專利名稱：用于閃蒸餾的微孔膜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于蒸餾鹽水的微孔膜和使用所述膜的方法。
背景技術：
獲得適合飲用的水是地球上許多人面臨的最為嚴重的健康與環(huán)境問題之 一。伴隨著城市擴張，淡水供應緊張，因而需要越來越多的脫鹽廠將海水轉(zhuǎn)化 為可飲用的淡水。 一種成熟的脫鹽方法是利用反滲透膜生產(chǎn)可供人使用的飲用
水。反滲透法(RO)在近些年有了長足的發(fā)展，但許多現(xiàn)有RO系統(tǒng)的分離質(zhì)量 低下，限制了其應用的范圍和經(jīng)濟效益，而且它們還需要大量的能量才能運轉(zhuǎn)， 因為它們必須用泵在較高壓力下抽取不純的水，使之通過RO膜。
多級閃速(MSF)蒸餾是現(xiàn)有的另一種脫鹽技術，特別是在具有豐富能源的 領域。此外，多效蒸餾(MED)或蒸氣壓縮系統(tǒng)(VC)也引起一定的關注。MSF和 MED都能利用膜來幫助脫鹽和廢水處理。盡管MSF和MED系統(tǒng)的可接受度 越來越高，但這些方法中采用的現(xiàn)有膜存在某些缺陷，包括對鹽離子的排斥能 力小，淡水或蒸汽通過膜的速率小，耐久性差，或成本不合算。因此，需要一 種可用于MSF和MED系統(tǒng)的經(jīng)過改進的膜。
發(fā)明概述
本發(fā)明一般涉及用于閃蒸餾的微孔膜，其包括至少三個具有不同性質(zhì)的 層。 一般而言，所述膜包含孔徑較小的外層和孔徑較大的內(nèi)層。
因此，舉例而言，所述膜材料包括第一多孔膜層或區(qū)域；與第一多孔膜區(qū) 域相鄰且密度低于第一多孔膜層的第二多孔膜層；以及與第二多孔膜區(qū)域相鄰 且密度高于第二多孔膜區(qū)域的第三多孔膜層。
本發(fā)明還涉及包括熱鹽水源的脫鹽系統(tǒng)。在某些實施方式中，所述系統(tǒng)包 括第一微孔膜區(qū)域和密度低于第一膜區(qū)域的第二微孔膜支撐區(qū)域，熱鹽水在第 一微孔膜區(qū)域閃蒸為蒸汽，來自第一膜區(qū)域的蒸汽在第二微孔膜支撐區(qū)域膨 脹。第三微孔膜區(qū)域的密度高于第二膜支撐區(qū)域。來自第二膜支撐區(qū)域的膨脹蒸汽流過第三膜區(qū)域，同時第三膜區(qū)域內(nèi)的流動阻力在第二膜支撐區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生 反壓。據(jù)信，此反壓有助于防止鹽水自第一膜區(qū)域通過第二膜支撐區(qū)域。用冷 凝器從第三膜區(qū)域收集蒸汽，作為可飲用水。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點可在以下對本發(fā)明的詳細描述和權利要求中看 得很清楚。以上對本發(fā)明原理的概述并不是對本發(fā)明的各個示例實施方式或者 每個應用形式所作的描述。以下詳述通過舉例的形式更具體地描述了利用本文 所述原理的某些實施方式。
附圖簡述
現(xiàn)將參考以下各圖更充分地解釋本發(fā)明


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些方面制造的四段式連續(xù)膜閃蒸裝置的示意圖。 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式制造的閃蒸室的截面圖。 圖3是圖2所示閃蒸室的部分截面圖，顯示了冷凝器壁、分離/排水介質(zhì)和 蒸氣膜。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式制造的蒸氣膜的放大截面圖。 圖4B是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式制造的蒸氣膜的放大截面圖。 雖然本發(fā)明的原理適用于各種改進和替代形式，但是圖中僅通過舉例的形 式顯示了特定的情況，并且詳細地進行了描述。但應當理解，其目的不是為了 將本發(fā)明限制在所述特定實施方式上。相反，其目的是為了覆蓋所有符合說明 書和權利要求所限定的精神與范圍的改進形式、等價形式和替代形式。
發(fā)明詳述
本發(fā)明部分涉及用于閃蒸餾的微孔膜，其包含至少三個區(qū)域的膜材料。此 膜材料一般包括第一多孔膜區(qū)域；與第一多孔膜區(qū)域相鄰且密度低于第一多孔 膜區(qū)域的第二多孔膜區(qū)域；與第二多孔膜區(qū)域相鄰且密度高于第二多孔膜區(qū)域 的第三多孔膜區(qū)域。
現(xiàn)在參考附圖。圖l顯示了根據(jù)本發(fā)明的一些方面制造的四段式連續(xù)膜閃 蒸裝置的示意圖。具體說來，圖1顯示了適合釆用本發(fā)明的多層微孔膜的連續(xù) 膜閃蒸裝置10。
圖1所示裝置10包括四個串連的蒸餾室12a、 12b、 12c和12d。蒸餾室 12a-12d各自包括對應的受熱海水(包括其它非源自海水的含鹽水，例如來自內(nèi)陸湖的含鹽水)進水管14a-14d，以及鹽水出口 16a-16d。在圖示實施方式中，海 水經(jīng)加熱設備17加熱。此外，每個蒸餾室12a-12d包括源海水進口 18a-18d和 出口 20a-20d?？梢钥吹?，熱海水流過蒸餾室的方向與源海水通過進口進入的 方向相反。因此，熱海水從蒸餾室12d依次流過12c和12b，最后到達12a。源 海水的流動方向相反，從室12a到12b到12c到12d。在圖示實施方式中，來 自進水管14d、 14c、 14b和14a的熱海水在裝置運行過程中作為逆流熱源，對 從海水進口 18a進入室12a，然后依次進入后面的各蒸餾室12b、 12c和12d的 源海水起溫熱作用。餾出物分別通過餾出物出口 22a、 22b、 22c和22d在各室 底部進行收集。
現(xiàn)在參考圖2和3解釋蒸餾裝置10的操作。圖2顯示了室12a的內(nèi)部截 面，該室有一部分的詳細情況示于圖3。熱海水從進水管14a進入室12a，經(jīng)熱 海水通道23a沿室12a縱向流到出口 16a。通道23a中的熱海水與膜24a接觸， 其中一些熱海水在膜處形成蒸汽，然后進入收集室26a。
在某些實施方式中，膜24a包括第一微孔膜區(qū)域和密度低于第一膜區(qū)域的 第二微孔膜支撐區(qū)域，熱鹽水在第一微孔膜區(qū)域閃蒸為蒸汽，來自第一膜區(qū)域 的蒸汽在第二膜區(qū)域膨脹。第三微孔膜區(qū)域的密度高于第二膜支撐區(qū)域。來自 第二膜支撐區(qū)域的膨脹蒸汽流過第三膜區(qū)域，同時第三膜區(qū)域內(nèi)的流動阻力在 第二膜支撐區(qū)域產(chǎn)生反壓。據(jù)信，此反壓有助于防止鹽水從第一膜區(qū)域流過第
二膜支撐區(qū)域。冷凝器從第三膜區(qū)域收集蒸汽，作為可飲用水。
舉例而言，微孔膜可包括聚合物膜，其特征是含有通過小纖維互連的節(jié)。 在某些實施方式中，第一區(qū)域和第三區(qū)域的特征是其平均孔徑為0.02-1.0微米。 另外，在某些實施方式中，第一區(qū)域和第三區(qū)域的特征是其平均空隙率為70-97 %。舉例而言，第二區(qū)域的平均空隙率可以為80-97%。
一般而言，每個區(qū)域的厚度約為0.001-0.004英寸，但在一些實施方式中可 以更厚或更薄一些。在一些實施方式中，微孔膜的總厚度為0.001-0.01英寸， 在其它實施方式中，微孔膜的總厚度為0.004-0.01英寸。
在一些實施方式中，每個區(qū)域包含選自金屬纖維、硼硅酸鹽玻璃纖維、聚 合物及其組合的材料。例如， 一個或多個區(qū)域可由膨脹聚合材料形成，所述材 料選自聚酯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氟烴及其組合。特別適合用作膜材料的是 聚四氟乙烯(PTFE)。在一些實施方式中，也可以對膜增加親水處理。
所述膜可以形成管狀。舉例而言，通過離心鑄造(centrifugalcasting)或螺旋包繞(spiral wrapping)可以形成這種管狀。通過糊劑擠出、拉伸和燒結(jié)可以得到 管狀；或者通過將拉伸膜巻繞(rolling)到心軸上然后燒結(jié)來形成管狀。在一些實 施方式中，在加壓條件下加熱膜，由此使膜達到熱穩(wěn)定。
本發(fā)明還涉及用于脫鹽的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含熱鹽水源；第一微孔膜區(qū)域， 所述熱鹽水在此閃蒸為蒸汽；密度低于第一膜區(qū)域的第二微孔膜支撐區(qū)域，來 自第一膜區(qū)域的蒸汽在此膨脹；密度高于第二膜支撐區(qū)域的第三微孔膜區(qū)域， 來自第二膜支撐區(qū)域的膨脹蒸汽流過第三膜區(qū)域，同時第三膜區(qū)域內(nèi)的流動阻 力在第二膜支撐區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生反壓，防止鹽水從第一膜區(qū)域穿過第二膜支撐區(qū) 域。
在該系統(tǒng)的一些實施方式中，第一微孔膜區(qū)域和第三微孔膜區(qū)域的孔徑為 0.02-1.0微米，第二微孔膜支撐區(qū)域的空隙率為80-97%。
在某些應用中，微孔膜至少由兩層構成，其中每層的特征在于其含有通過 小纖維互連的節(jié)，各層通過在低于任一膜材料熔點的溫度下進行的塑性流動 (plastic flow)結(jié)合(bond)，且孔結(jié)構通過膨脹工藝原位形成。通過分開控制每層 的孔結(jié)構，可以得到分層微孔膜。
在壓延過程中，通過將兩條或多條擠出帶材永久性地結(jié)合在一起，可以按 照層疊方式分開控制PTFE或PTFE/有機硅膜的孔結(jié)構。通過采用不同的擠出 組合物，各層在擠出和壓延過程中產(chǎn)生的分子取向度可以不同。由于至少有一 層擠出帶材在層疊時仍然部分飽含有機潤滑劑，所以很容易形成冷質(zhì)流(cold flowmass)，并且很容易形成永久性結(jié)合。
分層擠出帶材后來發(fā)生的任何膨脹都會在各層當中產(chǎn)生不同或完全不同 的孔結(jié)構。結(jié)果，最終的產(chǎn)品實際上是具有分層孔結(jié)構的單一膜，而不是幾塊 獨立膜的層疊物。如果在壓延結(jié)合之前對一條或多條擠出帶材施以不同程度的 線性和/或橫向拉伸處理，那么上述效果將更加明顯。每個層的厚度取決于它在 層疊之前要壓延到的厚度，而且產(chǎn)品中各層的厚度可以不同。
可進一步設想，在層疊之前，分層帶材的每個層都可獨立地用表面活性劑 等材料進行改性，在其各個面上產(chǎn)生表面性質(zhì)各異的微孔片。此外，通過依次 重復該過程，可以得到多層制品?；蛘?，可將多層相同的聚合物配制物層壓在 一起，使擠出帶材的膨脹厚度大于給定擠出模具所能實現(xiàn)的厚度。
此工藝的產(chǎn)品具有許多應用。例如，分層孔結(jié)構顯然可用于過濾操作。很 薄的小孔徑薄膜可結(jié)合到孔徑較大的厚膜上，其效果是最大程度發(fā)揮小孔徑薄膜的過濾效率，同時在總體上保持較厚的膜的物理完整性。由于該工藝不用粘 合劑，所以所述過濾系統(tǒng)的流速和效率不會因開放孔被堵而下降。因為所述膨 脹過程原位產(chǎn)生孔徑梯度，故而避免了在熱結(jié)合兩層微孔膜時產(chǎn)生破碎效應
(crushing effect)。
本發(fā)明更具體地涉及在其厚度方向具有分層孔結(jié)構的微孔層疊膜。膜中一 層的平均孔徑顯著小于或大于其它一層或多層的平均孔徑。此分層孔結(jié)構通過 以下過程原位產(chǎn)生l)將聚四氟乙烯(PTFE)樹脂或PTFE有機硅互滲聚合物網(wǎng) 絡(IPN)擠塑成第一帶材；2)任選地，將所述第一帶材壓延到較小厚度；3)任選 地，沿至少一個方向拉伸，使所述經(jīng)過壓延的第一帶材發(fā)生取向；4)擠出第二 個具有類似或不同組成的PTFE或IPN帶材；5)任選地，將所述第二帶材壓延 到較小厚度；6)在進一步壓延過程中，將第一片形材料層壓到第二擠出帶材上； 7)沿至少一個方向拉伸步驟6)中的帶材，使之發(fā)生取向，從而產(chǎn)生具有分層孔 結(jié)構的微孔膜；8)任選地，將該膜加熱到其晶體熔點以上的溫度，使之燒結(jié)。 帶材各層之間的結(jié)合是在高塑性條件下完成的，各層的孔隙率取決于膨脹過 程。
不應認為本發(fā)明受限于上述具體實施方式
，而應理解為其覆蓋附屬權利要 求明確界定的本發(fā)明所有方面。本領域的技術人員在研讀本發(fā)明的說明書后， 很容易看出本發(fā)明的各種改進形式、等價過程以及無數(shù)結(jié)構。
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權利要求
1.一種用于閃蒸餾的微孔膜，其包含至少三個區(qū)域的膜材料，其包含第一多孔膜區(qū)域；與所述第一多孔膜區(qū)域相鄰且密度低于所述第一多孔膜區(qū)域的第二多孔膜區(qū)域；與所述第二多孔膜區(qū)域相鄰且密度高于所述第二多孔膜區(qū)域的第三多孔膜區(qū)域。
2. 如權利要求l所述的膜，其特征在于，所述微孔膜包含聚合物膜，其中所述聚合物膜含有通過小纖維互連的節(jié)。
3. 如權利要求l所述的膜，其特征在于，所述第一區(qū)域和第三區(qū)域的平均孔徑為0. 02-1. 0微米。
4. 如權利要求l所述的膜，其特征在于，所述第一區(qū)域和第三區(qū)域的平均空隙率為70-97%。
5. 如權利要求1所述的膜，其特征在于，所述第二區(qū)域的平均空隙率為80-97%。
6. 如權利要求l所述的膜，其特征在于，每個區(qū)域的厚度為0.001-0. 004英寸。
7. 如權利要求1所述的膜，其特征在于，所述微孔膜的厚度為0.001-0.01英寸。
8. 如權利要求l所述的膜，其特征在于，每個區(qū)域包含選自下組的材料金屬纖維、硼硅酸鹽玻璃纖維、聚合物以及它們的組合。
9. 如權利要求l所述的膜，其特征在于，每個區(qū)域包含選自下組的膨脹聚合材料聚酯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氟烴以及它們的組合。
10. 如權利要求l所述的膜，其特征在于，每個區(qū)域包含膨脹聚四氟乙烯。
11. 如權利要求10所述的膜，其特征在于，還包括親水處理。
12. 如權利要求1所述的膜，其特征在于，其通過螺旋包繞膨脹聚四氟乙烯而形成管狀。
13. 如權利要求10所述的膜，其特征在于，其通過將拉伸膜巻繞到心軸上然后燒結(jié)而形成管狀。
14. 如權利要求1所述的膜，其特征在于，通過在加壓條件下加熱所述膜而使所述膜達到熱穩(wěn)定。
15. —種用于閃蒸餾的微孔膜，其包含至少三個區(qū)域的膜材料，其中每個區(qū)域包含聚四氟乙烯，其包含第一區(qū)域的膜材料；與所述第一區(qū)域的膜材料相鄰且其密度低于所述第一區(qū)域的膜材料的第二區(qū)域的膜材料；與所述第二區(qū)域的膜材料相鄰且其密度高于所述第二區(qū)域的膜材料的第三區(qū)域的膜材料。
16. 如權利要求15所述的膜，其特征在于，所述膜含有通過小纖維互連的節(jié)。
17. 如權利要求15所述的膜，其特征在于，所述第一區(qū)域和第三區(qū)域的平均孔徑為0. 02-1. 0微米。
18. 如權利要求15所述的膜，其特征在于，所述第一區(qū)域和第三區(qū)域的空隙率為70-97%。
19. 如權利要求15所述的膜，其特征在于，所述第二區(qū)域的空隙率為80-95%。
20. 如權利要求15所述的膜，其特征在于，每個區(qū)域的厚度為0.00卜0.004英寸。
21. 如權利要求15所述的膜，其特征在于，所述膜的厚度為0.001-0.01英寸。
22. 如權利要求15所述的膜，其特征在于，還包括親水處理。
23. 如權利要求15所述的膜，其特征在于，其通過螺旋包繞膨脹聚四氟乙烯而形成管狀。
24. 如權利要求15所述的膜，其特征在于，其通過將拉伸膜巻繞到心軸上然后燒結(jié)而形成管狀。
25. 如權利要求15所述的膜，其特征在于，通過在加壓條件下加熱所述膜而使所述膜達到熱穩(wěn)定。
26. —種脫鹽系統(tǒng)，其包括熱鹽水供應裝置；第一微孔膜區(qū)域，熱鹽水在此閃蒸為蒸汽；第二微孔膜支撐區(qū)域，其密度低于所述第一膜區(qū)域，來自第一膜區(qū)域的蒸汽在此膨脹；第三微孔膜區(qū)域，其密度高于所述第二膜支撐區(qū)域，其中來自所述第二膜支撐區(qū)域的膨脹蒸汽流過所述第三膜區(qū)域，且所述第三膜區(qū)域內(nèi)的流動阻力在所述第二膜支撐區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生反壓，防止鹽水從所述第一膜區(qū)域穿過所述第二膜支撐區(qū)域的損害；冷凝器，用于收集來自所述第三膜區(qū)域的蒸汽形成純水。
27. 如權利要求26所述的脫鹽系統(tǒng)，其特征在于，所述第一微孔膜區(qū)域和第三微孔膜區(qū)域的孔徑為0. 02-1. 0微米。
28. 如權利要求26所述的脫鹽系統(tǒng)，其特征在于，所述第二微孔膜支撐區(qū)域的空隙率為80-97%。
29. 如權利要求26所述的脫鹽系統(tǒng)，其特征在于，每個微孔膜區(qū)域包含聚四氟乙烯。
30. 如權利要求26所述的脫鹽系統(tǒng)，其特征在于，每個微孔膜區(qū)域含有通過小纖維互連的節(jié)。
全文摘要
揭示了一種用于閃蒸餾的微孔膜，其包含至少三個具有不同性質(zhì)的層。一般而言，所述膜包含一個孔徑較小的外層和一個孔徑較大的內(nèi)層。本發(fā)明還涉及一種包括熱鹽水源的脫鹽系統(tǒng)。
文檔編號B01D61/36GK101495216SQ200680032605
公開日2009年7月29日 申請日期2006年8月3日 優(yōu)先權日2005年8月3日
發(fā)明者A·達爾格倫, D·H·懷特, K·帕特爾, R·布蘭蒂馬特 申請人:唐納森公司