CN1761515A - 用于水的软化的带有内部分级的螺旋缠绕式组件的纳米过滤*** - Google Patents

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Abstract

以单程通过进料侧而没有在渗透物侧上的交叉流动的方式操作一种螺旋缠绕式膜过滤组件。回收率为70％或更高，而且进料侧速度为0.05至0.4英尺/秒。所述组件可以在壳体/进料侧的间隔材料中有堰以提供一条进料通路，该通路具有穿过膜片的多个通道。描述了一种小规模***，它用于使用所述的组件，例如用以采用纳米过滤膜来软化和过滤水。所述***包括化学清洁装置和工艺。

Description

用于水的软化的带有内部分级的 螺旋缠绕式组件的纳米过滤***
对于美国，本专利根据35 USC 119(e)要求享有2003年3月14日提交的美国临时申请号60/454,341的利益，所述美国临时申请的全文并入本文作参考。
                       发明领域
本发明涉及水软化方法或装置，涉及膜过滤***，例如通过反渗透(RO)、纳米过滤(NF)或超滤(UF)，而且涉及用于处理家庭、多住宅、商业、公共机构或工业用水以除去硬度、重金属、天然有机物质、颗粒物质、病原体或其它杂质中的一种或多种的方法和***。
                       发明背景
目前，基于离子交换的水软化是用于降低家庭和小规模应用中的水硬度的最常用的方法。这些方法有很多缺点，包括向水添加钠、排出含有氯化钠的废物流以及不能有效除去重金属、砷和其它杂质。同样，这些***除去病原体例如大肠杆菌(E-coli)、Crptosporidiumparvum和兰伯贾第虫(Giardia lambia)的效果也是非常小的。
RO和NF***也被用于小规模水软化，而且它们提供对于除去硬度和其它杂质的有效处理。然而，这些***通常使用一个单一组件。这些***的一个关键局限性在于，需要循环浓缩物以保持穿过膜表面的高速度从而避免结垢。这导致高成本。这些RO/NF小***还结合了复杂的清洁方法，而且为了延迟清洁操作，这些***以低回收率操作，导致水的损耗。
在US 4,814,079中，改进了一种螺旋缠绕式RO膜室，改进方式是除去间隔材料而代之以不透性材料的带状物以便在半透性膜片的外膜(envelopes)之间限定出一条卷绕开放的进料流路。在会在未改进的组件中导致1.3英尺/秒的进料流速度的进料流量下，所述卷绕的流路能使进料流的最低速度增加到3至10英尺/秒。据说，增加的流速度和没有间隔材料改进了在高固体浓度的水中的操作，所述水未经预先过滤就进料到所述组件。在一个优选的构型中，将不透性材料的带状物排列成与中央心轴相垂直，于是，当卷紧所述组件时，一个外膜的带状物压在另一个外膜的带状物上。据说这样可以避免各种问题，例如一个外膜的带状物会压入相邻外膜的进料通道，如果将所述带状物布置成与所述心轴平行就会发生这种情况。
发明概述
本发明的一个目的是对现有技术加以改进。本发明的其它目的包括：提供一种水软化方法或装置，提供一种膜过滤方法或装置，例如在所述RO、NF或UF范围中的一个或多个之中，以及提供一种对这类***中的膜进行清洁的方法，所述***例如用于家庭、多住宅、商业、公共机构或工业应用。所述一项或多项发明包括本文件中所述的部件或步骤中的一个或更个的组合。下文的概述讨论一项或多项发明的各种特征，这可以帮助读者理解所述的一项或多项发明，但无意限定任何一项发明。
在一些方面，本发明提供了一种具有螺旋缠绕式反渗透、纳米过滤或超滤组件的膜过滤***。所述组件具有一个进料/浓缩物侧和一个渗透物侧，而且含于一个压力外壳或壳体中。所述***还包括一个进料水泵、一个渗透物接收或收集槽、一个化学清洁***、用于输送进料、渗透物和浓缩物的导管、以及一个用来保持所需的渗透物、浓缩物和进料流动的控制***装置。所述进料/浓缩物侧可以是所述组件的壳侧，而且以进料单程流过所述进料/浓缩物侧的方式操作，所有的未渗透的进料作为浓缩物或渗余物离开所述壳体。所述渗透物侧可以是心轴侧而且以仅有一个或多个渗透物出口的方式操作，也就是说，在渗透物侧在一个入口和一个出口之间没有交叉流动。进料，例如来自井、表面或市政水源的进料，在供给压力下进入所述进料泵的入口侧。在进料供应采用泵的情况下，可以将所述进料供应泵和过滤***泵相组合。将来自所述泵的加压进料送入所述过滤组件。一个渗透物流通过渗透物歧管被回收，一个浓缩物流通过浓缩物岐管被收集。与所述进料相比，所述渗透物具有降低的杂质(例如硬度)浓度，而所述浓缩物侧具有提高的浓度。将所述渗透物贮存在所述收集槽内，该收集槽可以是一种隔膜槽，它收集压力下的渗透物以便将渗透物提供给用户而无需进一步加压。将浓缩物送往排出口或将浓缩物从所述***取出供其它处理。不时地操作所述化学清洁***以提高所述组件的渗透性。所述组件可以是一种如下所述的改进的组件。
在其它方面，本发明提供了一种螺旋缠绕式过滤组件(可以将它称作内部分级的组件)，其中所述进料沿一条流路流动，该流路形成穿过所述组件的外膜(也可以将它们称为片)的长度或宽度的多个通道(还可以将每个通道称为一个级)。例如，可以有3至9个、或者5至7个通道。所述流路可以贯穿所述组件的壳侧的片之间的间隔材料。所述通道可以具有边缘(edges)，这些边缘被通过间隔材料的区域或者在间隔材料的区域之间的堰(也可以将它们称为挡板或隔板)限定。所述通道可以具有下降的宽度或截面积，在一个通道内或者在通道之间或者二者，于是，在合适的操作条件下，例如本文中所述的操作条件下，可以有通过所述组件的进料/浓缩物侧的大体恒定或提高的速度。例如，与第一级的开始的宽度或截面积相比，最后一级的结尾的宽度或截面积可以是大约20％或更小或者15％或更小。所述通道通常可以与中央心轴平行，即，穿过所述组件的长度来回延伸，而且第一个通道可以比最后一个通道距离所述心轴更远。所述组件可以具有带孔的膜材料，所述孔在UF、NF或RO范围中的一个或多个之中。对于水软化应用而言，可以将所述孔径和膜材料规定为具有50％或更高的硬度抑制率，而且所述孔径和膜材料在一个***中操作时可以提供30％或更高或者50％或更高的硬度抑制率。
在其它方面，本发明涉及一种在一个***(例如如上文所述的***)中操作一个膜过滤器(例如如上文所述的膜过滤器)的方法。进一步举例，所述组件可以是一种用于在小规模***中从进料水中除去硬度和其它杂质的NF组件。在该方法中，进料按单程方式经过所述组件的进料侧(也称为进料侧/浓缩物侧)。所述组件的最低表面进料侧速度或者表面出口速度至少为0.05ft/秒，优选高于0.12ft/s。例如，最低表面进料侧速度或者表面出口速度可以在0.05至0.4英尺/秒之间或者在0.12至0.3英尺/秒之间。将表面速度定义为在假设所述进料/浓缩物侧间隔物没有体积的情况下的速度；而且在本文中具有这样的定义，除非另有说明。随着所述进料穿过所述组件，速度可能提高。例如，在最后一级末端测定的出口速度可以是第一级中平均速度的1.2倍或更多倍。所述渗透物侧可以仅仅通过所述膜接收渗透物而且从一个出口释放渗透物，也就是说，在一个入口和一个出口之间没有交叉流动。回收的渗透物的量是进入所述组件的进料量的70％或更多，或者80％或更多或者在80至95％的范围内。将通过所述进料侧的压力降保持在组件所能允许的限度内。例如，进料侧压力降可以是10psi或更低或者5psi或更低。
在其它方面，本发明提供了一种对一种膜组件进行化学清洁的手段。所述化学清洁可以定期发生，特别是在低使用期间过程中，或者当工艺条件显示膜结垢时，任选地使用一个定时器或控制器来进行或者辅助指示何时需要进行清洁或者来进行清洁步骤中的一些步骤或所有步骤。所述清洁***可以包括：化学溶液槽、在进料管线中的文丘里管进料器、导引进料水流过所述文丘里管和所述组件进料侧的阀、在渗透物侧的用来在清洁之后冲洗所述清洁溶液的阀、以及任选地包括的控制器或定时器。或者，所述清洁***可以包括一个化学品槽，安装它是为了使清洁化学品借助重力流过所述组件的进料侧，任选地沿着与正常流动相反的方向。让所述化学品与污垢反应一段时间，然后将其从所述组件或***冲洗出来，或者，可以让所述化学品在所述***中静置，直到所述***因为水的需求而被启动时为止。可以频繁地提供化学清洁，例如在每天一次到每月一次之间，以便长期地(例如一年或更长时间)保持所述膜的渗透性接近它们的最大渗透性例如它们的最大渗透性的25％以内。或者，在设计成具有低结垢速率或者设计成耐受较大的膜渗透性变化或者两种设计都有的***和方法中，可以不太频繁地提供化学清洁，例如每年不超过一次或两次。
在其它方面，本发明提供了一种生产一种内部分级的螺旋缠绕式组件的手段。一种方法涉及以一定的型式在所述组件间隔物上安装由硅、热熔体或任何其它热塑性材料制成的堰，所述型式能够产生内部各级，在片之间***所述间隔物，然后卷起所述组件。或者，可以将所述堰安装在所述膜表面上，采用一种合适的材料，并且在所述堰之间提供所述间隔材料。再者，可以制作装有堰的常规间隔物。再者，可将所述堰制成热塑性材料的带状物，在组装过程中要将所述带状物置于一个间隔物的两侧。
在其它方面，本发明涉及一种可以用于如下用途的***：通过使用一种合适的膜材料，除去水中天然存在的病原体、颗粒物质或有机物质，既软化又脱盐，或者只软化或脱盐。可以使用如前文所述的方法、组件或***。可以选择一种化学清洁溶液来溶解可能由于脱盐而沉积在膜上的杂质。
在另一方面，改变膜过滤器上游的进料水的溶解氧含量或氧还原电位以增强过滤性。在另一方面，单一的螺旋缠绕式组件具有多个膜材料片而且至少一片具有不同于另一片的膜材料或化学组成。在另一方面，间歇地操作一个过滤***从而在渗透期之间为所述膜提供休止期。本发明的其它方面可以由权利要求书所描述。
一个示范性的小规模水软化和过滤***有利地采用如前文所述的发明的各个方面中的一个或多个方面。所述组件是由一种可商购的螺旋缠绕式纳米过滤组件制成的，所述可商购的螺旋缠绕式纳米过滤组件能被轻易而廉价地改变而提供通过所述进料侧间隔物的多个通道。所述间隔物产生湍流，它有助于保持低的污垢率，尽管进料侧速度低。低的进料速度与多通道进料流动组合在一起，使高的单程回收率(single pass recovery)成为可能，无需提高压力降超过对廉价组件的限度。所述多通道还使利用标准组件结构实现70％或更高回收率成为可能，尽管现有的RO和NF膜的渗透性低(例如，对于Filmtec NF-270而言低于0.3gfd/psi)。标准8040组件(8″直径，40″长)中的现有NF或RO硬度抑制膜材料在没有分级的单通道中至少0.05英尺/秒的出口速度下不能实现70％回收率，因为需要大约0.6gfd/psi的渗透性。该单通道、高回收率操作也为无需再循环设备但有合理的浓缩物排放速度的简化***创造了条件。污垢率足够低，以致于简化的化学清洁方法和装置就足够了。即使在单个家庭的层次上，也可以使所述的完整***在使用成本和操作复杂性方面是适合的。同样的这些优点也可用于其它的或改进的***，例如，为了从进料水除去各种杂质而设计的小规模超滤或反渗透***。在一个超滤***中，膜渗透性可能足以根据本专利中所述的***或方法操作没有内部分级的标准40″螺旋缠绕式组件。
                       附图简述
下文将参照如下附图描述一项或多项发明的示范性实施方案。
图1是一个***的示意图。
图2是另一个***的示意图。
图3是一个内部分级的组件的截面的照片。
图4是另一个组件的进料侧间隔物的绘图。
图5是实验数据图。
            一个或多个示范性实施方案的详细说明
***
图1表示一个用于对水进行软化、脱盐或过滤的反应器。可以将水1(例如来自市政水源、井或表面水源或者来自现有进料槽2)通过筒式过滤器3过滤，然后进料到泵4的进料侧。如果所述进料水含有氯或硫化氢气体，可以使用活性炭过滤器代替筒式过滤器。所述泵将水的压力提高50至200psi，例如提高大约100psi，并且将其引入一个内部分级的纳米过滤或反渗透组件6。所述组件6可以是一种如下文进一步描述的组件，而且在进料侧含有低至3个、高至9个级或通道。多于9个级是可能的，但是，这样可能会需要减少膜片数量和增加膜片的宽度，目的是为实际的级设计和结构提供足够的宽度，这样就可能妨碍对标准组件的简单改变。在一个超滤***中，一个具有足够的渗透性(例如大约0.6gfd/psi或更高)的组件6可能适用于没有内部分级的如本专利中所述的***。例如，CelguardWQ123704组件在30-100psi的TMP下具有0.59至0.82gfd/psi的渗透性而且具有5kDalton截止值(rejection)。尽管这样的组件不是硬度抑制性的，但是它提供严密的超滤并且除去例如天然有机物。
在所述组件6中，将清洁的渗透物与所述浓缩物分离，而且清洁的渗透物通过单程阀8和手动阀9流到一个空气加压的隔膜槽10，清洁的渗透物在适合于通过手动阀11提供给用户12的压力下贮存在所述隔膜槽10中。所述浓缩物通过可变截面孔板流量控制器13、电磁阀14和手动阀15排放到排出口。可变截面孔板流量控制器7和13被设定为提供所需的净化水回收率为进料水的50-95％，优选在进料水的70-95％或80-90％的范围内。控制器7使回收率能保持在接近恒定但是也增加渗透物侧的压头损失，而且可以省略，特别是对于小***或家用***。
当所述隔膜槽10内的压力达到一个预定最大值时，压力开关16关闭泵4并且关闭电磁阀14以停止渗透物生产工艺循环。尽管不是必不可少的，在一些情况下可能有利的是，使用一个延迟开关(图1中未显示)将阀14的关闭延迟5-10秒以便从所述膜冲洗出所述浓缩物。相反，当隔膜槽10压力降低到一个预定值以下时，压力开关16通过开启泵4和阀14而开始所述工艺循环。压力上限和下限的数值取决于管线12的供给需求，但对家庭而言可以在30至60psi的范围内。或者，泵4和阀14可以根据水位或压力传感器检测到的收集槽或隔膜槽中的水位而开启和关闭。
在一个预定时刻，或者如果高/低压力指示器27指示出高压力，控制器17就启动一个清洁循环。这样，以规则的时间间隔或者当所述进料压力(它与膜渗透性的损失有关)超过一个预定值时实行清洁。将电磁阀5关闭并且将阀19开启以使水能通过常开的手动阀18、电磁阀19、文丘里进料器20和单程阀21和常开的手动阀22流到组件6。手动阀18和22可以用来断开化学品槽23，例如用来清洁或再注满该化学品槽23。同时，让电磁阀14开启着而使浓缩物通道中的流体能被所述化学品溶液置换。同样，电磁阀25是开着的以便排出清洁循环期间形成的任何渗透物。借助文丘里进料器20中产生的压力降将槽23中所含的化学品通过单程阀24吸入水流。继续这一操作达一段预定的时间以用化学品溶液填充所述组件6的进料侧，但是所述预定时间不能长得通过浓缩物或渗透物排出管线浪费大量化学品溶液。在预定的进料时间后，控制器17关闭阀19、阀14和阀25以中断清洁溶液进料。任选地，也可以将阀5开启。清洁溶液过程中的水进料可以理想地在水供给1压力下以减少通过组件6和阀25的渗透。或者，对于所述管线压力低于40psi的情况，可以使用泵4对水加压通过文丘里进料器而提供将所述化学品溶液引入所述水流所需的压力降。
化学品进料时间取决于所用的组件6的类型、化学品溶液的流量和***的结构，并且计算如下：
化学品进料时间(分钟)＝***从文丘里进料器20到孔板阀12的滞
                      留体积(加仑)除以水流量(加仑/分
                      钟)
在所述预定化学品进料时间之后，如果阀5不是已经开启的，控制器17可以打开阀5。或者，如果在所述***中有任何泄漏，就可以在泵4没有在操作中的任何时候关闭阀5以防止从槽10的倒流。阀14、19和25保持关闭，同时使所述清洁化学品能保留组件6中，直到槽10中的压力降低到所述预定值以下以开始所述渗透循环为止，这导致返回到渗透而且化学品溶液从浓缩物通道中冲洗出来。或者，所述保留时间可以延长仅仅超过化学品进料时间的一段预定时间，该预定时间可以在从30分钟到5小时的范围变化，例如1-2小时。在这种情况下，将控制器17编程，目的是通过如下方式在所述预定时刻启动一个冲洗循环：在将所述***返回到随时可以用于渗透的状态之前将阀5、阀25(以使可能已经渗透的清洁化学品能够冲洗出来)和阀14开启一段时间。冲洗组件6的渗透物侧所需的时间取决于组件6的滞留体积和渗透速率。所述组件的进料侧同样被冲洗到排出口。
如果压力超过一个预定限度，压力开关27就关闭泵4以保护***和组件6以防过压。同样，如果隔膜槽10中的压力超过其设计限度或用户12的压力限度，泄压阀28就将该隔膜槽10减压。
手动阀26为整个***提供一个旁路以保证***故障的情况下对用户12的水供给。
参照图2，显示了第二个过滤、软化或脱盐***，因其简单性而特别适合于家用。功能与图1中功能相似的项目被给予相同的编号。图2的***具有由可变截面孔板流量控制器13控制的回收率，所述控制器13将所述浓缩物流量保持几乎恒定。然而，该***设计基于恒定的进料压力，根据所述槽10内的压力变化，所述进料压力在6个月或更长的期间内提供一个通常恒定的平均跨膜压力(trans-membrane，pressure TMP)。通过保持一个恒定的浓缩物流量并且让通量随着膜结垢而降低，所述***的回收率也将随时间而降低并且随着时间而降低进料侧污垢的浓度。这种操作方式只需要可变截面孔板13来控制正常的操作。
在预定的时刻，或者在这些时刻之间，如果通量、回收率或泵压力变成不能接受的，用户可以实施一种手动清洁操作。在该程序中，将一种清洁化学品，例如柠檬酸或MC-1(一种由ZenonEnvironmental Inc.生产的增强型柠檬酸膜清洁剂)，晶体加到化学品槽23中。所述化学品槽23位于浓缩物管线的正上方、正处于用于浓缩物流量控制的可变截面孔板13的下游。一旦晶体已经溶解，就让所得溶液借助重力流入组件6的浓缩物出口并且以与正常操作相反的方向通过组件6的进料/浓缩物侧。所述清洁化学品继续通过到达组件6的进料入口，于是充填组件6的进料/浓缩物侧。这是通过开启两个手动阀39和40实现的。让所述溶液浸泡选定的一段时间，例如1小时以上。然后，通过恢复正常操作但是任选地在前几分钟通过开启手动阀25而渗透到排放口，将清洁化学品从所述组件中洗掉。可以在渗透物侧提供电导监测器41以监测膜的完整性。
组件设计
所述膜组件6可以是一种螺旋缠绕式的组件，该组件具有一个缠绕在一个或多个用膜材料制成的矩形片或外膜中的中央心轴。所述心轴和片被装在一个壳体中。所述片的内部含有一种间隔材料并且与通往心轴内部的孔相连通。于是，应用于片的壳侧的进料部分地流过膜材料，通过所述间隔材料移动到心轴的内部并且通过心轴到达渗透物出口。所述进料通过一个在壳体的一侧的进料入口进入所述组件，流过在片之间的第二个间隔材料并且通过一个在壳体的另一侧的浓缩物出口流出。
可以对组件6从前文所述进行改装以产生一种内部分级的组件。特别是如图3中所示，可以给一个进料侧间隔物30、例如一种网比如VEXAR，设置堰32以形成一条在膜区域入口36至膜区域出口38之间的往复地穿过所述间隔物30的流路34。在将所述各片缠绕在所述心轴上之前将把间隔物30置于每一片的一个表面上，于是将被夹在相邻片之间。这样，随着所述进料沿着流路34通过间隔物30，所述进料将往复地穿过所述各片的膜材料。
可以对所述间隔物30进行改型以在流路34中提供2至9个、典型的是3至7个级或通道。尽管可以使用其它设置，但是发明人优选所述级或通道与所述心轴平行。发明人进一步优选第一级(与所述膜区域入口36相邻的那级)距离所述心轴最远。于是，在图3的实施方案中，级5将***在各片之间以靠着所述心轴的长度设置。于是，进料和浓缩物两者通常从所述片的远边流到心轴，形成在片和以相同方向取向的浓缩物通道内的压力梯度。这有助于提供一个更加均匀的通过所述各级的TMP和更加均一的渗透速度。从间隔物30的远边到所述心轴的流动还导致所述心轴附近更低的进料侧压力，在这里，堰32只是靠着所述心轴而不能被完全地密封。
逐级的宽度可以朝着膜区域出口38的方向减小。这为朝向膜区域出口38的通常恒定的或提高的进料侧速度创造了条件，它对于帮助抵消进料的增加的结垢可能性来说是有用的，因为朝着膜区域出口方向进料被浓缩。在图3的实例中，膜区域出口38的宽度和截面积为膜区域入口36的15％。图4中所示的另一个实施方案旨在改装一个具有NF-270膜的Filmtec 8040组件。在该实施方案中，在各级之内以及在逐级之间，流路34的宽度和截面积都减小，以致于整个组件6中的进料侧速度是更加恒定的或者是更加恒定地增加的。同样，膜区域出口38的宽度和截面积为膜区域入口36的大约12％。在该组件中，在85％的设计回收率和2.8L/min的浓缩物流量下，进料侧速度通常沿着进料通路34增加，尽管可能有个别的级，例如级1，这样的级中进料速度沿着进料通路34降低。特别是，穿过膜区域出口38的浓缩物出口速度(0.22ft/s)比第一级中的平均速度(0.17ft/s)高大约29％。
为了制备带有堰32的间隔物30，可以采用如下程序：
1.将多块塑料板切成稍大于所述间隔物30的尺寸，并且将一块板放在一个硬平面上。
2.用一只记号笔在所述塑料板上画出所述堰或挡板32的轮廓。
3.将重叠的多张蜡纸放在所述塑料板上以覆盖所述区域。
4.把一个间隔物30放置在所述蜡纸上并且在边缘处用护条固定以保持平坦并且防止它在涂硅酮的过程中移动。
5.用一个装有硅酮密封剂(即General Electric SiliconeII)的筒式填缝枪，小心地沿着标记线涂以密封剂珠。
6.将重叠的多张蜡纸放在所述间隔物30和密封剂上。
7.将第二块塑料板放在所述蜡纸上并且紧紧地挤压以将所述硅酮珠压扁进入所述间隔物30。
8.在蜡纸附着的情况下，将间隔物30移动到固化区。
9.根据所需要的间隔物30的数量重复步骤3至8。
10.在使用之前让硅酮密封剂固化至少48小时。
也可以使用替代方法。例如，可以使用其它密封剂材料，一种热塑性材料或树脂在所述间隔物或者所述膜板上构造堰32。可以将由硅酮或固态塑料制成的堰32固定到所述片上，然后切割间隔材料30以在所述堰32的范围内。再举一例，可以将固态的、优选是弹性的或高弹性的条带粘到一个间隔物30的两侧。当把组件6卷起来时，所述条带挤压入所述间隔物30中而形成堰32。或者可以将堰32作为适合该用途的间隔物掺入间隔物挤出用模。
一个典型的组件6可以具有2个或2个以上的片。尽管所述片通常都是同样的膜材料或化学组成的，但组件6也可以用不同化学组成的片制备。例如，一个组件可以用3片Filmtec NF-90和3片Filmtec NF-270制备。所述NF-90片具有大约99％硬度抑制率而NF-270片具有大约50-70％硬度抑制率。然而，NF-270片提供更大的通量，而其它片提供更大的抑制率。通过混合这些材料或其它材料，就可以制备出一种通量和抑制率特性介于使用的两种或两种以上片材料的特性之间的组件，而无需开发一种新材料。在上述实例中，可以在通量大于NF-90组件的通量的情况下，获得高于70％的硬度抑制率。此外，可以添加一片或多片专用材料，例如Filmtec XLE(例如，它对砷的抑制程度比NF-90或NF-270大)，以提供选定材料的某种抑制率，无需具有完全用所述专用材料制备的组件6的特性。
工艺步骤和参数
图1和2中所示***可以用作例如家用入口纳米过滤***，具有除去至少30％、例如50至80％、或者更多的硬度的能力，同时消除了所有病原体。与进料相比，渗透物还可以具有较低浓度的总固体物、钙、镁、钠、重金属和碱度。下文的描述提供了有关该用途的这类***的进一步的操作细节，但是也可以适用于相同或者相似***(例如一个脱盐***)的其它用途。
在渗透过程中，对于一个纳米过滤***而言TMP可以在100至110psi的范围内。在渗透物储存在家用典型值30至60psi下的压力槽中的情况下，总进料压力可以是130至200psi。选择通过进料侧的速度以及级数以使通过组件6的进料/浓缩物侧的压力降不超过组件6的设计极限。例如，在使用可商购的纳米过滤组件的情况下，如前文所述进行改造后，通常为15psi的最大进料侧压力降仍然是适用的。10psi或更低或者5psi或更低的压力降是优选的。然而，对于反渗透***而言，上述压力中的一个或多个很可能更高。例如，在具有RO组件的图1和2所述的***中，进料压力可达400psi。相反地，用于超滤***的一些压力可能低于用于纳米过滤的一些压力。
通过组件6的进料/浓缩物侧的速度可以在0.05至0.4英尺/秒的范围内。所述间隔物30提供湍动并且允许在这些速度下操作，没有因为碳酸钙垢和其它杂质的沉积而导致的过度结垢，也无需外部的(相对于所述组件6而言)湍动发生设备。在低于0.05英尺/秒的速度下，没有足够的流动或湍动来防止在70％或更高的所需单程回收率下过度的结垢。虽然通常更需要更高的速度，但是更高的速度也要求更多的级来满足其它的***要求。例如，进料/浓缩物速度通常在0.15至0.25英尺/秒之间的组件6需要5级。将进料/浓缩物速度提高到0.4英尺/秒需要7或9级。这大概是在不超过一个典型纳米过滤组件6的最大进料/浓缩物侧压力损失的条件下可能实现70％或更高的单程回收率的最高级数。
通量、结垢率和抑制率是相互关联的参数。进料侧速度，特别是膜区域出口38(此处浓缩水平最高)处进料/浓缩物的出口速度，也与结垢有关，并且既受***操作的控制又受所述堰32的构型的控制。图2所示的***旨在低使用率的用途，例如家用，在这种情况下简单性和成本是关键因素。手工清洁操作旨在仅被偶尔使用，例如每年一次或两次，或更少使用。图1的***打算用在要求更高的用途中，在这样的用途中，更为复杂的***是合理的。更为频繁地进行小规模的清洁活动，例如从每天一次到每月一次。
例如，如图1***中那样，在三个操作条件下(都采用0.12ft/s的出口速度)运行Filmtec NF-270膜材料的一个3级组件。第一个条件是30L/m2/h的通量和72％的回收率，这导致55％的电导率抑制率(它低于硬度抑制率)。第二个条件是45L/m2/h的通量和80％的回收率，这导致65％的平均电导率抑制率。第三个条件是60L/m2/h的通量和84％的回收率，这导致61％的平均电导率抑制率。在所有这三种情况中，在每连续操作24小时后(对于一个典型的家庭，这已经提供了足以操作1至2周的水)，提供采用MC-1的清洁。在每个条件下，历经10天以上的连续操作都没有检测到显著的渗透性降低，这表明，在清洁活动之间的通量损失实质上是可恢复的，而且表明，可以实现在基本上完全的膜渗透性下的连续操作。
在另一个实例中，运行NF-270膜的另一个组件，不进行化学清洁，并且采用井水进料，目的是确定这样一个出口速度，在该速度下结垢速率将是足够低的，以致于在典型北美家庭的入口处操作一年多也不需要化学清洁。在80％的回收率下，需要0.05英尺/秒的出口速度。在85％的回收率下，需要0.11英尺/秒的出口速度。在90％的回收率下，需要0.26英尺/秒的出口速度。
作为一个实例设计，可以使用图2的***，带有一个如关于图4所讨论的组件。进料压力可以是130至160psi，以得到大约100psi的TMP。根据温度，设计渗透性可以在从7.5到3L/m2/h/bar的范围内。设计通量可以在从52到21L/m2/h或者从32到13L/min的范围内。回收率可以从92％到70％变化。出口速度可以在从大约0.23到0.17ft/s的范围内。预期的进料温度范围是10-25℃。尽管进料温度对渗透性有巨大影响，碳酸钙在较低温度下更易溶。这使在接近上面给出的范围的下限的速度下操作成为可能，同时在较低温度下操作时给出可接受的回收率。采用该***和方法，在需要清洁之前操作可以继续6至12个月或更长时间。
在使用井水进料的过程中，本发明人进一步注意到，新鲜的井水一般具有非常低的溶解氧浓度或氧还原电位(ORP)，但是在较高的ORPs下结垢速率降低。因此，通过在过滤之前将井水暴露于空气例如达1至24小时，任选在搅拌下或将空气鼓泡通过井水以缩短所需接触时间、增加其ORP，井水的过滤可得以改进。进一步观察到，与间歇操作相比，在连续操作下渗透性降低得更快。例如，渗透15分钟并且在渗透期之间提供45分钟就比连续操作显著降低了结垢速率。因此，理想的是，确定组件6和收集槽10的尺寸以在6小时或更短、优选3小时或更短的渗透时间内提供够1天使用的产品，以及以2分钟到30分钟之间的期间(由1小时到12小时的休止时间间隔开)出现那样的渗透时间。
对于清洁来说，可以使用MC-1或其它化学品作为清洁化学品。包括柠檬酸在内的一些化学品通过典型的膜扩散，于是，在返回渗透操作之前需要清洗所述***的渗透侧的任何残留化学品。在一个体积为5L的实例***中，30L的渗透物流量足以从渗透物侧基本上消除所述清洁化学品。在其它***中，可能需要其它的渗透物流量。
进一步的实例
实施例#1：-带有每日清洁的长期操作
实验条件：
进料来源：        未经净化的ZENON井水
总硬度(进料)      ＝400mg/L(作为CaCO3)
渗透速率          ＝9-12L/min
通量              ＝20-28Lmh
回收率               ＝80-90％
出口速度             ＝0.0381-0.0606m/s
温度                 ＝20-26℃
清洁频率             ＝2.7hrs(相当于家用一天)
初始渗透性           ＝8.2Lmh/bar
最终渗透率           ＝7.0Lmh/bar
进料/浓缩物速度      ＝0.125-0.19ft/s
串连设置这些组件A、B、C，其中A在B的上游，B在C的上游。这些组件总计具有8级。
膜的规格：
  组件   原生产商   化学组成   改装成具有内部级的#   表面积(m2)
  部件A   Dow-FilmTech   NF-270/4040   1   7.618
  部件B   Dow-FilmTech   NF-270/4040   3   7.455
  部件C   Dow-FilmTech   NF-270/4040   5   7.037
这表明，经过在80-90％的回收率下2个月零9天的操作(相当于一个家庭全年的供水量)，渗透性只降低15％，证明了现场条件下的***性能。
实施例#2：-膜清洁循环
清洁循环包括3级操作：
1.灌注(4.5分钟)-借助一个喷射器(Mazzei InjectorCorp.Model #384)将清洁化学品投入进料物流。注入浓缩的MC-190g/L并将其稀释到使进料pH降低到2.8。
2.浸泡(60分钟)-使流动停止。将化学品保持在所述膜部件中达1小时。
3.清洗(5分钟)-重新引入进料(没有化学品注入)并且在整个清洗时间内将所有流出物送往排出口以从***除去MC-1。
在每个清洁循环后膜的渗透性提高，而在清洁循环之间随着膜结垢渗透性降低。采用2.7小时(相当于家用一天)、9小时、18小时和23小时(相当于家用8.5天)的清洁频率，其结果表明在每种情况下渗透性的完全恢复(见图3)。
实施例3：
在76Lmh的通量下运行一个被改装成具有3个内部级的FilmTech NF-270/4040组件以测试工艺条件对渗透物质量的影响。
实验条件：
进料来源：          未经净化的ZENON井水
总硬度(进料)        ＝400mg/L(作为CaCO3)
进料流量            ＝10.45L/min
渗透速率            ＝9.4L/min
通量                ＝76Lmh
回收率              ＝90％
跨膜压力            ＝890kPa
温度                ＝32℃
进料/浓缩物侧速度   ＝0.08-0.328ft/s
渗透物质量和抑制率如下：
渗透物总硬度：144mg/L(作为CaCO3)
总硬度抑制率：64.7％
这表明，所述***在优选的操作条件下实现了渗透物质量与进料相比实质性的改进。
上述实施方案只是示范性的。在由以下权利要求书限定的本专利所保护的本发明范围内还可以作出改进的或其它的装置和方法。

Claims (58)

1.一种方法，该方法包括如下步骤：
a)提供一个多级螺旋缠绕式硬度抑制膜组件，所述组件具有一个进料/浓缩物侧和一个渗透物侧；
b)使加压进料水以单程方式流过所述组件的进料/浓缩物侧，所述进料水在所述组件的进料/浓缩物侧上的膜的最后部分上的表面速度为0.05至0.4英尺/秒；和
c)从所述组件的渗透物侧收集至少70％的所述进料水作为渗透物。
2.权利要求1的方法，其中收集80％至95％的所述进料水作为渗透物。
3.权利要求1或2的方法，其中所述组件是一个渗透性低于大约0.6gfd/psi的40″长组件。
4.前述权利要求任一项的方法，其中所述渗透物的硬度比所述进料水的硬度至少低30％。
5.前述权利要求任一项的方法，其中最低进料侧表面速度在0.05ft/s至0.4ft/s的范围内。
6.前述权利要求任一项的方法，其中最低表面进料侧速度或者出口表面速度在0.12ft/s至0.3ft/s的范围内。
7.前述权利要求任一项的方法，其中从一口井取出所述进料水并且在使其流到所述组件之前将其与空气接触以增加其溶解氧含量。
8.前述权利要求任一项的方法，其中将所述渗透物收集在一个收集槽内，并且当所述收集槽内的渗透物的压力或水位达到一个选定限度时开始所述使加压进料水流动的步骤。
9.权利要求8的方法，其中当所述收集槽内的渗透物的水平或压力达到一个选定限度时停止所述使加压进料水流动的步骤。
10.前述权利要求任一项的方法，该方法进一步包括如下步骤：
a)使含有清洁化学品的水流到所述组件的进料/浓缩物侧；
b)使所述清洁化学品在进料/浓缩物侧组件中保持一段反应时间；
c)使所述清洁化学品从所述组件的进料/浓缩物侧和渗透物侧排出。
11.权利要求10的方法，其中当膜的渗透性达到一个选定限度时开始权利要求10的步骤或者以选定的时间间隔开始权利要求10的步骤。
12.权利要求10或11的方法，其中通过将清洁化学品混入正流入所述组件的进料水中提供所述清洁化学品。
13.权利要求10或11的方法，其中在进入所述组件的浓缩物出口的液流中提供所述清洁化学品。
14.权利要求10或11的方法，其中所述清洁化学品通过重力引起的流动流入所述组件的进料/浓缩物侧。
15.前述权利要求任一项的方法，其中所述组件的渗透物侧没有来自所述组件外部的入口。
16.权利要求8至15任一项的方法，其中所述收集槽的压力高于环境压力，适合于将渗透物提供给用户而无需进一步加压。
17.前述权利要求任一项的方法，其中所述膜材料排斥盐。
18.前述权利要求任一项的方法，其中所述组件在其进料侧具有多级。
19.前述权利要求任一项的方法，其中所述组件具有一个膜区域出口和一个第一级，而且在所述膜区域出口上进料或浓缩物的速度是所述第一级中进料或浓缩物的速度的1.2倍或更多倍。
20.前述权利要求任一项的方法，其中通过所述进料侧的压力降是10psi或更低。
21.前述权利要求任一项的方法，其中在所述膜组件的上游提高所述进料水的溶解氧含量。
22.前述权利要求任一项的方法，其中间歇地进行渗透。
23.一种螺旋缠绕式RO、NF或UF组件，该组件适用于液体过滤而且具有缠绕在一个心轴上并且装在一个壳体中的一片或多片膜材料，所述膜材料的壳侧作为进料侧，在进料侧在相邻的膜片之间或者在一个膜片的多个部分之间具有间隔材料，而且所述进料通路具有通过所述间隔材料且穿过所述组件的一个或多个膜片的外表面的多个通道。
24.权利要求23的组件，其中所述进料侧流路具有一个通往所述一个或多个膜片的外表面的入口和一个来自所述一个或多个膜片的外表面的出口，而且与所述入口的宽度或截面积相比，所述出口的宽度或截面积是20％或更小。
25.权利要求24的组件，其中与所述入口的宽度或截面积相比，所述出口的宽度或截面积是15％或更小。
26.权利要求23至25任一项的组件，其中所述通道通常与所述心轴平行。
27.权利要求26的组件，其中第一个通道比最后一个通道距离心轴更远。
28.权利要求23至27任一项的组件，它具有多个膜片，至少一个膜片具有不同于另一个膜片的膜材料或化学组成。
29.权利要求23至28任一项的组件，其中所述膜具有50％或更高的硬度抑制率。
30.权利要求23至29任一项的组件，它在进料/浓缩物侧中具有3至9级。
31.权利要求23至30任一项的组件，其中沿着一条流路每一级的宽度或截面积减小。
32.权利要求23至31任一项的组件，其中与前一级相比，邻接的每一级的截面积或宽度减小。
33.权利要求23至32任一项的组件，其中所述组件具有标准的40″长度。
34.一种装置，它包含：
a)一个装在一个壳体内的膜组件，该膜组件具有一个进料/浓缩物侧和一个渗透物侧，进料水进入所述进料/浓缩物侧而浓缩物从所述进料/浓缩物侧排出，而且处理过的水从所述渗透物侧排出，其中使所述进料/浓缩物侧成形以提供多个流路；
b)一个与所述组件的进料/浓缩物侧相连的进料泵；
c)一条用于使浓缩物从所述组件流到排出口或另一个装置的导管或通道；
d)一个用于使进料进入所述进料泵的入口；和
e)一个用于使渗透物从所述组件排出的出口。
35.权利要求34的装置，它进一步包含：
a)一个用于贮存一种清洁化学品的槽；
b)便于使所述清洁化学品不时地进料到所述组件的导管和阀；和
c)便于使化学污染的渗透物从所述组件排出的导管和阀。
36.权利要求35的装置，它进一步包含一条在一个通往所述组件的进料管线中的文丘里管，该文丘里管适合将清洁化学品从所述槽引入正在流向所述组件的进料中。
37.权利要求35的装置，其中所述槽位于所述组件的上方，并且所述导管和阀适合于便于清洁化学品通过重力流动从所述槽流过所述组件。
38.一种方法，该方法包括如下步骤：
a)提供一个具有一个进料/浓缩物侧和一个渗透物侧的螺旋缠绕式UF组件；
b)使加压进料水以单程方式流过所述组件的进料/浓缩物侧，所述进料水在所述组件的进料/浓缩物侧上的膜的最后部分上的表面速度为0.05至0.4英尺/秒；和
c)从所述组件的渗透物侧收集至少70％的所述进料水作为渗透物。
39.权利要求38的方法，其中收集80％至95％的所述进料水作为渗透物。
40.权利要求38的方法，其中所述组件的渗透性大约为0.6gfd/psi或更高。
41.权利要求39的方法，其中所述组件的渗透性大约为0.6gfd/psi或更高。
42.权利要求38至41任一项的方法，其中最低进料侧表面速度在0.05ft/s至0.4ft/s的范围内。
43.权利要求38至42任一项的方法，其中最低表面进料侧速度或者出口表面速度在0.12ft/s至0.3ft/s的范围内。
44.权利要求38至43任一项的方法，其中从一口井取出所述进料水并且在使其流到所述组件之前将其与空气接触以增加其溶解氧含量。
45.权利要求38至44任一项的方法，其中将所述渗透物收集在一个收集槽内，并且当所述收集槽内的渗透物的压力或水位达到一个选定限度时开始所述使加压进料水流动的步骤。
46.权利要求45的方法，其中当所述收集槽内的渗透物的水平或压力达到一个选定限度时停止所述使加压进料水流动的步骤。
47.权利要求38的方法，该方法进一步包括如下步骤：
a)使含有清洁化学品的水流到所述组件的进料/浓缩物侧；
b)使所述清洁化学品在进料/浓缩物侧组件中保持一段反应时间；
c)使所述清洁化学品从所述组件的进料/浓缩物侧和渗透物侧排出。
48.权利要求47的方法，其中当膜的渗透性达到一个选定限度时开始权利要求47的步骤或者以选定的时间间隔开始权利要求47的步骤。
49.权利要求47或48的方法，其中通过将清洁化学品混入正流入所述组件的进料水中提供所述清洁化学品。
50.权利要求47至49任一项的方法，其中在进入所述组件的浓缩物出口的液流中提供所述清洁化学品。
51.权利要求47至50任一项的方法，其中所述清洁化学品通过重力引起的流动流入所述组件的进料/浓缩物侧。
52.权利要求38至51任一项的方法，其中所述组件的渗透物侧没有来自所述组件外部的入口。
53.权利要求45至52任一项的方法，其中所述收集槽的压力高于环境压力，适合于将渗透物提供给用户而无需进一步加压。
54.权利要求38至53任一项的方法，其中所述组件在其进料侧具有多级。
55.权利要求54的方法，其中所述组件具有一个膜区域出口和一个第一级，而且在所述膜区域出口上进料或浓缩物的速度是所述第一级中进料或浓缩物的速度的1.2倍或更多倍。
56.权利要求38至55任一项的方法，其中通过所述进料侧的压力降是10psi或更低。
57.权利要求38至56任一项的方法，其中在所述膜组件的上游提高所述进料水的溶解氧含量。
58.权利要求38至57任一项的方法，其中间歇地进行渗透。
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