明本发明，在附图中省略了与说明无关的部分，在说明书全文中，对于相同或相似的结构要素赋予相同的附图标记。
28.如图1和图2所示，根据本发明的螺旋缠绕式分离膜组件1000包括：流出管100；过滤器集合体200，以螺旋缠绕方式缠绕在上述流出管100上；及熔接部300，以在流出管100的长度方向上包围过滤器集合体200的外表面的方式缠绕的热熔接线的一部分或全部被熔融，以融接并固定在过滤器集合体200而成。
29.首先，上述流出管100可以由中空管构件构成，上述中空管构件的两端中任一个端部或两端开口，上述中空管构件包括供生产水引入的至少一个孔。
30.只要是可适用于上述螺旋缠绕式分离膜组件的公知的流出管，就可以不受限制地使用，因此在本发明中对此没有特别限定。
31.其次，将对上述过滤器集合体200进行说明。
32.上述过滤器集合体200包括分离膜210，弯曲形成至少一个叶片；内间隔件220，布置在上述叶片的内部；及外间隔件230，布置在上述叶片的外部。
33.参照通过螺旋缠绕式分离膜组件1000的原水处理过程，流入水经过内间隔件220通过分离膜210，在通过分离膜210的过程中，溶存盐和有机物等被排除，并分离成纯水。分离后的水沿着外间隔件230流动，上述分离后的水被收集在位于中心的流出管100中并排放到螺旋缠绕式分离膜组件1000的外部。
34.作为上述分离膜210，只要是本领域中可普遍适用于螺旋缠绕式分离膜组件的分离膜，就可以不受限制地使用，因此在本发明中对此没有特别限定。
35.另外，上述内间隔件220起到在叶片内部形成流路的作用，具体而言，上述内间隔件220被布置在分离膜210弯曲形成的叶片的内部，从而可以作为流入水流路(进水通道(feed channel))大大改善叶片内部流路的形成。
36.作为上述内间隔件220，只要是本领域中可普遍适用于螺旋缠绕式分离膜组件的内间隔件，就可以不受限制地使用，优选地，可以包括网片。
37.作为上述网片，只要是能够用作过滤器集合体的内间隔件的网片(mesh sheet)，就可以不受限制地使用，优选地，可以使用聚丙烯、聚乙烯或以一定比例混合聚丙烯和聚乙烯而成的聚烯烃类共聚物作为网片的材料。
38.上述内间隔件220可具有6mm2至20mm2的平均空隙，优选地，可具有9mm2至17mm2的平均空隙，以顺利地形成流路。若空隙小于6mm2，则可能会出现阻碍流路形成的问题，若空隙超过20mm2，则可以导致在高压操作中发生分离膜变形且结垢的问题。
39.另外，内间隔件220的平均厚度可以为0.2mm至3mm，优选地，可以为0.2mm至2.0mm。若内间隔件220的平均厚度小于0.2mm，则无法确保充分的流路，若内间隔件220的平均厚度超过3mm，则每单位体积的有效膜面积减少，从而有可能对组件性能造成影响。
40.上述外间隔件230被布置在叶片的外部，起到形成叶片外部流路的作用，具体而言，上述外间隔件230被布置在叶片的外部，当叶片为两片以上时，布置在叶片与叶片之间，从而起到渗透水流路(permeate spacer，渗透隔离片)的作用。
41.作为上述外间隔件230，只要是本领域中可普遍适用于螺旋缠绕式分离膜组件的外间隔件，就可以不受限制地使用，优选地，可以包括经编织物过滤通道。
42.至于上述经编织物过滤通道，只要是可用作过滤器集合体的外间隔件的经编织物(tricot)，就不受限制地使用，优选地，可以由选自由聚丙烯、聚乙烯、聚-4-甲基戊烯、丙烯-α烯烃结晶共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酰胺及聚碳酸酯组成的组中的一种以上树脂或通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂中共聚合尼龙、聚丙烯或环氧树脂而改性的聚酯(低熔点聚对苯二甲酸乙二醇酯，low melting polyethylene terephyhalate,lmp)形成。
43.其次，将对上述熔接部300进行说明。
44.如上所述，上述熔接部300是以在流出管100的长度方向上包围过滤器集合体200的外表面的方式缠绕的热熔接线的一部分或全部被熔融，以融接并固定在过滤器集合体200而成。
45.因此，上述热熔接线的一部分或全部可包括热熔接聚合物，优选地，可以为包括支撑纤维和热熔接聚合物的芯鞘型热熔接线，上述热熔接聚合物形成在上述支撑纤维的表面上且具有比上述支撑纤维更低的熔点或软化点。
46.此时，作为上述支撑纤维，只要是在本领域中可常用的纤维，就不受限制地使用，优选地，可以包括选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、玻璃纤维及碳纤维组成的组中的一种以上。
47.此外，上述支撑纤维可以为单丝或由纤维束形成的复丝，当上述支撑纤维为复丝时，上述复丝可以单独包括选自由上述聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、玻璃纤维及碳纤维组成的组中的一种，或可以复合包括选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、玻璃纤维及碳纤维组成的组中的两种以上。
48.另外，作为上述热熔接聚合物，只要是具有比上述支撑纤维更低的熔点或软化点的热熔接聚合物，就可以不受限制地使用，优选地，可以包括选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚烯烃类聚合物组成的组中的一种以上。
49.此外，上述热熔接线可以通过将含有热熔接聚合物的纤维捻合到上述支撑纤维上而形成，或者可以通过用热熔接聚合物涂覆上述支撑纤维的表面而形成，但不限于此。
50.此外，上述热熔接线可以以20:80至80:20的重量比包括上述支撑纤维和热熔接聚合物，优选地，可以以25:75至75:25的重量比包括支撑纤维和热熔接聚合物。若上述支撑纤维和热熔接聚合物的重量比小于20:80，则螺旋缠绕式分离膜组件的耐久性可能会降低，例如，在高压条件下会发生缺陷等，若上述支撑纤维和热熔接聚合物的重量比超过80:20，则热熔接线可能无法固定在过滤器集合体的外表面上，且螺旋缠绕式分离膜组件的耐久性可能会降低，例如，发生缺陷等。
51.另一方面，可以将上述热熔接线以在流出管100的长度方向上包围过滤器集合体200的外表面的方式缠绕1层至4层，优选地，可以将上述热熔接线以在流出管100的长度方向上包围过滤器集合体200的外表面的方式缠绕1层至3层。若上述热熔接线的缠绕层数超过4层，则由于外径增加，在安装于外壳时可能会出现问题，或者由于超过标准重量而可能会降低工作性，例如安装时发生问题等，若不包括热熔接线，则无法进行固化，因此可能无法固定在外表面上，且螺旋缠绕式分离膜组件的耐久性可能会降低，例如，发生缺陷等。
52.此外，可以在上述过滤器集合体的外表面中流出管的长度方向两末端上将热熔接线进一步缠绕一层或多层。若在上述过滤器集合体的外表面中流出管的长度方向两末端上没有进一步缠绕一层或多层上述热熔接线，则可能出现在高压工艺时无法保护内部原构件的问题。
53.此外，可以将上述热熔接线以在流出管的长度方向上包围过滤器集合体的外表面的方式缠绕，此时，每一层每1m的单位长度可以缠绕上述热熔接线290次至320次，优选地，每一层每1m的单位长度可以缠绕上述热熔接线300次至310次。若每一层每1m的单位长度缠绕上述热熔接线的次数小于290次，则螺旋缠绕式分离膜组件的耐久性会降低，例如，在高压条件下发生缺陷等，若每一层每1m的单位长度缠绕上述热熔接线的次数大于320次，则由
于外径增加，在安装于外壳上时出现问题，或由于超过标准重量而在安装时会出现问题等，导致工作性降低。
54.根据本发明的螺旋缠绕式分离膜组件的制备方法包括如下步骤：在以螺旋状缠绕在流出管上的过滤器集合体上，以在流出管的长度方向上包围过滤器集合体的外表面的方式缠绕热熔接线；进行热处理，使得热熔接线的一部分或全部被熔融；及通过将熔融的热熔接线固化来形成熔接并固定在过滤器集合体上的熔接部。
55.在螺旋缠绕式分离膜组件的制备方法的说明中，将省略与在上述螺旋缠绕式分离膜组件中说明的各个构造相同的说明。
56.进行热处理使得热熔接线的一部分或全部被熔融的步骤可以在100℃至250℃下进行，优选地，可以在120℃至220℃下进行30秒至2分钟，优选地，可以进行30秒至1.5分钟。若上述热处理步骤的温度小于100℃或热处理时间小于30秒，则可能会出现熔接部不能以所需的水平固定于过滤器集合体的问题，若上述热处理步骤的温度大于250℃或热处理时间超过2分钟，则可能会出现如缺陷率增加或工艺时间增加等的问题。
57.此外，上述固化可以进行3分钟至20分钟，优选地，可以进行5分钟至15分钟。若上述固化时间小于3分钟，则可能会出现熔接部不能以所需的水平固定于过滤器集合体的问题，若上述固化时间大于20分钟，则可能出现工艺时间增加的问题。
58.通过进行上述热处理步骤和形成熔接部的步骤，可以如图3和图4所示形成熔接部。
59.根据本发明的螺旋缠绕式分离膜组件及其制备方法可以显着减少缺陷率和工艺时间，同时即使在使用后废弃处理时也可以表现出环保效果。
60.用于实施发明的方式
61.将通过以下实施例更详细说明本发明，但以下实施例不应解释为限制本发明的范围，而应解释为有助于理解本发明。
62.实施例1
63.首先，在直径为8英寸的流出管上以如图1所示的结构卷绕过滤器集合体而制备螺旋缠绕式组件，上述过滤器集合体如下制备：通过弯曲以阶梯状结构以5mm的阶梯间距顺次堆叠膜(聚酰胺膜)而成的分离膜来形成23个叶片，使得作为内间隔件的聚乙烯和聚丙烯复合材料的网片布置在分离膜中，且作为外间隔件的经编织物布置在所形成的叶片之间的区域。
64.之后，在螺旋缠绕式组件上将热熔接线以在流出管的长度方向上包围过滤器集合体的外表面的方式缠绕1层，将热熔接线在过滤器集合体的外表面中流出管的长度方向两末端上缠绕成2层，然后使用2000w热风机在120℃的温度下热处理1分钟，在室温下等待10分钟，使得熔融的热熔接聚合物固化，以形成熔接并固定在过滤器集合体的熔接部，从而制备螺旋缠绕式分离膜组件。
65.此时，作为上述热熔接线，使用以50:50的重量比包含由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的支撑纤维和熔点为100℃的聚烯烃类热熔接聚合物的芯鞘型热熔接线，每一层每1m单位长度缠绕上述热熔接线305次。
66.实施例2至17及比较例1至2
67.除了改变缠绕的热熔接线层数、缠绕在两末端上的热熔接线层数、热熔接线的捻
数、支撑纤维和热熔接聚合物的重量比、热处理温度和时间、固化时间等之外，其余以与实施例1相同的方式制备如表1至表4所示的螺旋缠绕式分离膜组件。
68.比较例3
69.除了代替熔接部来将与环氧树脂和固化剂的混合溶液接触的玻璃纤维以在流出管的长度方向上包围过滤器集合体的外表面的方式缠绕在螺旋缠绕式组件上，且在60℃的固化室中固化6小时之外，其余以与上述实施例1相同的方式制备螺旋缠绕式分离膜组件。
70.比较例4
71.除了在60℃的固化室中固化1分钟之外，其余以与上述比较例3相同的方式制备螺旋缠绕式分离膜组件。
72.实验例
73.对于根据实施例和比较例制备的螺旋缠绕式分离膜组件评价以下项目，其结果示于下表1至表4中。
74.1.缺陷率评价
75.评价根据实施例和比较例的螺旋缠绕式分离膜组件的缺陷率。具体而言，对于根据实施例和比较例制备的螺旋缠绕式分离膜组件，由在相关领域具有10年以上经验的15人分别通过视觉和触觉评价缺陷率。此时，以10分为满分计算平均值后，通过如下方式评价缺陷率：8分以上：
○
、4分以上且小于8分：
△
、小于4分：
×
。
76.2.高压耐久性评价
77.通过如下方式评价高压耐久性：在600psi条件下运转时，若没有任何问题，则评价为
○
，若出现如内部原构件突出的沟流现象等的任何问题，则评价为
×
。
78.3.流量和去除率评价
79.对于浓缩水(2000mg/l，nacl)，在225psi的压力、25℃温度和15％恢复率(recovery＝(生产水流量/进水流量)
×
100(％))的条件下通过ltt-1(长期测试仪，long term tester)评价流量和去除率。
80.4.差压评价
81.对于浓缩水(2000mg/l nacl)，在225psi的压力条件下通过ltt-1(长期测试仪，long term tester)增加浓缩水流量的同时测量每个通水量的差压。
82.5.工作性评价
83.通过如下方式评价工作性：在安装外壳时，若没有任何问题，则评价为
○
，若出现如超过外径和标准重量等的任何问题，则评价为
×
。
84.表1
[0085][0086]
表2
[0087][0088]
表3
[0089][0090]
表4
[0091][0092]
由上述表1至表4可知，均满足根据本发明的缠绕的热熔接线层数、缠绕在两末端上的热熔接线的层数、热熔接线的捻数、支撑纤维和热熔接聚合物的重量比、热处理温度和时间、固化时间及将纤维以包围过滤器集合体的外表面的方式固定的成分等的实施例1、5、6、9、10及13与不满足上述条件中的至少一个的实施例2至4、7、8、11、12、14至17及比较例1至4相比表现出相同水平的流量、去除率和差压，同时具有显着低的缺陷率和显著优异的高压耐久性和工作性，工艺时间也非常短。
[0093]
如上对本发明的一实施例进行说明，但本发明的主旨并不限于本说明书中提出的实施例，理解本发明的主旨的本领域的技术人员在相同主旨范围内，可通过对构成要件的附加、修改、删除、增加等容易地提出其它实施例，而这些属于本发明的主旨范围。