CN1787872A - 过滤组件 - Google Patents
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Abstract
提供了一种过滤组件，其具有在每立方米的过滤装置外部体积中含有至少300平方米的活性膜面积的组装密度，所述过滤组件由每平方米的提取湿物质中的提取污染物少于250mg的材料制成。该过滤组件包括膜复合层(40)，其中膜复合层(40)包括利用位于滤液网筛的周边附近的热塑性聚合物组分(18)密封到膜层(26)的每个表面上的滤液网筛(15)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于实现液相组分的过滤的膜过滤装置，其中料液被引入该装置而滤液流和可选的滞留物流从装置中除去。特别地，本发明涉及一种切向流膜过滤装置或闭端膜过滤装置，所述装置通过利用滤液隔离层中的热塑性聚合物组分将膜层热密封到滤液隔离层上而形成和可选地密封。
背景技术
在本发明之前，液体在堆叠在歧管之间或分别密封在歧管板上的多个过滤组件内进行过滤。每个组件包括一个或多个被适当数量的隔离层、例如网筛分开的过滤层，以使液体进料流入该装置以及滤液流从该装置中流出。组件内的过滤可以以切向流过滤(TFF)过程进行，其中进料液在膜表面上切向流动，以形成滞留物和滤液。或者，过滤也可以闭端模式、又称法向流过滤(NFF)过程进行，其中所有进料液均穿过膜过滤器，固体及其他碎屑被滞留在膜式过滤器上。在后一种模式中，仅仅回收一滤液。
目前，通过利用粘合剂如环氧树脂、聚氨酯或硅树脂并采用密封技术将一个滤液隔离层密封在两个多孔膜层上使得在膜过滤装置内将原料流与滤液流密封隔离。在切向流过滤装置的情况下，滤液流与原料流和滞留物流密封隔离。粘合剂是不期望的，因为它们的化学相容性有限，且是相当多可提取物的来源，由于粘合剂占据装置内的一定体积或面积，因此它限制了利用过滤单元内的所有体积的能力，并引入了过程控制难度，带来了连接强度限制和使用温度限制，还延长了处理周期。溶剂粘合是不期望的，因为溶剂带来了环境问题和制造过程的不确定性，同时潜在有用的聚合物也受到它们的溶解特性的限制。此外，有人提出通过向膜层表面加入一种聚合物热塑性密封组分来改变膜层的周边。然后，聚合物热塑性密封组分被用于将膜密封到相邻的隔离层上。由于聚合物热塑性密封组分向膜层中的侵入受到膜的小孔的限制，密封组分与膜之间的密封强度相对较低。此外，密封组分的有限侵入导致了膜层的不期望的增长，它增大了相邻位置的隔离层的厚度，从而导致了最终过滤组件的每单位体积的膜过滤表面积的不期望的降低和最终过滤组件的过滤容量的降低。
此外，例如有机硅聚合物或聚氨酯基材料等吸收和/或吸附一部分被过滤的进料流体的材料的使用也是不期望的，因为被吸附的材料会脱附进入随后过滤的物质并污染它们。
美国专利US 5,429,742公开了一种滤芯，其包括一个其中模制了多个过滤膜的热塑性框架。热塑性框架被模塑，以提供可保证将被过滤的流入流体在滤液从滤芯中被移除之前穿过一层膜的流体通道。框架足够厚，以致于可以形成进出膜的流体通道。由于相邻膜被相对较厚的间隔件隔开，每单位体积滤芯的膜面积很低。
因此，希望提供一种采用多个过滤元件的多层过滤装置，其中所述层不使用粘结剂或溶剂粘合地适当密封。此外，希望提供一种每单位体积的过滤装置内含有大量过滤层的切向流或闭端过滤装置，它可以形成一叠层并具有至少300m2/m3的活性膜对外部过滤体积的组装密度。此外，希望提供一种每单位体积的过滤装置内含有大量过滤层的切向流或闭端过滤装置，它可以形成一叠层并可以适当地密封，以在叠层内限定液体流通路。而且，希望提供一种由可最小化或消除被过滤物质的吸收(以及吸附)和随后的脱附的材料制成的过滤装置。这种过滤装置可提供很高的过滤能力并容许在减少或消除过滤污染问题的同时进行多次使用。
发明内容
本发明提供一种热塑性材料过滤装置，其具有在每立方米(m3)的过滤装置外部体积中含有至少300平方米(m2)的活性膜面积的组装密度。另外，本发明的装置由在过滤前后均基本上无可提取(萃取)物质的组分形成。在本文中，短语“基本上无可提取物质”指当使用含有一种或多种酸的测试溶液浸泡然后放入去离子水中并将其浸透以使所有吸附或吸收的酸浸出时，每平方米材料中具有少于250mg的提取污染物或杂质。
过滤装置由一叠贯穿过滤装置的垂直高度交替布置并以下面所详细描述的方式密封的膜和隔离件形成。
此外，本发明提供一种过滤装置，它由利用热塑性聚合物组分以促进隔离层向聚合物多孔膜的密封并同时避免膜的热或机械降解的方式密封的过滤元件形成。多孔聚合物膜的选择密封以两步过程实现，其中至少一个滤液隔离件和可选的一个进料隔离件的周边被密封。在第一步中，热塑性聚合物组分可以任何方式、例如粘合、侵入、挤出或夹物模塑固定到隔离层上，以将热塑性聚合物组分固定在膜上。热塑性组分的形状以如下所述方式控制隔离件内部的流体流动。在第二步中，滤液隔离件周围的热塑性聚合物组分在每个相对表面上被支承或未支承膜密封，以形成两个膜层和一个滤液网筛层的夹层。可选地，只有一个滤液隔离件的表面用膜密封，其中所述密封由例如可压缩弹性聚合物提供，以防止滤液与进料或滞留物的混合。在进料网筛和滤液网筛(隔离层)内部限定的液体流通道确保将被过滤的流体形成滤液流并在从过滤装置中除去之前穿过一个膜。密封由单个膜和隔离层组顺序实施，直到在期望的结构中密封了所需叠层的交替布置的膜和隔离层。
根据本发明，提供一种闭端(NFF)或切向流过滤(TFF)装置，其包括多个相间的膜和多个具有促进液体在其中流过的通道或开口的隔离层。所述NFF过滤装置具有至少一个进料口和至少一个滤液口。所述切向流过滤装置具有至少一个进料口、至少一个滤液口和至少一个滞留物口。膜层和隔离层以选定的图案在过滤装置的垂直高度上交替布置。
膜层和隔离层的选择密封以两步过程实现。在第一步中，一个热塑性聚合物组分的薄层被模塑到滤液隔离层的每个表面上的每个滤液隔离层的周边处以及可选的每个进料隔离层的周边处。热塑性聚合物组分随后通过暴露于能量如热或超声波而发生流动，从而被粘合在膜层上。当进料隔离层未用热塑性聚合物组分模塑时，其用一种在本发明的装置被使用时可被压缩形成流体密封的可压缩聚合物组分模塑。热塑性聚合物组分模塑成一种可实现期望的穿过组件的流体流的图案。如此处理过的隔离层和膜随后以一定的方式堆叠，以初步形成进料口、滤液口和在切向流组件的情形下形成滞留物口。
然后，有选择地实施密封热塑性聚合物组分以形成组件的最后步骤，以在组件内部形成将进料和滞留物与滤液分离的流体流动通道。对于切向流过滤装置的情形，叠层内部的液体流通过将进料口和滞留物出口与滤液出口分离来保证。
然后通过用热塑性或热固性聚合物组分进行夹物模塑或灌注来形成过滤装置的外部部分。夹物模塑通过将叠层放置在注塑模具之内并向模具中注入熔融的聚合物组分以保证在使用中最终膜过滤装置内部的期望液体流动的方式实施密封而完成。叠层包括与复合层相互交替的进料隔离层，该复合层包括粘合在两个膜层上的滤液隔离层。交替的进料隔离层和复合层的数目可以选择。与用于接受进料的进料口相邻的进料隔离层与进料通道保持流体连通。接受滞留物或滤液的通道也延伸入叠层中。接受滞留物的通道与滤液隔离层密封并与同时还与进料口流体连通的隔离层流体连通。通道可以贯穿膜。接受滤液的口或多个口与接受进料或滞留物的隔离层密封并与接受滤液流的隔离层流体连通。叠层还以一种能使进入进料隔离层的液体进料在进入滤液隔离层之前必须穿过一个膜的方式密封。
附图说明
图1是本发明的进料隔离层的俯视图。
图2是图1的隔离层沿2-2线的剖视图。
图3是本发明的滤液隔离层的俯视图。
图4是图3的隔离层沿4-4线的剖视图。
图5是本发明的包括两个膜层和一个滤液隔离层的复合层的剖视图。
图6是图5的复合层和本发明的两个进料隔离层的剖视图。
图7显示了穿过本发明的切向流过滤组件的流体流动。
图8显示了穿过本发明的切向流装置的流体流动。
图9是本发明的过滤装置的部分截面的透视图。
图10是一个显示不同聚合物组分的相对可提取水平的图表。
具体实施方式
本发明利用了可以被有选择地密封在叠层结构中的过滤膜元件来实现滤液与进料或进料与滞留物的分离。所述过滤膜元件包括一个其周边粘合在热塑性聚合物组分上的隔离层。当暴露于包括热能如熔融、振动或辐射热或者被热塑性聚合物组分吸收并转化成热能的非热能如超声波能在内的能量时，热塑性聚合物组分优选地在隔离层的主体之前熔化。此特征使得可以控制过滤装置上将被密封的选择区域。
过滤膜和隔离层元件可以一个接一个地彼此密封，也可以在一个单步骤过程中以期望的结构彼此密封，同时布置在本发明的过滤膜元件和隔离层叠层内。
可用于形成本发明的过滤组件的过滤膜元件通过改变隔离层的一端形成，其中所述改变通过将热塑性聚合物组分(TPC)密封到隔离层的边缘或周边上来实现。(TPC)表面可以密封到相邻的(TPC)表面上，以通过可以实现在膜与隔离层的叠层中的交替布置的隔离层的密封的方式实施密封。密封的实施使得每个进料隔离件均在其相对表面上具有与进料连通的入口孔和与进料密封的滤液孔。相反，过滤器隔离层具有与进料密封的孔和与滤液流体连通的孔。通过以此方式工作，防止了滤液与进料流或者滞留物流的混合，且进料在穿过滤液隔离层之前必须通过一层膜。
参见图1，进料隔离层10包括网筛11、多个与网筛11流体连通的进料孔12和多个不与网筛11流体连通的滤液孔14。网筛11的周边用可以被热封的热塑性聚合物组分13密封，或者用可以被压缩以实现围绕网筛11周边的密封的可压缩聚合物组分13密封。如图2所示，聚合物组分比网筛11稍厚。重要的是，聚合物组分13在被粘合到一个或两个膜上之后，其厚度在与网筛11的厚度大约相同和比其厚大约25％之间，优选地在与其大约相同和比其厚大约10％之间，从而可在不使用过量的聚合物组分的情况下实现热或压缩密封，其中过量的聚合物组分会不必要地增加本发明的过滤组件的体积。聚合物组分13在密封之前的起始厚度与网筛的厚度相同或比其厚大约30％。
参见图3和4，示出了滤液网筛16，其中进料孔12通过围绕滤液网筛16的周边或在该周边附近延伸的热塑性聚合物组分18与网筛内部15密封隔离。聚合物组分18比网筛16稍厚。由于与上面针对聚合物组分13所述相同的原因，聚合物组分18在密封之后其厚度在与网筛16几乎相同和比其厚大约25％之间，优选地在与其大约相同和比其厚大约10％之间。聚合物组分18在密封之前的起始厚度与网筛的厚度相同或比其厚大约30％。
参见图5，示出了本发明的复合层20。复合层20包括含热塑性聚合物组分18和进料孔12的滤液网筛15。滤液孔14(图2)与网筛15流体连通。热塑性组分18密封在膜层22和22a上。每个膜层22和22a均包括一个多孔支承层24和一个超滤层26，该多孔支承层例如为纺织或非纺织片，如非纺织聚丙烯织物，该超滤层例如为聚醚砜或纤维素层与聚乙烯层的组合。由于网筛15与滤液孔14流体连通并与进料孔12密封，所以滤液与进料不会混合。
参见图6，示出了一个复合层28，它包括与进料孔12流体连通的两个进料网筛11、通过热塑性组分18与进料孔12密封的两个膜层22和22a、以及一个通过热塑性组分18与进料孔12密封的滤液网筛15。由此，复合层28可进行工作，以接受进料穿过网筛11、穿过膜层22和22a以及通过滤液孔14进入网筛15和从模块式复合层28排出(图3)。复合层28以及其他复合层(未示出)利用热塑性聚合物组分在其周边处例如通过注塑进行密封。
参见图7，示出了一个过滤组件。在歧管32和歧管34之间具有一个过滤元件28。歧管32设有进料口12和滤液出口36。歧管34设有滤液出口38和滞留物出口40。在歧管34上设有一组滤液出口装置42，而在歧管32上设有另一组滤液出口装置44。滤液出口装置42和44通过滤液通道46与滤液出口36和38相连。过滤元件28包括与液体入口装置12连通的孔48和与滤液出口装置42和44连通的孔50。
参见图8，过滤元件52包括滤液隔离件54、膜层22、进料隔离件56和具有第二滤液隔离件(未示出)并可以接触通道46(图7)的膜层22。用箭头58表示的液体进料穿过层22a中的孔48进入隔离件56。如箭头58所示，一部分液体水平穿过隔离件60，并如箭头60所示垂直穿过膜层22。进入的液体的剩余部分如箭头62所示向上穿过过滤层22内的孔48、滤液隔离件54内的孔48并进入下一个相邻过滤单元(未示出)，其中它以与针对过滤元件52所述的相同方式工作。滤液进入孔50并沿箭头70和72所示的方向流向滤液出口装置38(图4)。孔48与孔50交替布置。如箭头64所示，滞留物横穿滤液隔离件56，穿过孔50流向滞留物出口装置40(图4)。
参见图9，过滤装置80具有用于流体进料的入口82和84、用于滞留物的出口86和88以及用于滤液的出口90和92。过滤装置80包括例如由注塑形成的外壳94、进料网筛96、滤液网筛98和膜层100。
应当理解，本发明的零件设计与密封它们的方法一起使得可以使用比目前可能采用的材料更薄的材料来制作零件。还消除了对模塑隔板的需要，其中所述模塑隔板还在零件之间强加了一最小厚度。这使得在一定体积的过滤组件中可以容纳的层数增加，从而理想地提高了组件的过滤容量。本发明可提供在每立方米(m3)所述过滤器结构的外部体积中具有至少300平方米(m2)的活性膜过滤器面积的组装密度，这是现有技术的设备从未获得过的。本发明还可避免使用由于未反应的组分的存在而可能造成清洁度问题的双组分粘合剂。
此外，用于将它们形成在一起的零件和方法也是理想的，因为其可以消除用于形成膜-网组件的多个组装步骤的需要。或者，与其它已知方法相比，其容许减少制造它们所需的子组件和步骤的数目，并降低了由增长的处理/加工所导致的膜破坏的可能性。
此外，本发明的产品与现有技术的设备相比可以具有显著降低的可提取水平。对用于构造本发明的组件的材料以及用于构造现有技术的组件的材料进行测试，评价它们使用所述设备的一般清洁溶液时的可提取水平。测试旨在确定材料吸收或吸附物质以及随后释放它们的能力。在使用中，这可能会导致从一批产品向下一批携带污染物。此现象在本行业内通常被称作可提取物。
用将被测试的每种单一材料制造表面积相同的样品，以产生出具有均一表面积的样品。对于热塑性和热固性材料而言，模塑成直径为1.125英寸(2.8575cm)、厚度为0.25英寸(1.27cm)的圆盘，以产生0.00185平方米的表面积。对于厚度小于0.025英寸(1.27cm)的材料如膜、非纺织支承物和网筛而言，样品被切割成47nm的圆盘，以产生010035平方米的表面积。
每个样品均单独在75ml醋酸/磷酸的测试溶液中浸泡24小时。用于此研究的酸性溶液是1.8％的醋酸和1.1％的磷酸。浸泡之后，将样品用过滤过的去离子水简单冲洗，以从样品表面除去任何残留溶液。然后将每个样品单独浸泡在50ml过滤过的去离子水中进行提取。在6小时和24小时后对水取样，并通过离子色谱法分析醋酸盐和含磷离子的水平。将离子水平换算成mg/m2。在所述浸泡周期之后的醋酸盐和含磷离子水平代表了残留酸从结构材料向水中的释放。这与材料在使用中可释放的污染水平相对应。适宜的材料是那些通过上述测试方法测试时每平方米的材料中提取出的污染物少于250mg的材料。更优选的材料和由它们制造的设备在用上述测试方法测试时每平方米的材料中提取出的污染物少于200mg。
使用具有或不具有发泡剂的聚丙烯和聚丙烯热塑性弹性体可提供满意的低提取水平。
可以被压缩以形成密封并不含有可提取物的适宜的弹性材料包括：Advanced Elastomer Systems，L.P.of Akron，Ohio的SANTOPRENE聚合物，优选8000系列，SARLINK聚合物，优选4155型，DSM ThermoplasticElastomers，Inc.of Leominster，MA的聚丙烯热塑性弹性体，以及聚丙烯，(典型地从0.5到大约2.0％)。
适于热封的适宜的热塑性聚合物组分包括但不限于烯烃、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、PVDF、PFA或热塑性弹性体。
Claims (4)
1.一种用于形成具有进料入口、至少一个滤液口和滞留物口的过滤组件的方法，包括：
形成一个由多个可透过流体的隔离层和多个膜过滤层组成的叠层，其中所述隔离层与所述过滤层在垂直方向上彼此交替地布置，
提供热塑性部分，其以这样的构造方式固定在所述隔离层上，以在所述部分被熔化时，使得所述进料入口、所述至少一个滤液口和所述滞留物口中的交替布置的隔离层密封，由此所述至少一个滤液口内的液体不会与所述进料入口和所述滞留物口内的液体混合，所述热塑性部分的厚度在所述隔离层中的一个的厚度的大约100％和大约125％之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热塑性部分的所述厚度在所述隔离层中的一个的厚度的大约110％和大约120％之间。
3.一种过滤组件，它包含多个过滤元件，所述过滤元件包括滤液网筛、进料网筛和两个膜层，其中所述两个膜层中的每一个具有进料入口、滤液出口和可选的滞留物出口，其被密封，以防止滤液与进料或滞留物混合，且其中进料在进入滤液网筛之前必须穿过一个膜层，其改进在于，包括在每个滤液网筛的周边附近和可选地在每个进料网筛的周边附近提供热塑性聚合物密封组分，其中所述热塑性聚合物密封组分的厚度在滤液网筛或进料网筛的厚度的大约100％和大约125％之间。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述进料网筛中的每一个包括位于所述进料网筛的周边附近的可压缩聚合物组分，且其中所述可压缩聚合物组分的厚度在所述进料网筛的厚度的大约100％和大约125％之间。
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