用于高压渗透膜的支撑件的制作方法

用于高压渗透膜的支撑件


背景技术：

1.在传统渗透系统中，半透膜允许溶剂通过渗透进入浓缩溶液侧。该技术可用于从盐浓度差产生的盐度梯度能发电。溶剂分子穿过半渗透屏障扩散到溶质溶液中以增加压力，其中连接的转换装置(例如涡轮机)可以将增加的压力转换为例如电。
2.在us 2012/0328844 a1中可以找到渗透膜的一个示例，其公开了一种由扁平材料形成的间隔物，该扁平材料在一个或两个表面上具有多个凸形支撑元件，并且其中间隔物夹在过滤元件之间，每个过滤元件可以由多层上膜和下膜组成，在这些膜之间设置有渗透间隔物。众所周知，半透膜上的高压差提高了能量产生的效率，这带来了以下问题，即半透膜必须足够坚固以承受可能达到70bar或200bar甚至更高水平的压力。
3.在如us 2012/0328844 a1中所见的膜中，将不适用于此种高压，因为过滤元件会在被压向间隔物的扁平材料时塌陷。


技术实现要素：

4.该问题通过权利要求中指出的特征得以解决。
5.这包括引入用于过滤膜的支撑件，该过滤膜形成有沿相反方向延伸的一组第一突起和一组第二突起，其中至少一些第一突起连接到多孔片的第一侧，并且其中多孔片的第二侧适于形成用于所述过滤膜的支撑件，防止过滤膜接触第一或第二突起并进入形成在支撑件和多孔片之间的空间。
6.多孔片和间隔物的组合确保了对高压的足够坚固性。多孔片因而防止膜，或可能的膜构造，包括例如膜、间隔层等的夹层结构，向支撑件塌陷。可能的刚性多孔片与第一和/或第二突起的分布的组合确保第一/第二突起之间的未支撑多孔片的区域足够小，以抑制在压力下的变形。
7.第一和/或第二突起可以包括顶部区域，该顶部区域可以是面向过滤膜构造的平坦表面的平坦顶部表面，它们可以是面向过滤膜构造的类似曲率的弯曲的，或具有其他形状。
8.附加或替代实施例包括引入用于过滤膜构造的支撑件，该过滤膜构造形成有沿相反方向延伸的一组第一突起和一组第二突起，其中至少一些第一凹形突起和/或第二凹形突起成形为具有形成朝向过滤膜的接触面的第一顶部表面区域，其中第一顶部表面区域和/或第二顶部区域是平坦顶部表面区域。
9.在本文中，凹形突起是指在平坦的第一和/或第二顶表面的整个圆周上形成有周围侧面或侧面的突起。
10.第一凹形突起和/或第二凹形突起成形为具有形成朝向过滤膜的接触面的第一顶部表面区域，其中第一和/或第二中的至少一些可适于形成与包括过滤膜和多孔片(150)的过滤膜构造的接触。
11.第一和/或第二顶部表面区域中的至少一些可以固定到过滤膜构造的多孔片，诸如通过焊接或铜焊。
12.顶部表面通常使从支撑件到过滤膜构造的接触“区域”连接具有相当大的组合区域，而不是更多的点状连接。
13.与过滤膜构造形成接触面的顶部表面区域形成夹层结构，支撑件位于两个过滤膜构造之间。因此，支撑件可以支撑两个相似的操作半透过滤膜，或者可以在支撑件的相对侧上形成两条不同的流路，从而分别形成淡水和盐水的流路。
14.支撑件可以由具有一组第一突起和第二个第二突起的单片或箔片形成，使得突起形成内腔，该内腔形成形成在支撑件和过滤膜构造之间的流体流动通道的一部分。突起和多孔片的组合防止过滤在压力下被推入内腔。
15.在实施例中，如果在平行于过滤膜的延伸的方向上延伸的唯一平坦区域是与过滤膜接触的平坦顶部表面，则形成牢固的支撑。
16.在实施例中，第一突起和第二突起以阵列配置定位。除了位于支撑件的边缘部分的第一和第二突起之外，第一和第二突起在2d构造中由相应的第二和第一突起侧接。2d构型定义为平行于过滤膜延伸的平面，而突起的延伸方向与该方向正交。
17.所述过滤膜的支撑层可以夹在所述多孔片的所述第二表面和所述过滤膜之间。
18.平坦顶部表面可以接触所述过滤膜构造的多孔片的第一表面。在另一个实施例中，多孔片是支撑件的组成部分，形成用于过滤膜构造的其他部分(例如半透过滤膜)的平台。
19.在实施例中，所述过滤膜构造的过滤膜位于所述多孔片的第二表面上，并因此与高压盐水或者通常与具有较低盐浓度的新鲜流体供应(例如水)相关的具有高盐浓度的流体相连接。
20.在实施例中，所述过滤膜构造的支撑层夹在所述多孔片的第二表面和所述过滤膜之间。
21.实施例涉及一种渗透过滤装置，其包括连接到根据任一实施例的过滤膜的支撑件，其中高压流路形成在过滤膜相对于支撑件的远侧，并且低压流路形成在过滤膜的相对于支撑体的近侧，其中高压和低压是相对的。
22.渗透过滤装置可以包括夹在上过滤膜构造和下过滤膜构造之间的多种配置的支撑件，该上过滤膜构造和下过滤膜构造分别连接到第一突起平坦顶部表面和第二突起平坦顶部表面，使得高压流路形成在两个过滤膜构造之间，并且低压流路形成在过滤膜构造和支撑件之间形成的相应流路处。
23.间隔件可以位于高压流路中的相应两个过滤膜构造之间。
附图说明
24.图1示出用于过滤膜的支撑件，其包括具有连接到过滤膜或过滤膜构造的平坦顶部表面区域的突起。
25.图2示出用于过滤膜的支撑件，其包括具有连接到上过滤膜和下过滤膜或过滤膜构造的平坦顶部表面区域的突起。
26.图3示出实施例过滤膜构造。
27.图4a和图4b示出实施例过滤系统。
28.图5a和图5b是平坦顶部表面区域和弯曲顶部表面区域的图示。
29.图6a至图6d示出顶部表面区域的不同实施例的形状。
具体实施方式
30.应当理解，详细描述和具体示例虽然指示了本发明的实施例，但仅以说明的方式给出，因为在本发明的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员来说从详细描述中将变得显而易见。
31.在下文中，盐水用作示例流体，但用于其他系统的其他流体也是可能的，诸如食品部门，其中糖也可能形成需要克服的高渗透压等。
32.图1示出了用于过滤膜构造(50)的实施例支撑件(10)。支撑件(10)形成有沿相反方向的第一组突起(20)和第二组突起(30)，其中至少一些第一突起(20)成形为具有平坦顶部表面(25)，其形成与过滤膜构造(50)的接触面。
33.平坦顶部表面(25)因此形成朝向过滤膜构造(50)的接触区域，可能具有介于膜和(半渗透)膜(200)之间的片(150)，这将在后面的附图中进行说明。
34.在其他未公开的实施例中，顶部表面区域(25、35)可以是弯曲的，与过滤膜构造(50)的表面中的相似曲率对齐。
35.支撑件(10)可以通过将突起(20、30)压制在基本刚性材料(100)的平板中来形成，诸如金属片之类的板，例如不锈钢，但也可以是塑料、玻璃纤维等。它们形成为使得突出到一侧的突起(20、30)在相对侧处限定中空或内腔(20a、30a)。
36.当接触过滤膜构造(50)时，由突起(20、30)构成的支撑件(10)限定了形成在支撑件(10)和过滤膜构造(50)之间的流体流动通道(120)。突起(20、30)构造确保流动遵循在相邻第一突起(20)平坦顶部(25)和第二突起(30)平坦顶部(35)之间的侧面(60)之间通过的变化路线，以及两个分别相邻的两个平坦第一突起(20)平坦顶部(25)和相应的两个第二突起(30)平坦顶部(35)之间的弯曲过渡(65)。
37.所示实施例中的支撑件(10)形成为使得，如果x轴和y轴限定过滤膜构造(50)和支撑件(10)的延伸的2d构造，z轴为突起(20、30)的延伸方向，则唯一的平坦区域是平坦顶部表面(25、35)。“平坦”区域是指在x和y方向上延伸的区域，在z方向上没有曲率或延伸。它们是仅平行于过滤膜构造(50)延伸的区域。
38.如果任何此种平坦区域存在于平坦顶部表面(25、35)之间的区域中，它们将形成支撑件(10)的薄弱部分。当向支撑件(10)施加压力时，所有的力将直接指向这些平坦区域，这可能导致支撑件(10)的塌陷。在图示的实施例中，所有的力都被引导到侧面(60)和弯曲过渡(65)中，从而形成更加坚固的结构。
39.诸如弯曲过渡(65)的转折点之类的点本身不是平坦区域，因为它们形成曲率的一部分。
40.在图示实施例中，除了位于支撑件(10)的边缘部分的第一(20)和第二(30)突起外，第一(20)和第二(30)突起在由相应的第二(30)和第一(20)突起在x和y方向延伸的2d构造中侧接。第一(20)和第二(30)突起因此可以以阵列方式定位。
41.在一个未示出的实施例中，该构造使得第一突起(20)比第二突起(30)多，反之亦然。例如，如果两种不同的流体要沿着形成在支撑件(10)的相对侧的流路(120)流动，则可能是有用的，一种是高压流而另一种是低压流。通常，本系统中的“高压”应理解为具有比“低压”更高的压力。因此，这些术语是相互关联的。
42.图2示出了实施例，其中至少一些第二突起(30)成形为具有平坦顶部表面(35)，该表面形成与过滤膜构造(50)的接触面。
43.平坦的第一(25)和/或第二(35)顶部表面有助于支撑膜构造(50)，并且因此需要具有组合的凹坑密度和总顶部表面区域以支撑膜构造(50)，确保其不会在压力下塌陷。
44.在一个实施例中，所有第一突起(20)和/或第二突起(30)都具有平坦顶部表面(25、35)。
45.在一个实施例中，形成与过滤膜构造(50)的接触面的第一突起(20)和/或第二突起(30)是在z方向上突出最远的突起，或者换言之，是最高的突起(20、30)。
46.第一突起(20)和/或第二突起(30)可以以二维形式分布在支撑件(10)上，诸如以阵列形式。
47.在一个实施例中，第一(25)和/或第二(35)顶部表面中的至少一些被固定到过滤膜构造(50)，这可以通过焊接或铜焊来固定。这提供了坚固的结构。为了确保支撑件(10)可用于任何类型的半透膜(200)(参见图3)，过滤膜构造(50)包括多孔片(150)，其中平坦顶部表面(25、35)接触多孔片(150)的第一表面。
48.过滤膜构造(50)通常将包括适合于所需过滤目的的第一尺寸的过滤孔。对于盐过滤，典型的孔径在0.1-1nm范围内。多孔片(150)也将包括用于流体在流路(120)和半透膜(200)之间通过的开口(160)，其中它们可以由不适合过滤目的的尺寸形成，但会使流体基本上自由通过，并且同时仍然足够小以防止过滤膜构造(50)的其他部分(200、250)由于压力而穿过开口(160)。多孔片(150)因此具有第二尺寸的开口(160)，该第二尺寸显着大于第一尺寸，诸如大100或1000或10000、或100.000或1.000.000倍或甚至更大，并且甚至可以在毫米范围内。
49.多孔片(150)可以是能够承受压力而不使例如开口(160)变形和损坏并且能够承载过滤膜构造(50)的其他部分(200、250)的任何合适的材料。它可以形成为网或穿孔箔片，并且可以由与支撑件(10)相同的材料或使它们能够固定在一起的另一种材料形成。与过滤膜配置(50)的其他部分相比，它也可以由基本上刚性的材料形成。
50.在一个实施例中，具有与第一(25)和第二(35)顶部表面区域接触的多孔片(150)的支撑件(10)作为夹层结构，厚度小于1cm，或甚至小于0.2cm。
51.图3示出了一个实施例的过滤膜构造(50)，其显示了多孔片(150)和夹在多孔片(150)和半透膜(200)之间的膜支撑层(250)。支撑层(250)在半透膜(200)和多孔片(150)之间形成屏障。这有助于抑制半透膜(200)被推出开口(160)，即使它相对薄、柔软、柔韧、细长等。
52.该概念还允许更大部分的膜是活性的。如果将半透膜(200)直接放置在多孔片(150)上，则只有孔(160)上方的膜(200)部分将是活性的。通过插入支撑层(250)，水可以移动通过膜(200)，分布在整个支撑层(250)中并移动通过孔。相反，水移动通过多孔片(150)的孔，分布在支撑层(250)中并接触膜(200)的整个表面。
53.在一些实施例中，膜(200)具有嵌入的支撑层(250)。
54.在该配置中，膜活性层(具有0.1-1nm的孔)背对支撑层(250)并朝向具有盐水的高压侧(这是用于压力延迟渗透的膜的最有效取向)。
55.反渗透应用的方向相同。
56.具有多孔片(150)和任选的支撑层(250)的构造使得基本上能够在系统中使用任何半透膜(200)。
57.尽管实施例公开了形成过滤膜构造(50)的组成部分的多孔片(150)，但也可以将其视为固定到平坦顶部表面(25、35)的支撑件(10)的组成部分，并且因此形成平台来承载其他部分，如支撑层(250)和半透膜(200)。
58.图4a和图4b公开了渗透过滤装置(300)中的支撑件(10)的一种实施方式。在此，多个过滤单元(310)定位在外壳(320)内。淡水通过淡水入口(312)和淡水出口(314)循环进出过滤单元(310)。
59.图4a和图4b仅作为示例，也可以应用其他配置。
60.外壳(320)的内部空间形成从盐水入口(322)供应并例如通过盐水出口(324)抽取到涡轮机的盐水流路的一部分。
61.在下文中，淡水被定义为具有比盐水低的盐浓度的流体，或一般的含盐流体。
62.图4b更详细地示出了一些过滤单元(310)的一部分，其包括夹在两个过滤膜构造(50)之间的支撑件(10)。在外壳内，高压盐水将过滤膜构造(50)推向支撑件(10)，而由于渗透作用，来自过滤单元(310)内的低压淡水流路(120)并由支撑件(10)限定的水将通过过滤膜构造(50)扩散到外壳(320)的内部空间中。在一个实施例中，仅此压力就可以使例如半透膜(200)和可选的支撑层(250)保持在适当位置，而在其他实施例中，间隔结构(400)位于相邻的过滤单元(310)之间，有助于将例如半透膜(200)保持在适当位置，以确保流体充分混合，防止盐沉积在袋中形成，确保均匀的盐浓度，而且还保持各个过滤单元(310)分开。
63.在所示实施例中，示出了高压流路形成在过滤膜构造相对于支撑件的远侧，并且低压流路形成在过滤膜构造相对于支撑件的近侧，在过滤单元内，高压和低压是相对的。
64.在未示出的不同实施例中，利用了在支撑件(10)的相对侧形成两个不同的流路，并且支撑件(10)被设计为能够承受高压。在该实施例中，两个流路之一可以是高压盐水流路的一部分，而另一个是低压淡水流路的一部分。在该实施例中，过滤膜构造(50)和支撑件(10)的组合装置可以被卷起，形成经典的卷起过滤装置(300)。
65.在一个实施例中，支撑件(10)形成有开口，允许在支撑件(10)的相对侧形成的流体流动通道(120)之间通过。这可能是由于混合、简单的压力平衡等，或者甚至是为了增加支撑件(10)的强度。
66.多孔片(150)中的开口(160)可以定位成使得它们不形成在与顶部表面区域(25、35)接触的地方。在替代实施例中，一些开口(160)形成为与形成在顶部表面区域(25、35)中的开口对齐，盐浓度越高，压力越高。
67.一方面，顶部表面区域(25、35)的尺寸应足够小以不显着减小流路(120)的面积，但另一方面它们应足够大以提供足够的支撑。在一个实施例中，尺寸与预期的盐浓度有关。
68.为了确保支撑件(10)具有良好的强度重量比，使其耐用，第一(20)和第二(30)突起以矩阵图案布置，相邻行中的突起(20、30)的中心之间的距离为x1，并且它们在相邻列中的中心之间的距离为x2，其中它们的顶部表面区域(25、35)具有周长c，并且其中c/x1在1.03-2.27的范围内，诸如在1.1-2.3的范围内。相应地，c/x2也可以优选地在1.1-4.32的范围内，诸如在1.2-4.0的范围内。
69.图5a示出了平坦顶部表面区域(25、35)将连接到过滤膜构造(50)和/或多孔片(150)的下表面的实施例。
70.图5b示出了弯曲顶部表面区域(25、35)将连接到过滤膜构造(50)和/或多孔片(150)的下表面的实施例。过滤膜构造(50)和/或多孔片(150)的相应下表面形成有相应的弯曲形状(52)，使得在接触区域上形成接触。
71.图6示出了顶部表面区域(25、35)为圆形(图6a)、椭圆形(图6b)、矩形(图6c)或星形(图6d)的实施例，但也可以应用任何其他形状。